1、 本科毕业设计 （ 20 届） GPS 软件接收机中信号跟踪 与 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 全称为 “Global Positioning System”，即全球定位系统，是由美国国防部主导 开发的一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。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 软件接收机的跟踪部分进行了研究，并在 Matlab 中进行了仿真。
2、 课题介绍了 GPS 信号包含的主要内容和 GPS 软件接收机的基本原理。主要任务是熟悉 GPS 软件接收机中载波跟踪和码跟踪环路的要求和基本原理，研究GPS 软件接收机中采用非相干延迟锁定环 (DLL)的码跟踪环路和采用 COSTAS环的载波 跟踪环路工作原理，并利用捕获得到的初始码相位和频率实现信号的跟踪。通过理论分析结合实验方法，最后在 Matlab 环境下进行仿真实验，完成 GPS软件接收机的码相位跟踪设计。课题中采用的 C/A 码长度为 1023， C/A 码码片周期为 1us，选择的跟踪时间为 T10us。 关键词： GPS 软件接收机；非相干延迟锁定环（ DLL）； COSTAS
3、 环； C/A 码 - 2 - Abstract GPS, shorten for “Global Positioning System”, is a new generation of satellite navigation and positioning system researched and developed mainly by United States Department of Defense, which contains instant omnibearing three-dimensional navigating and positioning of sea, la
4、nd and sky. With the development of GPS upgrading and new satellite navigation system emerging, GPS software receiver has prominent advantages such as low cost, high flexibility and so on comparing to the traditional GPS receiver. This article focuses on researching tracking part of GPS software rec
5、eiver and emulating in Matlab. This subject introduces the main contents of GPS signal and the basic principles of GPS software receiver. The major tasks are as follows: to familiar the requirements and basic principles of carrier tracking loop and code tracking loop in the GPS software receiver; to
6、 study the working principles of non-coherent delay-lock loops code tracking loop and COSTAS loops carrier tracking loop, and to realize signal tracking through the captured phase and frequency of initial code. Combining theoretical analysis with empirical approach, it is finally performing the emul
7、ating experiment in Matlab environment and further finishes the GPS software code phase tracking loop design. In the subject, the length of C/A code is 1023, the chip loop cycle of C/A is 1us, and the tracking time is T10us. Key Words: GPS software receiver; non-coherent delay-lock loop; COSTAS loop
