1、 I 毕业设计（论文）题 目：GPS C/A 码的捕获仿真研究 目录摘要 .1Abstract.21 绪论 .31.1 研究背景及应用现况 .31.1.1 GPS 的发展史及系统概述 .31.1.2 GPS 定位技术应用现况 .31.2 各国导航定位系统研究现状 .41.3 课题研究内容及意义 .41.4 论文章节安排 .52 GPS 导航定位信号及定位原理 .62.1 GPS 系统结构 .62.2 GPS 信号结构 .72.2.1 GPS 信号产生 .72.2.2 GPS 卫星的导航电文 .92.2.3 C/A 码及其产生 .102.3 GPS 系统定位基本原理 .133 GPS 卫星信号的
2、捕获 .143.1 GPS 信号接收机 .143.2 GPS 卫星信号捕获的考虑 .143.2.1 GPS 卫星信号的多普勒效应 .143.2.2 捕获的最大电文长度 .163.2.3 捕获的频率步长 .163.3 GPS 卫星信号的捕获方法 .163.3.1 传统捕获方法 .173.3.2 循环相关捕获方法 .193.3.3 延迟与累积捕获方法 .213.4 捕获不确定性的相关处理 .214 C/A 码捕获的仿真实现 .244.1 MATLAB 简介 .244.2 传统捕获及循环相关捕获方法仿真 .244.2.1 单个采样 C/A 码的产生 .244.2.2 生成 C/A 码并数字化 .25
3、4.2.3 执行捕获 .264.3 仿真结果及分析 .27结论 .30谢辞 .31参考文献 .321GPS C/A 码的捕获仿真研究摘要：全球定位系统（GPS）是由美国开发的卫星导航定位系统，广泛应用于军事、国防建设以及交通导航等领域，通过 C/A 码捕获的仿真研究可以为 GPS 信号的进一步跟踪和解调提供基础。本文主要研究了传统捕获和循环相关捕获方法，介绍了延迟与累积捕获手段，运用 MATLAB 仿真软件来确定 C/A 码的起始点和载波频率。首先，学习了 GPS 信号基本结构及 C/A 码的产生原理，阐述了 GPS 定位基本原理；然后学习了三种捕获方法的基本工作原理，论述了捕获中的不确定性及
4、处理方法，研究分析了 C/A 码捕获的具体过程；最后通过 MATLAB 软件进行仿真实现。仿真过程中，主要运用了循环相关捕获方法，并且在仿真中消除了捕获过程中的不确定性，找到 C/A 码的起始点以及它的载波频率，最终完成了对 GPS C/A 码的完整捕获。关键词：GPS 系统； C/A 码；捕获；MATLAB 仿真2Research on GPS C/A Code Acquisition SimulationAbstract：Global positioning system (GPS) is a satellite navigation and positioning system deve
5、loped by the United States. The technology is widely used in military, national defense construction, traffic navigation and so on. The simulation of C/A code acquisition can provide the foundation for further tracking and demodulating GPS signals. This undergraduate dissertation mainly studies the
6、traditional acquisition method and cycle-related acquisition method, introduces the delay and cumulative acquisition method, and determines the starting point and carrier frequency of C/A code based on MATLAB simulation. Firstly, the basic structure of GPS signal and the principle of C/A code genera
7、tion are studied, and the basic principle of GPS positioning is expounded; Then the basic working principles of the three acquisition methods are studied, the uncertainties in the acquisition and the treatment are discussed, and the specific process of C/A code acquisition is analyzed; Finally, the
