gps軟件接收機(jī)中信號(hào)捕獲算法研究及matlab仿真【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　GPS軟件接收機(jī)中信號(hào)捕獲算法研究及Matlab仿真</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要&l

3、t;/b></p><p>　　GPS即為全球定位系統(tǒng)，具有全球覆蓋、全天候工作等特點(diǎn)。目前，GPS接收機(jī)在陸用、航空和海事等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為用戶定位和導(dǎo)航發(fā)揮著巨大的作用。隨著GPS的升級(jí)和新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，相比較傳統(tǒng)GPS接收機(jī)，GPS軟件接收機(jī)具有的成本低、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越突出。文中重點(diǎn)對(duì)GPS軟件接收機(jī)的捕獲部分進(jìn)行了研究，并在Matlab中進(jìn)行了仿真。</p>&l

4、t;p>　　首先，論文介紹了GPS信號(hào)包含的主要內(nèi)容和GPS軟件接收機(jī)的基本原理。然后，詳細(xì)討論了時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)搜索、并行頻域搜索和并行碼相位搜索三種GPS信號(hào)捕獲算法。最后在Matlab環(huán)境下，編寫了GPS信號(hào)產(chǎn)生、時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)搜索捕獲、并行頻域搜索捕獲和并行碼相位搜索捕獲程序，用軟件方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS信號(hào)的捕獲。仿真結(jié)果表明，上述三種方法都可以實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的正確捕獲。</p><p>　　關(guān)鍵詞：GPS

5、；C/A碼；GPS信號(hào)捕獲</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　GPS namely for Global Positioning System, has the global coverage, all-weather work Characteristics etc. At present, the GPS receiver

6、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,

7、compared with traditional GPS receiver, GPS software receiver advantages of low cost, high flexibility again is becoming more and more prominent. </p><p>　　Firstly, this paper introduces the main contents of

8、 the GPS signals 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 searc

9、hing and parallel code phase searching. Finally, write program to produce GPS signal, capture program temporal glide of correlation search capture, and HangPin domain search capture and parallel code phase search, realiz

10、e the GPS</p><p>　　Key Words: GPS; C/A code; capture of GPS signal</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1　引言1</b></p><p>　　2　GPS軟件接收機(jī)工作原理2</p&g

11、t;<p>　　2.1GPS接收機(jī)類型2</p><p>　　2.2 GPS軟件接收機(jī)工作原理4</p><p>　　3　GPS軟件接收機(jī)中信號(hào)捕獲算法研究5</p><p>　　3.1 GPS信號(hào)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容5</p><p>　　3.1.1 載波信號(hào)5</p><p>　　3.1.2 C/A

12、碼生成原理5</p><p>　　3.2 信號(hào)捕獲原理7</p><p>　　3.3 信號(hào)捕獲算法研究9</p><p>　　3.3.1 時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法9</p><p>　　3.3.2 并行頻域搜索捕獲算法12</p><p>　　3.3.3并行碼相位搜索捕獲算法14</p><

13、p>　　4　GPS軟件接收機(jī)中信號(hào)捕獲算法的Matlab仿真16</p><p>　　4.1 Matlab仿真軟件介紹16</p><p>　　4.2 GPS接收信號(hào)的Matlab仿真17</p><p>　　4.3GPS信號(hào)捕獲的 Matlab仿真20</p><p>　　4.3.1 時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)串行捕獲方法的Matlab仿真

14、20</p><p>　　4.3.2 并行頻域捕獲方法的Matlab仿真23</p><p>　　4.3.3 并行碼相位捕獲方法的Matlab仿真25</p><p><b>　　5　結(jié)論28</b></p><p>　　致 謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　

15、參考文獻(xiàn)29</b></p><p>　　附錄 GPS信號(hào)捕獲仿真程序31</p><p><b>　　1　引言</b></p><p>　　GPS（Global Positioning System）即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，從1973年全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)是美國(guó)國(guó)防部在上個(gè)

16、世紀(jì)70年代創(chuàng)建的一種基于無(wú)線電的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在全球范圍內(nèi)向接收機(jī)用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息，具有良好的抗干擾性和保密性[1]。</p><p>　　GPS系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：衛(wèi)星星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收設(shè)備部分。GPS衛(wèi)星星座由安排在互成55°角的6個(gè)軌道面的24顆衛(wèi)星組成，每個(gè)平面上有4顆衛(wèi)星。其主要作用是將一定組成形式的導(dǎo)航信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶接收機(jī)，以用于定位解

17、算。地面監(jiān)控部分負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的健康與狀態(tài)，同時(shí)也向衛(wèi)星上載導(dǎo)航數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)[2]。用戶接收設(shè)備，主要是指GPS接收機(jī)，用來(lái)接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，并用其解算出用戶位置、速度和時(shí)間。</p><p>　　GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和誕生之初主要用于軍事目的，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)成為了一種雙重用途的系統(tǒng)，即提供民用和軍用兩種不同的服務(wù)。隨著美國(guó)政府取消了SA政策（selected availability, 選擇性可獲得），使得該系

18、統(tǒng)的民用單機(jī)精度可達(dá)15米以內(nèi)，民用市場(chǎng)廣泛，各種應(yīng)用已滲透到許多行業(yè)。測(cè)量行業(yè)用GPS進(jìn)行大地測(cè)量、資源勘查、地籍測(cè)量等；交通行業(yè)用GPS進(jìn)行車載導(dǎo)航定位；公安、消防部分用GPS進(jìn)行緊急救援或報(bào)警；廣播電視行業(yè)用GPS與羅盤制造衛(wèi)星電視定向接收天線；物流行業(yè)用GPS用于物流配送定位管理；通訊、網(wǎng)絡(luò)行業(yè)逐漸融合了GPS服務(wù)，把通訊、電腦、網(wǎng)絡(luò)、GPS連成為一體化的移動(dòng)終端設(shè)備；同時(shí)利用了GPS長(zhǎng)期有效的高精度定位特點(diǎn)，在軍用導(dǎo)航系統(tǒng)中，

