1、 本科毕业设计 （ 20 届） GPS 软件接收机中信号捕获算法研究及 Matlab仿真 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 GPS 即为全球定位系统，具有全球覆盖、全天候工作等特点。目前， GPS接收机在陆用、航空和海事等 领域的应用越来越广泛，为用户定位和导航发挥着巨大的作用。随着 GPS 的升级和新的卫星导航系统的发展，相比较传统 GPS 接收机， GPS 软件接收机具有的成本低、灵活性高等优点越来越突出。文中重点对GPS 软件接收机的捕获部分进行了研究，并在 Matlab 中进行了仿真。 首先， 论文 介绍了 GPS
2、信号包含的主要内容 和 GPS 软件接收机的 基本原理。然后， 详细 讨论了时域滑动相关 搜索 、并行频域搜索和并行码相位搜索 三种 GPS信号 捕获算法 。最后 在 Matlab 环境下，编写了 GPS 信号产生、 时域滑动相关 搜索捕获 、并行频域搜索 捕获 和并行码相位 搜索 捕获 程序，用软件方式实现了对GPS 信号的捕获。 仿真结果表明，上述三种方法都可以实现 GPS 信号的正确捕获。 关键词： GPS； C/A 码； GPS 信号 捕获 - 2 - Abstract GPS namely for Global Positioning System, has the global c
3、overage, all-weather work Characteristics etc. At present, the GPS receiver is widely used in land use, aviation and maritime and other fields, and plays a tremendous role for the user positioning and navigation. Along with the development of GPS in upgrades and new satellite navigation system, comp
4、ared with traditional GPS receiver, GPS software receiver advantages of low cost, high flexibility again is becoming more and more prominent. Paper emphatically studied on GPS receivers of capture software part, and simulation in Matlab. Firstly, this paper introduces the main contents of the GPS si
5、gnals and the basic principle of GPS software receiver. Then, this paper discussed three kinds of GPS signals capturing methods such as time-domain glide correlation searching, parallel frequency- domain searching and parallel code phase searching. Finally, write program to produce GPS signal, captu
6、re program temporal glide of correlation search capture, and HangPin domain search capture and parallel code phase search, realize the GPS signals of capture with software way in Matlab. Simulation results show that all three methods can capture GPS signals properly. Key Words: GPS; C/A code; captur
7、e of GPS signal - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 GPS 软件接收机工作原理 .2 2.1GPS 接收机类型 .2 2.2 GPS 软件接收机工作原理 .4 3 GPS 软件接收机中信号捕获算法研究 .5 3.1 GPS 信号的结构和内容 .5 3.1.1 载波信号 .5 3.1.2 C/A 码生成原理 .5 3.2 信号捕获原理 .7 3.3 信号捕获算法研究 .9 3.3.1 时域滑动相关捕获算法 .9 3.3.2 并行频域搜索捕获算法 .12 3.3.3 并行码相位搜索捕获算法 .14 4 GPS 软件接收机中信号捕获算法的 Matlab 仿真 .16 4.1 Ma