8、study is simulated based on MATLAB. In the simulation process, the cycle-related acquisition method is mainly used, and the uncertainties of the acquisition process are eliminated in the simulation. Through the simulation, the starting point and carrier frequency of the C/A code are found and the co
9、mplete acquisition of the C/A code is realized.Key words：GPS system；C/A code；acquisition；MATLAB simulation31 绪论1.1 研究背景及应用现况1.1.1 GPS 的发展史及系统概述全球定位系统是最现代的卫星导航定位系统，英文全称为 Global Positioning System，简称GPS。1957 年，人类历史上的第一颗卫星顺利发射，之后美国便开始着手导航定位这方面的的各项研究。由此美国发展出了子午仪（Transit）系统并且被广泛应用。但是，这个系统在实际应用中还有许多不足，定位时
10、间长，定位精度不高，由于这些缺点，子午仪系统更适合船用，但是并不适合于高动态应用。为了解决这些不足和缺点，各国的卫星导航定位系统随之产生，比如说的美国的GPS（全球定位系统） 、俄罗斯的 GLONASS（格洛纳斯系统） 、欧洲的伽利略系统以及中国的 “北斗”卫星导航系统。全球定位系统 GPS 研制于 60 年代，来源于美国，系统方案于 1973 年正式确立，1944 年正式建成该系统。该系统适用于海陆空三方面提供导航服务以及用于情报收集和应急通信等军事领域。GPS 的特性主要有以下几个：第一、定位精确程度高，监测一个钟头以上定位精确程度能够达到cm 级别和 mm 级别；第二、监测时间短，原来的
11、子午仪系统定位一次需要 10-15 分钟，而 GPS 观测定位的时间大大提高了；第三、全球并全天候地运行，为全世界用户提供服务，实时提供地址和速度信息；第四、还有工作效率高、操作便捷、应用范围广以及功能完善等特性。1.1.2 GPS 定位技术应用现况导航说简单点，就是引导一个设备或用户，从一个不同地点到达另一地点的方法科学。在我们平时的日常生活中，我们都在不同程度的应用到导航，GPS 可谓是军民双用的系统。尤其是当今社会，电子科技的迅猛发展，因此，GPS 技术也在不停地发展和完善，应用前景非常广阔。GPS 技术正在一步一步融入国家经济建设、国防建设和社会发展所需要的各个领域，由于其全球、全天候
12、、高精度和连续观测等特点使其成为了新一代的测量方式和生产力。从传统领域来说，有军事、大地测量、放样等应用领域；从新型应用领域来说，有交通导航、救援工作、精准农业耕作、林业、旅游业、人类日常生活等等。总而言之，GPS 已经完全融入这个社会的发展，是不可或缺的一项技术。以下从海、陆、空三个领域简要介绍一些常见应用：（1）海洋应用：例如船舶远洋导航、进港引水、海上紧急救援、船舶航路设计、水质监测、水下地形测量和海平面监测等；（2）陆地应用：例如大气环境监测、地壳变形监测、地球生态资源勘察、工程机械控制、城市规划与管理、交通导航、农林业工作、旅游行业、智能运输和个人通信设备等；（3）航空军事领域：飞机
13、航线设计控制、飞机起飞降落引导、航行监控、飞机遥感控制、航4拍应用、卫星定轨、空中救援、导弹制导和弹道测量等。1.2 各国导航定位系统研究现状中国的北斗卫星导航系统使用“三步走”战略：（1）北斗卫星卫星导肮试验系统要建成于 2000年，让中国第三个拥有自主卫星导航系统。 （2）2012 年左右形成能够覆盖亚太大部分地区的北斗卫星导航系统。目前阶段，中国和周边地域已经能够利用北斗卫星导航系统进行连续不断的导航定位和定时服务，并且该系统是世界上第三个参与运行的导航系统。 （3）北斗卫星导航系统将于2020 年左右拥有覆盖全球的能力，中国的“北斗”也会是世界的“北斗”。伽利略卫星导航系统是欧洲建设研