19、GPS也成為不可或缺的一種導(dǎo)航定位技術(shù)[2]。</p><p>　　2　 GPS軟件接收機(jī)工作原理</p><p>　　2.1GPS接收機(jī)類型</p><p>　　GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備，即信號(hào)接收機(jī)，就可以在任何時(shí)候用信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位

20、測(cè)量。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的信號(hào)接收機(jī)也各有差異。目前世界上已有很多工廠生產(chǎn)接收機(jī)，產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來(lái)分類[3]。</p><p>　?、侔唇邮諜C(jī)的載波頻率分類[3]</p><p><b>　　1) 單頻接收機(jī)</b></p><p>　　單頻接收機(jī)只能接收載波信號(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于不

21、能有效消除電離層延遲影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線的精密定位。</p><p><b>　　2) 雙頻接收機(jī)</b></p><p>　　雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收，載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲的影響，因此雙頻接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位。</p><p>　　②按接收機(jī)的用途分類[3]</p

22、><p><b>　　1) 導(dǎo)航型接收機(jī)</b></p><p>　　此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。這類接收機(jī)一般采用碼偽距測(cè)量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度較低，一般為±10m，有SA影響時(shí)為±100m。這類接收機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，此類接收機(jī)還可以進(jìn)一步分為：</p><p>　

23、　航海型——用于船舶導(dǎo)航定位；</p><p>　　車載型——用于車輛導(dǎo)航定位；</p><p>　　航空型——用于飛機(jī)導(dǎo)航定位。由于飛機(jī)運(yùn)行速度快，因此，在航空上用的接收機(jī)要求能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　星載型——用于衛(wèi)星的導(dǎo)航定位。由于衛(wèi)星的速度高達(dá)以上，因此對(duì)接收機(jī)的要求更高。</p><p><b>　　2) 測(cè)地

24、型接收機(jī)</b></p><p>　　測(cè)地型接收機(jī)主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量。這類儀器主要采用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位，定位精度高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。</p><p><b>　　3) 授時(shí)型接收機(jī)</b></p><p>　　這類接收機(jī)主要利用衛(wèi)星提供的高精度時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺(tái)及無(wú)線電通訊中時(shí)間同步。&

25、lt;/p><p>　　③按接收機(jī)工作原理分類[3]</p><p>　　1) 碼相關(guān)型接收機(jī)</p><p>　　碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測(cè)值。</p><p><b>　　2) 平方型接收機(jī)</b></p><p>　　平方型接收機(jī)是利用載波信號(hào)的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號(hào)，來(lái)恢復(fù)完整的

26、載波信號(hào)，通過(guò)相位計(jì)測(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，測(cè)定偽距觀測(cè)值。</p><p><b>　　3) 混合型接收機(jī)</b></p><p>　　這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測(cè)值。</p><p>　　4) 干涉型接收機(jī)[3]</p><p>　

27、　這種接收機(jī)是將衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測(cè)量方法，測(cè)定兩個(gè)測(cè)站間距離。④按接收機(jī)通道數(shù)分類[3]</p><p>　　接收機(jī)能同時(shí)接收多顆衛(wèi)星的信號(hào)，為了分離接收到的不同衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和量測(cè)，具有這樣功能的器件稱為天線信號(hào)通道。根據(jù)接收機(jī)所具有的通道種類可分為：</p><p><b>　　1) 多通道接收機(jī)</b></p>&

28、lt;p><b>　　2)序貫通道接收機(jī)</b></p><p>　　3)多路多用通道接收機(jī)</p><p>　　2.2 GPS軟件接收機(jī)工作原理</p><p>　　GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線

29、的傳播時(shí)間，解譯出衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間[4]。</p><p>　　在GPS硬件接收機(jī)中，天線接收到的信號(hào)首先在RF模塊中被濾波及下變頻至中頻，并進(jìn)行數(shù)字化。接著在專用芯片中進(jìn)行信號(hào)相關(guān)，相關(guān)器使用帶有多普勒頻移的中頻信號(hào)，并將接收到的信號(hào)與本地偽隨機(jī)碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，把信號(hào)分解到多個(gè)信號(hào)通道進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)出的導(dǎo)航信息進(jìn)入定位模塊計(jì)算出位置信息。如圖2-1所示的GPS

30、軟件接收機(jī)與傳統(tǒng)硬件接收機(jī)有明顯的不同。信號(hào)相關(guān)部分被移至通用處理器，使用軟件實(shí)現(xiàn)。因此，硬件部分只需要一個(gè)下變頻數(shù)字采樣單元和通用處理器模塊，數(shù)字中頻信號(hào)流被傳送至通用處理器模塊，并在通用處理器模塊上運(yùn)行軟件進(jìn)行相關(guān)捕獲、追蹤解調(diào)及定位處理[4]。</p><p>　　圖2-1 GPS軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　GPS軟件接收機(jī)使用與硬件接收機(jī)相似的算法，但根據(jù)軟件處理的特點(diǎn)

31、進(jìn)行了優(yōu)化并使用軟件實(shí)現(xiàn)。根據(jù)各個(gè)部分的不同作用，軟件接收機(jī)主要分為數(shù)字下變頻模塊、實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲、載波同步和碼同步的同步模塊及數(shù)據(jù)解調(diào)三個(gè)模塊。</p><p>　　數(shù)字下變頻模塊的作用是GPS接收機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行混頻，將L1信號(hào)下變頻到中頻信號(hào)，再將中頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[5]。</p><p>　　同步模塊的作用主要體現(xiàn)在捕獲和跟蹤環(huán)節(jié)，主要完成C/A碼同步與載波同步的一系列運(yùn)