8、tlab 仿真软件介绍 .16 4.2 GPS 接收信号的 Matlab 仿真 .17 4.3GPS 信号捕获的 Matlab 仿真 .20 4.3.1 时域滑动相关串行捕获方法的 Matlab 仿真 .20 4.3.2 并行频域捕获方法的 Matlab 仿真 .23 4.3.3 并行码相位捕获方法的 Matlab 仿真 .25 5 结论 .28 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .29 附录 GPS 信号捕获仿真程序 .31 1 引言 GPS（ Global Positioning System）即全球卫星定位系统，从 1973 年全球定位系统 (Global Positionin
9、g System, GPS)是美国国防部在上个世纪 70 年代创建的一种基于无线电的导航定位系统。该系统能够在全球范围内向接收机用户提供精确、连续的三维位置和速度信息，具有良好的抗干扰性和保密性 1。 GPS 系统主要由三个部分组成：卫星星座部分、地面监控部分和用户接收设备部分。 GPS 卫星星座由安排在互成 55角的 6 个轨道面的 24 颗卫星组成，每个平面上有 4 颗卫星。 其主要作用是将一定组成形式的导航信号实时发送给用户接收机，以用于定位解算。地面监控部分负责监测卫星的健康与状态，同时也向卫星上载导航数据和其他数据 2。用户接收设备，主要是指 GPS 接收机，用来接收卫星发射的导航信
10、号，并用其解算出用户位置、速度和时间。 GPS 系统设计和诞生之初主要用于军事目的，发展到现在已经成为了一种双重用途的系统，即提供民用和军用两种不同的服务。随着美国政府取消了 SA 政策（ selected availability, 选择性可获得），使得该系统的民用单机精度可达 15 米以内，民用市场广泛， 各种应用已渗透到许多行业。测量行业用 GPS 进行大地测量、资源勘查、地籍测量等；交通行业用 GPS 进行车载导航定位；公安、消防部分用 GPS 进行紧急救援或报警；广播电视行业用 GPS 与罗盘制造卫星电视定向接收天线；物流行业用 GPS 用于物流配送定位管理；通讯、网络行业逐渐融合了
11、 GPS 服务，把通讯、电脑、网络、 GPS 连成为一体化的移动终端设备；同时利用了 GPS 长期有效的高精度定位特点，在军用导航系统中， GPS 也成为不可或缺的一种导航定位技术 2 。 2 GPS 软件接收机工作原理 2.1GPS 接收机类型 GPS 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS信号的接收设备，即信号接收机 ，就 可以在任何时候用信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的信号接收机也各有差异。目前世界上已有很多工厂生产接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能
12、等来分类 3。 按接收机的载波频率分类 3 1) 单频接收机 单频接收机只能接收载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于 短基线的精密定位。 2) 双频接收机 双频接收机可以同时接收，载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。 按接收机的用途分类 3 1) 导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为 10m，有 SA 影响时为 100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根
13、据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为： 航海型 用于船舶 导航定位； 车载型 用于车辆导航定位； 航空型 用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。 星载型 用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达以上，因此对接收机的要求更高。 2) 测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。 3) 授时型接收机 这类接收机主要利用卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。 按接收机工作原理分类 3 1) 码相关型接收机 码相关型接收机是
14、利用码相关技术得到伪距观测值。 2) 平方型接收机 平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。 3) 混合型接收机 这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。 4) 干涉型接收机 3 这种接收机是将卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。 按接收机通道数分类 3 接收机能同时接收多颗卫星的信号，为了分离接 收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可