14、发的卫星导航系统，命名为天文学家伽利略的名字，该系统起初的目的是提供供应一个独立自主的高精度导航系统。Galileo 系统有两个版本，基本版可以免费提供服务；高级版被应用于军事国防领域，不是免费提供的。之前欧洲对 Galileo 系统的发展过程是：这个项目确立于 2003 年 5 月份，这是初步阶段，第二阶段的目标是于 2012 年实现运营，然而由于资金问题，这一阶段已延期。GLONASS 是俄罗斯的卫星导航定位系统，该系统的卫星数量足够，但是接收设备不足。但是这些卫星的寿命不长，每年都要发射 2 个卫星。上个世纪，国家经济落后，没有足够的资金能力来供应 GLONASS 的完善和发展，到 20
15、01 年时仅剩 6 个卫星。后来，随着普京上任，国家经济逐步复苏，加上美国不提供在俄动乱之处的 GPS 服务，GLONASS 系统随之加速成长。目前，这个系统完全投入使用，但是相比于 GPS 系统还是比较落后，它的用户终端设备的发展很缓慢。1.3 课题研究内容及意义因为 GPS 定位技术的迅猛发展和普遍运用，该技术已经获得了巨大的经济效益，国防领域和社会发展也有深受其影响。这项技术已经融入到这个社会的各个方面，大到国防军事领域，小到人民百姓的日常生活都有它的身影。其中用户设备接收机这一部分和用户关系最为靠近，它的研究也就顺势变成了研究热门。在 GPS 信号研究过程中，要想跟踪和解调卫星信号，首
16、先就要捕获到C/A 码， C/A 码的捕获是 GPS 定位技术中打下基础一部分，没有捕获谈何信号跟踪调制与解调。因此，C/A 码捕获的仿真研究拥有一定研究意义，这对用户接收机的研发设计也有也有一定的研究意义和实用价值。开始捕获的通常方法是搜索接收机视界内的所有卫星，这种方法只需搜索为数不多的卫星，但是如果一开始获得的位置时间都是错误的，正确卫星的定位时间变长。另一个方法是对空间中的所有卫星进行捕获，这非常耗时，这时采用循环相关捕获可以大大缩短捕获时间。传统信号的捕获是通过时域内硬件实现的，当输入连续信号一旦被发现，便立即将相关信息送入跟踪硬件中；当使用软件接收时，当发现期望信号时，相关信息将传
17、递给跟踪过程。用来捕获的数据和被跟踪数据之间5有一定延时，如果捕获慢，延时变长，传递给跟踪过程的数据可能就过时了，也就是说接收机将不能正确跟踪信号了。因此，期望建立一个实时接收机，提高捕获速度，需要进一步研究相关算法来缩短捕获时间。本文介绍了 GPS 系统，主要介绍了 C/A 码的捕获及其 MATLAB 仿真研究。从 GPS 信号结构及其产生过程，论述了 GPS 定位的基本原理，进一步引出了 C/A 码的产生。从 GPS 卫星的多普勒效应得出 C/A 码捕获的基本思想，就是得到 C/A 码的起始点和载波频率。并且根据传统捕获、循环相关捕获以及延迟与累计捕获方法等不同的 GPS 信号捕获方式，研
18、究分析了 C/A 码捕获的具体过程。并且，测量过程中载波频率测量存在不确定性，本文通过了幅值比较法来消除这个不确定性。本文通过了 MATLAB 仿真,使用传统捕获以及循环相关捕获方法，进行了 C/A 码捕获的仿真研究，获取了 C/A 码的起始点与载波频率，并对仿真结果进行分析，完成了 C/A 码的捕获。1.4 论文章节安排本文经过介绍全球定位系统（GPS） ，以及 GPS 信号的捕获原理及仿真研究等，着重讨论了C/A 码的捕获。本文主要论述了传统捕获以及循环相关捕获方法。利用 MTLAB 软件仿真，对数据文件中的 GPS 信号进行捕获，生成每一个卫星的起始点和载波频率图。第一章：本章讨论了 G
19、PS 的发展历史，介绍了 GPS 技术目前的应用情况；介绍了各国导航定位系统的研究现状，最后论述了课题研究意义和研究内容分及方法，总结了文章的具体结构。第二章：本章主要论述 GPS 信号及定位理论，首先介绍了 GPS 系统的组成部分，然后分析了GPS 信号结构及其产生原理，进一步说明了 GPS 定位的基本理论。第三章：本章主要详细介绍了 GPS 信号的捕获研究，首先简述 GPS 接收机构成及工作原理，然后说明了捕获要求探究的因素，进而详细介绍了三种捕获手段，分析了各方法的利与弊，最后还研究分析了捕获过程中不确定性的相关处理。第四章：本章主要介绍基于 MATLAB 的 C/A 码捕获的仿真测试，
20、首先介绍了 MATLAB 仿真软件的基本特性，然后运用传统捕获和循环相关捕获方法的算法进行捕获仿真，并在仿真中利用幅值比较法消除了捕获过程中的不确定性。最后分析仿真结构，得出 C/A 码的起始点及载波频率。62 GPS 导航定位信号及定位原理2.1 GPS 系统结构GPS 系统主要由以下三大部分构成，如图 2-1 所示。图 2-1 GPS 系统结构图（1）空间段部分 1主要包含了 24 个卫星，这些卫星主要排列在 6 个轨道平面上，每 4 颗排列在一个轨道平面上。轨道倾斜程度是五十五度，轨道之间两两相差六十度，每个轨道上的四个卫星分别相距九十度，轨道上的卫星比临近的东边的轨道上的卫星落后三十度