32、算，并完成捕獲和跟蹤。</p><p>　　數(shù)據(jù)解調(diào)模塊的作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)回饋給客戶。3　 GPS軟件接收機(jī)中信號(hào)捕獲算法研究</p><p>　　3.1 GPS信號(hào)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容</p><p>　　GPS信號(hào)包含三個(gè)部分：載波信號(hào)、偽隨機(jī)(PRN)碼(包括C/A碼和P(Y)碼)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)信號(hào)(或稱D碼)[5,6]。</p><p&

33、gt;　　3.1.1 載波信號(hào)</p><p>　　GPS衛(wèi)星使用的載波頻率有L1和L2兩部分，其中載波L1的中心頻率為1575.42MHz，載波L2的中心頻率為1227.6MHz。載波L1和L2都是基于衛(wèi)星中的原子鐘所產(chǎn)生的10.23MHz基準(zhǔn)頻率f形成的：</p><p>　　f =154f1575.42MHz （3-1）</p>&l

34、t;p>　　f =120f1227.6MHz （3-2）</p><p>　　其中L1頻段同時(shí)包含有C/A碼和P(Y)碼，L2頻段只包含P(Y)碼。</p><p>　　GPS衛(wèi)星信號(hào)中載波的基本作用為傳送導(dǎo)航電文和測(cè)距碼。另外，由于衛(wèi)星和接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)使載波產(chǎn)生Doppler頻移。對(duì)于固定的GPS接收機(jī)，偏移載波L1的最大Doppl

35、er頻移可達(dá)到MHz。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的GPS接收機(jī)，偏移載波L1的最大Doppler頻移可達(dá)到10MHz。此頻移量可以用于精確測(cè)定接收機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)速度。在高精度GPS定位中，載波本身也可作為一種測(cè)距信號(hào)使用，這時(shí)可以提高測(cè)距精度。而使用兩個(gè)載波頻率發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)可以對(duì)電離層產(chǎn)生的附加延時(shí)進(jìn)行雙頻校正。</p><p>　　3.1.2 C/A碼生成原理</p><p>　　每個(gè)GPS衛(wèi)星發(fā)送

36、的測(cè)距碼有兩種：精密測(cè)距碼P(Y)碼和粗捕獲碼C/A碼，兩種均為偽隨機(jī)碼。偽隨機(jī)碼全稱偽隨機(jī)噪聲碼，簡(jiǎn)稱偽碼，是一種可以預(yù)先確定又可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，具有類似于白噪聲隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性的二進(jìn)制碼序列。偽碼的產(chǎn)生方式很多，GPS系統(tǒng)中采用的是由m序列(即最長(zhǎng)線性反饋移位寄存器序列)產(chǎn)生的復(fù)合碼。m序列是由多級(jí)反饋移位寄存器產(chǎn)生的，不同級(jí)數(shù)的反饋寄存器以及不同的反饋抽頭都將產(chǎn)生不同的m序列[7]。</p><p>　　m序列

37、是一種偽隨機(jī)序列，有著優(yōu)良的自相關(guān)函數(shù)，而且易產(chǎn)生與復(fù)制，所以在擴(kuò)頻通信中得到廣泛的應(yīng)用。m序列是最大周期線性移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱，它是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過(guò)線性反饋產(chǎn)生的最長(zhǎng)周期碼序列。m序列是構(gòu)成Gold碼的基礎(chǔ)。在二進(jìn)制移位寄存器碼發(fā)生器中，若移位寄存器級(jí)數(shù)為n，則產(chǎn)生的碼序列最大長(zhǎng)度為2-1。圖3-1表示了一個(gè)四級(jí)最長(zhǎng)線性移位寄存器。</p><p>　　圖3-1 四級(jí)最長(zhǎng)線性移位寄存器<

38、;/p><p>　　最長(zhǎng)線性移位寄存器的反饋特性與其產(chǎn)生的m序列特性一一對(duì)應(yīng)。數(shù)學(xué)上用特征多項(xiàng)式來(lái)表征。圖3-1所示最長(zhǎng)線性移位寄存器的特征多項(xiàng)式為。</p><p>　　Gold碼是m序列的復(fù)合碼，它是由兩個(gè)碼長(zhǎng)相等、碼時(shí)鐘相同的m序列優(yōu)選對(duì)的模2相加產(chǎn)生。Gold碼生成器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由兩個(gè)n級(jí)線性移位寄存器并聯(lián)模2相加產(chǎn)生。改變產(chǎn)生它的兩個(gè)m序列的相對(duì)相位，就可得到一個(gè)新的Gold序列，

39、兩個(gè)m序列總共有2-1個(gè)相對(duì)位移，所以通過(guò)兩個(gè)m序列復(fù)合可以產(chǎn)生2-1個(gè)序列，加上原來(lái)2個(gè)m序列，一共可以產(chǎn)生2+1個(gè)Gold碼?？梢?，Gold碼序列的數(shù)量要比m序列的數(shù)目多得多[8]。</p><p>　　C/A碼序列采用了Gold碼，序列長(zhǎng)度為1023位，由兩個(gè)10級(jí)移位寄存器產(chǎn)生m序列和進(jìn)行模2和產(chǎn)生。圖3-2為C/A序列發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖。G1和G2的特征多項(xiàng)式分別為:</p><p>

40、;<b>　　（3-3）</b></p><p>　　那么C/A碼的輸出為，是碼元對(duì)應(yīng)的時(shí)間，是和之間相位偏移的位數(shù)。有1023個(gè)不同的偏移量，可以產(chǎn)生1023個(gè)不同的Gold碼，由于實(shí)際衛(wèi)星的數(shù)目有限，在產(chǎn)生C/A碼時(shí)， G2的時(shí)延效果主要通過(guò)兩個(gè)所選抽頭位置S1、S2相關(guān)聯(lián)來(lái)得到，而S1、S2的選擇則對(duì)應(yīng)不同的GPS衛(wèi)星，例如，S1選擇G2發(fā)生器2號(hào)位置，S2選擇G2發(fā)生器6號(hào)位置，此時(shí)