8、; C/A code; - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 GPS 信号构成和软件接收机工作原理 .2 2.1 GPS 信号的结构与内容 .2 2.1.1 载波信号 .2 2.1.2 C/A 码的生成原理 .3 2.1.3 GPS 导航电文 .5 2.2 GPS 软件接收机工作原理 .6 3 GPS 信号跟踪原理 .7 3.1 载波跟踪原理 .7 3.1.1 Costas 载波跟踪环工作原理 .7 3.1.2 Costas 环鉴相器的选择 .9 3.2 码相位跟踪原理 .10 3.3 完整的跟踪环路 . 11 4 GPS 软件接收机中信号跟踪的 Matlab 仿真 .14 4.1 Matl
9、ab 仿真软件介绍 .14 4.2 GPS 接收信号的 Matlab 仿真 .14 4.3 码相位跟踪仿真 .16 5 结论 .21 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .22 附录 GPS 信号 跟踪仿真程序 .24 - 1 - 1 引言 世界上第一台商业用途的 GPS 接收机面世至今己有近 30 年。以前的 GPS接收机都是基于模拟信号处理，主要采用微处理器做应用计算工作。由于使用了大量的模拟器件， GPS 接收机体积非常庞大。 随着科技的进步以及集成电路技术的成熟，现代 GPS 接收机采用特定用途的 ASIC 码进行信号处理，并采用高速微处理器进行应用计算，实现了由模拟器件到数字
10、固态器件的转变。这种利用集成电路制造的 GPS 接收机功能强大而且体积比较小，具有许多优点。上 面所提到的 GPS 接收机均采用了大量模拟器件或集成电路来实现，通常称这种采用硬件来实现的接收机为传统 GPS 接收机。 近几年来，随着数字信号处理技术的不断发展下， GPS 卫星信号的接收处理越来越趋向于采 用软件的 方法来实现 。这种方法 是在接收 机中使用ADC(Analog-to-digital Converter)，将接收到卫星信号在天线部分数字化，然后再使用软件来处理数字信号，实现用户位置的定位。在这种采用软件方法实现的GPS 接收机中，硬件和软件方法几乎是独立的，具有很大的灵活性。通常
11、，称这种采用软件方法的接收机为 GPS 软件接收机。 随着全球卫星系统的发展和升级， GPS 软件接收机具有的众多优点越来越突出。目前， GPS 软件接收机的设计与实现己经成为众多研究机构的研究热点，本文也对 GPS 软件接收机中的信号跟踪部分进行了研究。 GPS 软件接收机跟踪环路的设计在环路参数与鉴相器选择上有很大空间。 在分析 GPS 跟踪原理的基础上，对比码环与载波环不同鉴相器的性能，然后在不同环路参数下对跟踪效果进行了仿真比较，最后选择一组鉴相器并设计合适的环路参数，对捕获到的 GPS 中频信号进行跟踪，跟踪结果验证了设计环路的有效性。 - 2 - 2 GPS 信号构成和软件接收机工
12、作原理 2.1 GPS 信号的结构与内容 GPS 卫星发射的信号包含 三部分 ：数据码（ D 码），测距码 (C/A 码和 P 码 )和载波 (L1 和 L2)。所有这三种信号分量都是在同一基本时钟频率控制下产生的，其结构如图 2-1 所示 1-2 。 图 2-1GPS 卫星信号框图 2.1.1 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 的基准频率 0f 形成的： M H zff L 42.1 5 7 51
13、 5 4 01 （ 2-1） MH zff L 60.1 2 2 71 2 0 02 （ 2-2） 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。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- 3 - 相对运动，会使载波产生 10KHz 的多普勒频移。此频移量可以用于精确测定接收机的三维运动速度。在高精度定位中，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，本文研究的是低动态的 GPS 信号，所以对于多普勒频移造成的影响不考虑。 2.1.2 C/A 码的生成原理 每个 GPS 卫星发送的测距码有两种：精密测距码
14、P(Y)码和粗 捕获码 C/A 码，两种均为伪随机码，其中 C/A 码为粗测距码，它是结构公开的明码，具有一定的抗干扰能力，定位精度约为 20-40 米，主要是供民用； P 码是精码，其结构是不公开的保密码，易于保密，难以捕获，但定位精度可达 5-10 米。论文主要研究 C/A 码的跟踪。 伪随机码全称伪随机噪声码（ Pseudo Random Noise Code），简称伪码，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 3-4 (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