21、，轨道的直径约等于53200 千米。每个卫星分别在两个频率 L1=1575.42MHz 和 L2=1227.6MHz 上发射测距信号和导航数据信号，测距信号能够使接收机确认信号传送的延迟，以此可以确认卫星距接收机的间隔长度；而导航数据信号则可以确人卫星在发送信号时的地址信息。通过这种技术进行全球/全天候、实时高精度的定位来确认用户的三维位置信息，最少要有 4 颗卫星（定位星座） 。（2）地面段部分是中心控制系统，它的组成部分是（1）主控站、 （2）数据注入站（3）卫星监空测量站，实现时间同步，跟踪卫星并进行定轨。这个控制系统的主要目的就是根据卫星发射的信号，来确定每一颗卫星的地址，即卫星星历，
22、并且检测卫星是否运转正常。卫星监测站主要是监测采集每颗卫星发出的卫星时间等数据信息。主控站是中心部分，用于管理全部的地面监控部分，把卫星监测站监测到的卫星时间，计算出星历、时钟差和受大气影响的补正值，然后发送给信息注入站，并由注入站传送给卫星，使卫星正常工作。注入站的工作内容就是将主控站计算出的星历、时钟差等其他数据信息传送给卫星，并注入卫星运转是否正常、是否定轨等相关信息。最终卫星通过导航电文的途径传送给用户。（3）用户段部分主要组成部分有接收机、数据分析设备和微处理器。接收机的主要目的是接7收到被测卫星所发出的信号，追踪卫星的运行。接收到的接收天线和卫星之间的伪距离和伪距离的变化率可以通过
23、数据处理软件和微处理器，进行解码、运算，最终得出用户所在的三维地址信息。接收机硬件部分由天线单元、电源和主机组成，由内外两个直流电源供电。使用两个电源的目的是，当用外部电源时内部电源会自行充电，当设备外部电源关断后，内部电源就会把已经充满的电给RAM 存储器供电，防止数据遗失。2.2 GPS 信号结构2.2.1 GPS 信号产生GPS 卫星信号是发生在两个 L 波段频率的载波信号 L1 和 L2，两个载波频率分别是 L1 的主频率 和 L2 的次频率 。在 L 波段进行调制可以避免拥挤，因为 L 波段的频率占据使用比率和其1Lf2f他波段相比要低一些，有助于全球性观测；L 波段上更容易进行扩频
24、（将低比特率的电文转换成高比特率的组合码，有利于卫星信号的保密性） ，发送宽带信号；L 波段大气偏差和电离偏差小，接收设备可以更简单、更经济地接收和测量。每一颗卫星均有唯一的扩频码或伪随机序列，由此调制出载波频率。这两个载频 2分别为：L1 载波的载频 (2-1）10547.2LffMHzL2 载波的载频 (2-2）2.6ff其中， 是卫星信号产生器的标准频率。01.3fMHzGPS 信号是由载波信号（L1、L2） 、测距码（C/A 码、P 码）和数据码（D 码，即导航电文）组成的调制波，这三种信号都是在 的基准上产生调制而出的，这三种信号彼此都会存在联系，互0f相成比例，如表 2-1 所示。
25、在 GPS 技术中，通过基准频率和存在的这种比例关系，有利于实现发射和接受的时间同步。表 2-1 GPS 信号的频率关系相关频率 基频 F 载频 1Lf载频 2Lf基准频率 F 10.23F 154F 120FC/A 码的码频 F/10 /15401Lf /12002LfP 码的码频 F /1541Lf /1202LfD 码的码频 F/204 600 /31 508 4001Lf /24 552 0002Lf8下面介绍 GPS 信号的产生，产生示意图如图 2-2 所示。图 2-3 GPS 卫星信号的产生如图 2-2 所示，从左往右来看，左边开始是基于 分别产生了 L1、L2 的载波信号，左下方
26、的0f限幅器用来稳定伪随机码（P 码和 C/A 码） ，下方的数据产生器产生 50b/s 的导航电文（数据码）D码，记为 。第一级，用 50Hz 的 D 码分别去调制码率高达 10.23MHz 的 P 码和 1.023MHz 的DtC/A 码，分别记作 和 ，将 D 码和它们俩分别进行模二相加（二进制加法） ，结果产生一PtCAt个组合码 、 ；第二级，利用调制好的两组组合码提供给 L1 频率的两个 BPSKtt调制器进行二级调制，将调制后的 P 码信号衰减 3dB 和调制后的 C/A 码相加，最终形成发送给用户设备的已调波 L1（其中在调制 L1 载波时，C/A 码和 P 码之间有 90的相位差） 。同样的，L2 载波上的调制与在 L1 段上的大致一致，L1 和 L2 的调制区别在于，L1 调制需要 、PtD和 三种码，而 L2 调制可以利用其中之一来调制。最终卫星发射出 L1、L2 这两种CAtDt调制波。从 GPS 卫星传来的 L1、L2 调制波，可以分别表示为 和 ：1LS2(2-3）1 1cos/sinLPcStttACtDt(2-4）2 2tBtDt其中： 和 分别为 P 码在 L1、L2 载波上调制时产生的振幅； 是 C/A 码在 L1 载波上调制时PA cA