41、對(duì)應(yīng)的是1號(hào)衛(wèi)星，所產(chǎn)生的C/A是1號(hào)衛(wèi)星的C/A的輸出?？梢院?jiǎn)單記作：。各個(gè)衛(wèi)星C/A碼的相位分配如表3-1所示[9]。</p><p>　　圖3-2 CA碼生成原理框圖</p><p>　　表3-1 各個(gè)衛(wèi)星C/A碼的相位分配</p><p>　　3.2 信號(hào)捕獲原理</p><p>　　GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送的信號(hào)，是由Ll和L2兩個(gè)分量

42、組成的， Ll和L2均是已調(diào)制的載波信號(hào)，其調(diào)制波是衛(wèi)星導(dǎo)航電文D碼和偽隨機(jī)噪聲碼P碼 (精確碼) 、C /A碼(粗捕獲碼)[9]。L1和L2兩種已調(diào)制的載波信號(hào)，分別可記為:</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　公式(3-4)和(3-5)中：

43、Ap和Bp 分別為載波L1和載波L2的振幅； 、和分別為衛(wèi)星的P碼、C /A碼和D碼；、 分別為載波L1、L2對(duì)應(yīng)的角頻率；、 分別為GPS衛(wèi)星的載波L1、L2 的初相。由式(3-4) 、(3-5)可知載波信號(hào)L l上調(diào)制有P碼、C /A碼和D 碼，而載波信號(hào)L2 上只調(diào)制有P 碼和D碼。GPS信號(hào)的C /A碼是由兩個(gè)最大長(zhǎng)度的十級(jí)移位寄存器的移位相加構(gòu)成的， 屬于戈?duì)柕?(GOLD)碼族。其周期為P = 1023，碼速率1.023Mb

44、ps，且在1、- 1之間以頻率為1.023MHz跳變。</p><p>　　信號(hào)捕獲的目的是確定可見衛(wèi)星信號(hào)的載波頻率以及碼相位的粗略值。</p><p>　　GPS衛(wèi)星通過(guò)32個(gè)不同的PRN序列來(lái)區(qū)分。PRN序列在本文中即C /A碼。對(duì)碼相位，就是對(duì)齊當(dāng)前數(shù)據(jù)塊中C /A碼的時(shí)刻。計(jì)算碼相位必須使本地生成的C /A 碼和信號(hào)中對(duì)應(yīng)的碼完全對(duì)齊。只有在完全對(duì)齊的情況下，信號(hào)中的C /A碼才

45、能被剔除[10]。</p><p>　　圖3-3二維搜索示意圖</p><p>　　由于 GPS 信號(hào)是基于碼分多址（CDMA）技術(shù)，因此捕獲時(shí)需要在本地接收機(jī)上復(fù)現(xiàn) 32 顆衛(wèi)星的 C/A 碼，以與降頻后的中頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。碼相位，指的是 C/A 碼在當(dāng)前數(shù)據(jù)塊中的時(shí)間同步信息。為了復(fù)現(xiàn)與接收信號(hào) C/A 碼完全對(duì)齊的本地 C/A 碼，需要取得碼相位，才能從信號(hào)中剝離 C/A 碼。而

46、兩個(gè) C/A碼只有同屬于一顆衛(wèi)星而且在時(shí)延為零的時(shí)候才能得到最大的相關(guān)值，即兩個(gè)信號(hào)必須完全對(duì)齊才能剝離接收信號(hào)中的 C/A 碼。載波頻率，在下變頻的情況下是指數(shù)字中頻。接收到的 L1 頻點(diǎn) 1575.42MHz 射頻信號(hào)，通過(guò)前端射頻電路模塊處理后，可采樣得到數(shù)字中頻信號(hào)。本文的采樣頻率約為 C/A 碼頻率的 5 倍，在 1ms 的 C/A 碼周期上有 5115 個(gè)點(diǎn)，即一個(gè)碼元上大約有 5 個(gè)采樣點(diǎn)，所以在C/A 碼上有 5115個(gè)

47、搜索點(diǎn)。在接收機(jī)低速或靜止?fàn)顟B(tài)下，最大多普勒頻移為±10KHz，所以頻域上搜索范圍在 10KHz 以內(nèi)，若以 500Hz 作為搜索步長(zhǎng)，則共有 20 個(gè)搜索點(diǎn)，則二維搜索域總共有5115 × 20 = 114280個(gè)柵格需要搜索[11]，如圖 3-3所</p><p>　　一般情況下，一個(gè)多普勒分格規(guī)定近似為 2/(3T)，這里 T 表示每方格的信號(hào)積分時(shí)間或者每方格的滯留時(shí)間。滯留時(shí)間是可變

48、的，對(duì)于強(qiáng)信號(hào)來(lái)說(shuō)可小于1ms(667Hz 的多普勒分格)，對(duì)于弱信號(hào)可大到 10ms(67Hz 的多普勒分格)。</p><p>　　捕獲主要有三種常用的方法：時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)串行搜索、并行頻率搜索捕獲算法以及并行碼相位搜索捕獲算法。時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)串行搜索采用相關(guān)運(yùn)算，每次只搜索一個(gè)柵格，搜索速度較慢，耗時(shí)長(zhǎng)，但是實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單；并行頻率搜索捕獲算法每次在一個(gè)頻率點(diǎn)搜索，可同時(shí)輸出所有柵格的相關(guān)結(jié)果，速度較快。并行碼相位

49、搜索捕獲算法則在并行頻率搜索捕獲算法的基礎(chǔ)上加快了搜索速度[11]。</p><p>　　論文主要研究時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)、并行頻域搜索和并行碼相位搜索的GPS信號(hào)捕獲算法，并用Matlab軟件對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行捕獲仿真實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　3.3 信號(hào)捕獲算法研究</p><p>　　3.3.1 時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法</p><p>　　圖3-