15、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。 GPS 信号中的 C/A 码是序列长度为 1023 位（码片数）的 Gold 码（ G 码）。G 码是 m 序列的复合码，由两个码长相等、码时钟速率 (1.023MHz)相同的 m 序列优选对模二和构成。改变产生它的 m 序列的相对相位，就能得到一个新的 G序列。 G 码有较优良的自相关和互相关特性，构造简单，产生的序列数多， G 码主要用于多址通信，这是 GPS 采用 G 码作为 C/A 码的原因 5。 C/A 码的产 生原理如图 2-2 所示。 C/A 码由两个 1023 位的 PRN 序列 G1 和G
16、2 产生的， G1 和 G2 都是由十位最大长度线性移位寄存器产生的，由 1.023MHz时钟来驱动 6。用 G1 和 G2 的输出作为输入，再用另一个模二加法器产生 C/A码。其中，第二个移位寄存器的输出，不是在该移位寄存器的最后一个存储单元，而是选择该移位寄存器中某两个存储单元的输出进行模相加后再输出，由此可以得到一个与 G2(t)平移等价的 m序列 G2(t+diTg），二者的关系为： iNtGd iT gtG 22 （ 2-3） 式中， Ni 的取值不同，可以得到结构不同的 C/A 码供卫星使用， Ni 的取值- 4 - 与被选择进行模二相加的两个存储单元的对应关系，即码延迟码片与码相
17、位选择的对应关系可参见表，再将 G2(t+diTg)与 G1(t)进行模二相加，便可产生结构不同的 C/A 码，亦称为 G 码。 图 2-2 C/A 码产生原理图 由于 G2(t)的码元共有 1023 位，故 G2(t)可能有 1023 种平移等价序列，所以，1023 种平移等价序列与 G1(t)模二相加后，可能产生 1023 种 m 序列，这 1023 个不同结构的 C/A 码，被 24 颗卫 星分址足足有余，这组 C/A 码的码长均为 1023bit，周期均为 1us，数码率均为 1.023Mbit/s7-8。 卫星编号是根据 G2 产生器的两个输出位置，即通过码相位选择来决定的。有 37
18、 个不同的输出序列，卫星编号、码相位选择和码延迟码片三者的对应关系可通过表 2-1 查得。 表 2-1 卫星编号、码相位选择和码延迟码片三者的对应关系 卫星号 相位选择 C/A 码延时（码片） 卫星号 相位选择 C/A 码延时（码片） 1 2 6 5 20 4 7 472 2 3 7 6 21 5 8 473 3 4 8 7 22 6 9 474 4 5 9 8 23 1 3 509 5 1 9 17 24 4 6 512 6 2 10 18 25 5 7 513 7 1 8 139 26 6 8 514 8 2 9 140 27 7 9 515 9 3 10 141 28 8 10 516
19、10 2 3 251 29 1 6 859 11 3 4 252 30 2 7 860 - 5 - 续表 2-1 2.1.3 GPS 导航电文 导航电文即数据码 (D(t)或 D 码 )，是卫星以二进制的形式发送给用户，是用来定位和导航的数据基础。主要包括卫星星历、卫星星历修正、电离层延迟修正、工作状态信息、 C/A 码准确信息以及全部卫星的概略星历，用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻 GPS 卫星在地球轨道上的位置。导航信息亦称广播星历，导航电文被调制在 L1 载波上，信号频率为 50Hz，宽度为 20ms。 图 2-3 导航电文的格式 图 2-3 为导航电文的格式 9-10，导航电文
20、按规定格式组成数据帧，按帧向外播送，每帧长度为 1500bit，播送速度为 50bit/s，传送一帧电文历时 30s，完整的导航电文总共占有 25 帧，共有 37500bit/s，需要 12.5min 才能传送完全部信息量。 导航电文的内容可分为遥测码 (TLW)、转换码 (HOW)、第一数据块、第二数据块和第三数据块 5 部分 。 12 5 6 254 31 3 8 861 13 6 7 255 32 4 9 862 14 7 8 256 33 5 10 863 15 8 9 257 34 4 10 950 16 9 10 258 35 1 7 947 17 1 4 469 36 2 8 9
21、48 18 2 5 470 37 4 10 950 19 3 6 471 - 6 - 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，其结构如图 2-4 所示。 图 2-4 GPS 软件接收机原理框图 GPS 软件接收机一般由 3 部分组成：第一部分是射频前端，主要包括天线、滤波器、放大器以及下变频器件。 GPS 卫星发射的射频信号 (RF)通过天线接收下来 ，通过一个无源的带通滤波器滤波，以减小带外射频干扰，接着预放大，射频信号下变频到中频 (IF)，再用模数 (A/D)变换器对 (IF)信号采样和数字化，得到数字中频信号 (或数字基带信号 )，再送入第二部分处理。 第二部分是数字信号的基带处理部分，主要包括信号的捕获和跟踪， 信号的捕获主要有串行搜索捕获算法，并行频域搜索捕获算法和并行码相位搜索捕获算法，信号跟踪主要包括码相位的跟踪和载波跟踪，论文主要研究信号跟踪方面的知识 。第三个部分是导航电文解调和显示部分。