15、分为： 1) 多通道接收机 2)序贯通道接收机 3)多路多用通道接收机 2.2 GPS 软件接收机工作原理 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的信号进行变换、放大和处理，以便测量出信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间 4。 在 GPS 硬件接 收机中 ， 天线接收到的信号首先在 RF 模块中被滤波及下变频至中频 ， 并进行数字化。接着在专用芯片中进行信号相关 ， 相关器使用带有多普勒频移的中频信号 ， 并将接收到的信号与本地伪随机码进行相关运算
16、 ， 把信号分解到多个信号通道进行解调。解调出的导航信息进入定位模块计算出位置信息。如图 2-1 所示的 GPS 软件接收机与传统硬件接收机有明显的不同。信号相关部分被移至通用处理器 ， 使用软件实现。因此，硬件部分只需要一个下变频数字采样单元和通用处理器模块，数字中频信号流被传送至通用处理器模块，并在通用处理器模块上运行软件进行相关捕获、追 踪解调及定位处理 4。 图 2-1 GPS 软件接收机结构框图 GPS 软件接收机使用与硬件接收机相似的算法，但根据软件处理的特点进行了优化并使用软件实现。根据各个部分的不同作用，软件接收机主要分为 数字下变频模块、实现信号捕获、载波同步和码同步的同步模
17、块及数据解调三个模块。 数字下变频模块 的作用是 GPS 接收机接收到的信号进行混频，将 L1 信号下变频到中频信号，再将中频信号 A/D 转换为数字信号 5。 同步模 块 的作用主要体现在捕获和跟踪环节，主要完成 C/A 码 同步与载波同步的一系列运算，并完成捕获和跟踪。 数据解调模块的作用是将数字信号转化为模拟信号回馈给客户 。RF 前端 模数 转换 相关捕获单元 追踪解调定位 天线 导航电文解调 输出 3 GPS 软件接收机中信号捕获算法研究 3.1 GPS 信号的结构和内容 GPS 信号包含三个部分：载波信号、伪随机 (PRN)码 (包括 C/A 码和 P(Y)码 )和导航数据信号 (
18、或称 D 码 )5,6。 3.1.1 载波信号 GPS 卫星使用的载波频率有 L1 和 L2 两部分，其中载波 L1 的中心频率为1575.42MHz，载波 L2 的中心频率为 1227.6MHz。载波 L1 和 L2 都是基于卫星中的原子钟所产生的 10.23MHz 基准频率 f0 形成的 ： f1L =154f0 1575.42MHz （ 3-1） f2L =120f0 1227.6MHz （ 3-2） 其中 L1 频段同时包含有 C/A 码和 P(Y)码， L2 频段只包含 P(Y)码。 GPS 卫星信号中载波的基本作用为传送导航电文和测距码。另外，由于卫星和接收机之间的相对运动，就会使
19、载波产生 Doppler 频移。对于固定的 GPS 接收机，偏移载波 L1 的最大 Doppler 频移可达到 5 MHz。对于高速运动的 GPS 接收机 ， 偏移载波 L1 的最大 Doppler 频移可达到 10MHz。此频移量可以用于精确测定接收机的三维运动速度 3 。在高精度 GPS 定位中，载波本身也可作为一种测距信号使用，这时可以提高测距精度。而使用两个载波频率发送卫星导航信号可以对电离层产生的附加延时进行双频校正。 3.1.2 C/A 码生成原理 每个 GPS 卫星发送的测距码有两种 ： 精密测距码 P(Y)码和粗捕获码 C/A 码，两种均为伪随机码。伪随机码全称伪随机噪声码，简
20、称伪码，是一种可以预先确定又可重复产生和复制，具有类似于白噪声随机统计特性的二进制码序列。伪 码的产生方式很多， GPS 系统中采用的是由 m序列 (即最长线性反馈移位寄存器序列 )产生的复合码。 m 序列是由多级反馈移位寄存器产生的，不同级数的反馈寄存器以及不同的反馈抽头都将产生不同的 m序列 7。 m序列是一种伪随机序列，有着优良的自相关函数，而且易产生与复制，所以在扩频通信中得到广泛的应用。 m 序列是最大周期线性移位寄存器序列的简称，它是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长周期码序列。 m 序列是构成 Gold 码的基础。在二进制移位寄存器码发生器中，若移位寄存器级数为
21、 n，则产生的码序列最大长度为 2 n -1。图 3-1 表示了一个四级最长线性移位寄存器。 图 3-1 四级最长线性移位寄存器 最长线性移位寄存器的反馈特性与其产生的 m 序列特性一一对应。数学上用特征多项式来表征。图 3-1 所示最长线性移位寄存器的特征多项式为321)( xxxf 。 Gold 码是 m序列的复合码，它是由两个码长相等、码时钟相同的 m序列优选对的模 2 相加产生。 Gold 码生成器结构比较简单，由两个 n 级线性移位寄存器并联模 2 相加产生。改变产生它的两个 m 序列的相对相位，就可得到一个新的 Gold 序列，两个 m序列总共有 2 n -1 个相对位移，所以通过
22、两个 m序列复合可以产生 2n -1 个序列，加上原来 2 个 m序列，一共可以产生 2n +1 个 Gold 码。可见， Gold 码序列的数量要比 m序列的数目多得多 8。 C/A 码序列采用了 Gold 码，序列长度为 1023 位，由两个 10 级移位寄存器产生 m 序列和进行模 2 和产生。图 3-2 为 C/A 序列发生器结构框图。 G1 和 G2的特征多项式分别为 : 1098632210311)( 1)( xxxxxxxG xxxG （ 3-3） 那么 C/A 码的输出为 )()()( 21 ci INtGtGtGc， cI 是码元对应的时间，ciNx1 x2 x3 x4 输出序列 反馈逻辑