50、4 時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法原理圖</p><p>　　時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法是基于與本地生成的PRN碼序列和本地生成的載波信號(hào)相乘實(shí)現(xiàn)的，其原理框圖如圖3-4所示。圖中進(jìn)入信號(hào)是指天線接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻后由A /D轉(zhuǎn)換成的可供通用處理器直接處理的中頻數(shù)字信號(hào)。C/A碼發(fā)生器針對(duì)每顆衛(wèi)星生成對(duì)應(yīng)的C/A碼序列。進(jìn)入的信號(hào)和C/A碼序列相乘后，信號(hào)和本地生成的載波信號(hào)相乘。和載波直接相乘的信號(hào)生成I信號(hào)，與

51、90°相位位移后的載波信號(hào)相乘生成Q信號(hào)；并對(duì)I信號(hào)與Q信號(hào)進(jìn)行求和并積分。</p><p>　　中頻數(shù)字接收信號(hào)的表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　在式3-6中，表示中頻數(shù)字頻率，表示發(fā)送端CA碼。</p><p>　　本地C/A碼和輸入信號(hào)相乘后的輸出信號(hào)為：&

52、lt;/p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　在式3-7中，表示本地C/A碼與接收信號(hào)的C/A碼的相位差。</p><p>　　接下來(lái)將信號(hào)分為I路和Q路，并分別進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)后I路的輸出表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><

53、p>　　解調(diào)后Q路輸出表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　在式3-8，3-9中，表示本地接收數(shù)字中頻頻率。</p><p>　　接下來(lái)將I路和Q路所得的輸出進(jìn)行求和，求和結(jié)果表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-10）</b></p&g

54、t;<p>　　最后對(duì)求和結(jié)果進(jìn)行積分，積分相關(guān)器輸出表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　對(duì)接收結(jié)果進(jìn)行分析：</p><p>　　當(dāng)收、發(fā)載波同步時(shí)，，</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p&

55、gt;<b>　　此時(shí)，積分相關(guān)器。</b></p><p>　　在收、發(fā)載波同步時(shí)，滑動(dòng)碼相位，當(dāng)碼相位完全同步時(shí)，即</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　這時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大相關(guān)值，從而達(dá)到了捕獲的目的，上述兩個(gè)條件有一個(gè)未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則不會(huì)出現(xiàn)峰值。</p><p>

56、　　圖 3-5 碼相位滑動(dòng)相關(guān)捕獲過(guò)程圖</p><p>　　碼相位的滑動(dòng)相關(guān)過(guò)程可以用圖 3-5 表示，通常情況下，滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法每個(gè)碼相位檢測(cè)后增加半個(gè)碼元，所以有 2046(2×1023)個(gè)碼相位需要檢測(cè)。如果采用數(shù)字采樣信號(hào)，那么捕獲時(shí)可以每次移動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)或者多個(gè)采樣點(diǎn)，但對(duì)應(yīng)的碼元移動(dòng)要少于半個(gè)碼元。對(duì) Ll 載波多普勒頻率搜索步長(zhǎng)的設(shè)定，可以將頻率步長(zhǎng)選取為捕獲所使用的數(shù)據(jù)度的倒數(shù)，或者

57、更小的頻率值。如果事先有載波或者碼相位的分布信息，可利用這些信息來(lái)減小搜索范圍。若每次清零之間使碼相位移動(dòng)一個(gè)采樣值，則需通過(guò)移動(dòng) L 次本地碼采樣值，再與輸入信號(hào)的 L 個(gè)采樣值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算[12,13]。</p><p>　　滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法采用兩種不同的掃描方式：一種是針對(duì)中頻信號(hào)在±10kHz范圍內(nèi)以500Hz的步長(zhǎng)掃描所有可能的載波頻率，一種是針對(duì)碼相位掃描1023個(gè)不同的碼相位。總計(jì)掃描的次

58、數(shù)為：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　滑動(dòng)相關(guān)捕獲方法的主要缺點(diǎn)是組合掃描次數(shù)巨大，比較耗時(shí)。</p><p>　　3.3.2 并行頻域搜索捕獲算法</p><p>　　由上一小節(jié)的介紹可以看出，因?yàn)橐樞蛩阉黝l率和碼相位這兩個(gè)參數(shù)所有可能的值，串行搜索捕獲方法非常的耗時(shí)。如何能從

59、搜索過(guò)程中消除對(duì)其中一個(gè)參數(shù)的搜索，或者能使對(duì)兩個(gè)參數(shù)的搜索同時(shí)進(jìn)行，算法性能將會(huì)大大提高。這一小節(jié)介紹的并行頻域搜索捕獲算法，就是對(duì)一個(gè)參數(shù)的搜索。這種方法利用了傅立葉變換將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域[13]。并行頻域搜索捕獲算法的原理圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6并行頻域搜索捕獲算法原理圖</p><p>　　圖3-6中，輸入信號(hào)首先和本地產(chǎn)生的C/A碼序列相乘。對(duì)于一個(gè)特

60、定的衛(wèi)星，C/A碼的相位介于0-1022個(gè)碼元之間。然后對(duì)相乘后的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，使其變換到頻域。進(jìn)行傅里葉變換時(shí)，可以通過(guò)離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中FFT比DFT的運(yùn)算速度快，但是要求輸入序列的長(zhǎng)度等于2的正整數(shù)次冪。</p><p>　　圖3-7是輸入信號(hào)和一個(gè)完全對(duì)齊的本地C/A碼序列相乘后的結(jié)果，相乘后得到的信號(hào)是一個(gè)單一頻率的連續(xù)波（同相路信號(hào)）。只有當(dāng)本地C/A

61、碼和輸入信號(hào)中的碼完全對(duì)齊時(shí)，才能得到上圖的結(jié)果[14]。</p><p>　　在并行頻域搜索捕獲過(guò)程中，圖3-7中相乘后得到的信號(hào)在經(jīng)過(guò)傅立葉變換后，其輸出在幅值會(huì)有一個(gè)很清晰的尖峰。這個(gè)尖峰用來(lái)確定和連續(xù)波信號(hào)頻率相等的頻率值，也就是載波信號(hào)的頻率。</p><p>　　圖3-7 碼相位同步時(shí)同相路解調(diào)輸出信號(hào)</p><p>　　確定出的頻率的準(zhǔn)確度依賴于DF

62、T的長(zhǎng)度。也就是用來(lái)分析的數(shù)據(jù)抽樣后的點(diǎn)數(shù)。如果分析1ms的數(shù)據(jù)，抽樣后的點(diǎn)數(shù)就等于抽樣頻率的1/1000。也就是說(shuō)，如果抽樣頻率，抽樣點(diǎn)數(shù)N=10000。如果DFT的長(zhǎng)度等于10000，前N/2個(gè)輸出的抽樣點(diǎn)代表0-Hz的頻率，也就是輸出的頻率分辨率。</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法對(duì)所有可能的碼相位和載波頻率

63、都進(jìn)行了搜索，而并行頻域搜索捕獲算法僅僅對(duì)1023個(gè)不同的碼相位進(jìn)行了搜索。但是并行頻域搜索捕獲方法在減少搜索量的同時(shí)，它又帶來(lái)了對(duì)和每個(gè)不同的碼相位相乘后的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換時(shí)的時(shí)間消耗。和串行搜索捕獲相比，這種方法依靠了頻域變換，其更快速的實(shí)現(xiàn)應(yīng)該是可能的。像串行搜索捕獲方法一樣，并行頻域搜索方法的實(shí)現(xiàn)也是簡(jiǎn)單直接的，它可以基于圖3-6直接實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　并行頻域搜索捕獲方法的第一步和串行搜索捕獲

64、方法的第一步是相同的，也是輸入信號(hào)和本地C/A碼相乘。在和C/A碼相乘后，通過(guò)傅立葉變換將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域。在進(jìn)行傅立葉變換時(shí)，F(xiàn)FT是比較快速有效的方法。經(jīng)過(guò)FFT運(yùn)算后，信號(hào)變成了復(fù)信號(hào)。如果第一步中本地C/A碼和輸入信號(hào)中的碼完全對(duì)齊，F(xiàn)FT運(yùn)算后的結(jié)果會(huì)在中頻丁士多普勒頻移處有一個(gè)大的尖峰。為了找到可能的尖峰頻率，對(duì)所有的值都取了絕對(duì)值。</p><p>　　3.3.3并行碼相位搜索捕獲算法</

65、p><p>　　相比較以500Hz為步長(zhǎng)的載波頻率搜索總量41，碼相位的搜索總量1023是比較大的。上節(jié)介紹的并行頻域搜索捕獲方法中，通過(guò)將信號(hào)在頻域的搜索并行化方式，消除了對(duì)41個(gè)可能的載波頻率進(jìn)行必要的搜索過(guò)程。如果能使捕獲過(guò)程在相位域并行化，那么相比較并行頻域搜索捕獲方法中的1023次搜索，這種情況下只需要搜索41次。下面介紹的并行碼相位捕獲算法就是用到了以上提到的并行化碼相位搜索過(guò)程的辦法[15]。</

66、p><p>　　捕獲的目的就是為了對(duì)輸入信號(hào)和一個(gè)C/A碼序列做相關(guān)運(yùn)算。相比較串行搜索捕獲方法中輸入信號(hào)分別和1023個(gè)不同碼相位的碼序列相乘，對(duì)輸入信號(hào)和具有不同碼相位偏移的C/A碼序列做循環(huán)互相關(guān)更方便。下面是一種通過(guò)傅立葉變換實(shí)現(xiàn)循環(huán)相關(guān)的方法。兩個(gè)長(zhǎng)度同為N的有限長(zhǎng)序列想x（n）和y（n）的離散傅立葉變換X(k)和Y（k）計(jì)算如下：</p><p>　　X（k）=

67、 （3-16）</p><p>　　Y（k）= （3-17）</p><p>　　兩個(gè)長(zhǎng)度相同的有限長(zhǎng)序列x(n)和y(n)的循環(huán)互相關(guān)計(jì)算如下：</p><p>　　= （3-18）</p><p>　　下面的分析中均省略了z(n)中的縮放因子。z(n)的N點(diǎn)離散傅立葉變

68、換Z(k)計(jì)算如下：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　其中X*(k)是X(k)的復(fù)共扼。</p><p>　　由以上分析可以看出，兩個(gè)序列x(n)和y(n)的循環(huán)互相關(guān)z(n)的傅立葉變換可以用這兩個(gè)序列的頻域表達(dá)式X(k

69、)的復(fù)共扼X*(k)和Y(k)表示。然后再對(duì)Z(k)取反傅立葉變換，就可以得到序列x(n)和y(n)的循環(huán)互相關(guān)的表達(dá)式：</p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　圖3-8 并行碼相位搜索算法原理圖</p><p>　　圖3-8是并行碼相位的搜索算法的原理圖。輸入的信號(hào)和本地生成的載波信號(hào)相乘生成I信號(hào)，和90&#

70、176;相位位移的載波信號(hào)相乘生成Q 信號(hào)。輸入信號(hào)經(jīng)傅立葉變換與傅立葉變換后的C/A碼相乘，其結(jié)果通過(guò)傅立葉反變換轉(zhuǎn)換到時(shí)域。傅立葉反變換后輸出的絕對(duì)值表示輸入信號(hào)和C/A碼的相關(guān)性。如果相關(guān)值中有一個(gè)明顯的峰值，這個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的就是進(jìn)入信號(hào)的碼相位。</p><p>　　4　 GPS軟件接收機(jī)中信號(hào)捕獲算法的Matlab仿真</p><p>　　4.1 Matlab仿真軟件介紹</

71、p><p>　　Matlab是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)

72、計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。</p><p>　　Matlab和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。Matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　Matlab的基本數(shù)據(jù)單

73、位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且Matlab也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使Matlab成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接調(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組atlab 函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的Matlab愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶

74、可以直接進(jìn)行下載就可以用[15] 。</p><p>　　Matlab軟件的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　（1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境</p><p>　?。?）簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言</p><p>　　（3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力</p><p>　?。?）出色的圖形處理功能</p><p>

75、;　?。?）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱</p><p>　?。?）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)</p><p>　　（7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）</p><p>　　4.2 GPS接收信號(hào)的Matlab仿真</p><p>　　GPS信號(hào)是一種調(diào)制波，它不僅采用L波段的載波，而且采用擴(kuò)頻技術(shù)傳送衛(wèi)星導(dǎo)航電文。所謂擴(kuò)頻是將原來(lái)打算發(fā)送的幾十比特

76、速率的電文變換成發(fā)送幾兆甚至幾十兆比特速率的由電文和偽隨機(jī)噪聲碼組成的組合碼。采用擴(kuò)頻技術(shù)時(shí)，若信號(hào)功率僅為噪聲功率的1/10，那么信號(hào)將深深地淹沒(méi)在噪聲之中而不易被他人捕獲，從而使得信號(hào)具有極強(qiáng)的保密性[16]。 </p><p>　　GPS信號(hào)的調(diào)制波，是衛(wèi)星導(dǎo)航電文和偽隨機(jī)噪聲碼（PseudoRandom Noise Code，簡(jiǎn)稱PRN碼，或稱偽噪聲碼）的組合碼。衛(wèi)星導(dǎo)航電文是一種不歸零二進(jìn)制碼組成的編

77、碼脈沖串，稱之為數(shù)據(jù)碼，記作D(t)，其碼率為50 b/s。對(duì)于距離地面20000 km之遙的GPS衛(wèi)星，擴(kuò)頻技術(shù)能有效地將很低碼率的導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶。其方法是用很低碼率的數(shù)據(jù)碼作二級(jí)調(diào)制（擴(kuò)頻）。第一級(jí)，用50 Hz的D碼調(diào)制一個(gè)偽噪聲碼，例如調(diào)制一個(gè)被叫做P碼的偽噪聲碼，它的碼率高達(dá)10.23 MHz。D碼調(diào)制P碼的結(jié)果，便形成了一個(gè)組合碼——P(t)D(t)，使得D碼信號(hào)的頻帶寬度從50 Hz擴(kuò)展到10.23 MHz，也就是說(shuō)，

78、GPS衛(wèi)星從原來(lái)要發(fā)送50 b/s的D碼，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送10230 b/s的組合碼P(t)D(t)。 </p><p>　　在D碼調(diào)制偽噪聲碼以后，再用它們的組合碼去調(diào)制L波段的載波，實(shí)現(xiàn)D碼的第二級(jí)調(diào)制，而形成向廣大用戶發(fā)送的已調(diào)波。本課題主要研究GPS信號(hào)的捕獲，所以主要考慮GPS中的同步信號(hào)。仿真中同步數(shù)據(jù)的速率設(shè)為50bit/s，C/A碼的速率為1.023MHz，中頻調(diào)制頻率為4.092MHz，每個(gè)載波周期采

79、樣10個(gè)樣點(diǎn)，中頻采樣率為40.93MHz，則每個(gè)碼片采樣點(diǎn)數(shù)為40個(gè)。</p><p>　　需要注意的是，GPS信號(hào)雖然有幾種分量（C/A易捕碼、 P精確碼和D導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼），但是它們均來(lái)源于一個(gè)公共的10.23 MHz的基準(zhǔn)頻率。它們的頻率不僅與基準(zhǔn)頻率有一定的比例關(guān)系，而且相互之間也存在一定的比例關(guān)系， 詳細(xì)如表4-1所示[17-19]。這既有利于GPS衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)，又便于廣大用戶接收和測(cè)量GPS信號(hào)。從表4

80、-1中可以看出，在D碼的一個(gè)碼元內(nèi)，將有20 460個(gè)C/A碼碼元，204 600個(gè)P碼碼元，31 508 400個(gè)L1周期和24 552 000個(gè)L2周期。</p><p>　　表4-1 GPS信號(hào)的頻率關(guān)系</p><p>　　圖4-1 GPS同步信號(hào)的產(chǎn)生和傳輸原理框圖</p><p>　　導(dǎo)航數(shù)據(jù)的第一個(gè)子幀包含8比特的同步數(shù)據(jù)，每比特導(dǎo)航數(shù)據(jù)包含20個(gè)C/

81、A碼組（1023位），每組C/A 碼的周期為1 ms，載頻為154F（L1載波）。論文主要研究GPS信號(hào)的捕獲原理及仿真，所以主要考慮同步信號(hào)部分，基于軟件接收機(jī)的GPS同步信號(hào)產(chǎn)生和傳輸原理如圖4-1所示，仿真結(jié)果如圖4-2所示，相應(yīng)的仿真程序流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-2 GPS信號(hào)仿真結(jié)果</p><p>　　圖4-3 GPS信號(hào)生成流程圖</p>

82、<p>　　4.3GPS信號(hào)捕獲的 Matlab仿真</p><p>　　4.3.1 時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)串行捕獲方法的Matlab仿真</p><p>　　時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)串行捕獲算法是目前商用GPS接收機(jī)通用的信號(hào)捕獲方法，也是一種比較容易實(shí)現(xiàn)的捕獲算法。它主要是通過(guò)不斷的調(diào)整本地碼的碼相位和本地載波頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲。</p><p>　　捕獲策略如下：首

83、先在一定的范圍內(nèi)任意選定一個(gè)載波頻率，在這個(gè)載波頻率下，將本地產(chǎn)生的C/A碼序列和輸入信號(hào)相乘，并進(jìn)行一個(gè)碼周期的循環(huán)累加。將累加結(jié)果和事先設(shè)定的門限比較，如果大于事先設(shè)定的門限，則判斷信號(hào)捕獲，記錄此時(shí)的C/A碼相位和載波頻率作為跟蹤程序的初始條件，接收機(jī)轉(zhuǎn)換到碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路;如果小于事先設(shè)定的門限，則移動(dòng)一定數(shù)目的碼片，更改碼相位，重復(fù)上述過(guò)程。當(dāng)所有可能的碼相位都搜索完畢，但是仍然沒(méi)有捕獲到信號(hào)，則換一個(gè)載波頻率重復(fù)上述

84、過(guò)程，直到信號(hào)被捕獲。如果所有的碼相位和載波頻率(多普勒頻率)范圍內(nèi)全部搜索完畢仍然沒(méi)有捕獲到信號(hào)，則這個(gè)周期捕獲信號(hào)失敗。本地C/A碼產(chǎn)生器將生成其它顆衛(wèi)星的碼序列，重復(fù)上述過(guò)程，繼續(xù)捕獲[20-21]。捕獲算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4-4所示。.</p><p>　　圖4-4 時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖</p><p>　　時(shí)域串行捕獲算法是利用本地載波和本地C/A碼與輸入信號(hào)串行相

85、乘，來(lái)進(jìn)行信號(hào)的捕獲運(yùn)算。捕獲原理如3.3.1節(jié)圖3-4所示。</p><p>　　圖4-5 時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)峰值的流程圖</p><p>　　首先在一定的范圍內(nèi)任意選定一個(gè)載波頻率，在這個(gè)載波頻率下將本地復(fù)制的C/A碼序列和輸入的信號(hào)相乘，相乘的目的是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，當(dāng)信號(hào)解擴(kuò)后，分成兩路，分別和由本地載波產(chǎn)生的兩路正交信號(hào)相乘得到兩路基帶信號(hào)(I、Q 支路)，對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行一個(gè)或者多

86、個(gè) C/A 碼周期的累加，將累加結(jié)果平方，再求和。考慮到白噪聲的隨機(jī)特性，須重復(fù) K 次以減少噪聲的影響，提高信號(hào)的能量，最后將累加結(jié)果和事先設(shè)定的門限比較，若所得到的累加值大于預(yù)先設(shè)定的門限，則成功捕獲到信號(hào)；若小于設(shè)置的門限，須移動(dòng)一定數(shù)目的碼片(通常為 1 或 1/2 碼片的整數(shù)倍)，更改碼相位重復(fù)上述過(guò)程。當(dāng)所有可能的碼相位都搜索完畢都沒(méi)有捕獲到信號(hào)，則換一個(gè)載波頻率重復(fù)上述過(guò)程，直到信號(hào)被捕獲[18]。時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)捕獲流程圖如

87、圖4-5所示。</p><p>　　Matlab仿真時(shí)，假設(shè)接收信號(hào)從第二個(gè)數(shù)據(jù)的第一個(gè)樣點(diǎn)開始，選取一個(gè)完整的CA碼長(zhǎng)度序列，本地CA碼的初始相位設(shè)為400個(gè)碼片，相位的步進(jìn)量設(shè)為1個(gè)碼元，設(shè)定載波頻率為fc1=3.093MHz，載波頻率的步進(jìn)量為500kHz。先將接收信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)，解調(diào)后的I路和Q路進(jìn)行解擴(kuò)，I路和Q路信號(hào)相加后計(jì)算一個(gè)CA碼周期內(nèi)的相關(guān)值，將這個(gè)相關(guān)值與預(yù)設(shè)的閥值進(jìn)行比較，如果相關(guān)值大于

88、閥值，則認(rèn)為捕獲到了信號(hào)，載波頻率和碼元相位即為當(dāng)前解調(diào)和解擴(kuò)所用的值；如果相關(guān)值小于閥值，則沒(méi)有捕獲到信號(hào)，判定是否所有相位都搜索完畢，要是沒(méi)搜索完畢，則再重復(fù)上述的操作，直至搜索完畢，如果所有的相位都已搜索完畢仍然沒(méi)有捕獲到信號(hào)，則改變接收載波頻率，重新進(jìn)行搜索。當(dāng)接收載波頻率為3.093MHz時(shí)，一個(gè)CA碼周期內(nèi)的搜索結(jié)果如圖4-6所示，在整個(gè)CA碼周期內(nèi)都沒(méi)有出現(xiàn)相關(guān)峰值。改變接收載波的頻率，當(dāng)接收載波頻率為4.093MHz，&

89、lt;/p><p>　　圖4-6載波不同步時(shí)時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)峰值仿真圖</p><p>　　圖4-7 載波同步時(shí)時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)峰值仿真圖</p><p>　　即收發(fā)載波同步時(shí)，一個(gè)CA碼周期內(nèi)的搜索結(jié)果如圖4-7所示，當(dāng)碼元相位滑動(dòng)到400時(shí)出現(xiàn)明顯的相關(guān)峰值，表明可以成功捕獲到信號(hào)，相關(guān)峰值為1023，和理論上的數(shù)值相一致。</p><p>　　4.

90、3.2 并行頻域捕獲方法的Matlab仿真</p><p>　　并行頻域捕獲算法的基本思想就是展開輸入信號(hào)，找到載波頻率。</p><p>　　捕獲策略如下，一個(gè)周期的輸入信號(hào)中包含載波和C/A碼。首先剝離C/A碼，當(dāng)本地產(chǎn)生的碼與輸入信號(hào)中的C/A碼同相位時(shí)，二者相乘后，C/A碼剝離，得到載波信號(hào)，如圖3-7所示。由于載波信號(hào)為一連續(xù)信號(hào)，對(duì)其做FFT后，可以在頻譜中得到其頻率，這便是輸

91、入信號(hào)的載波頻率。</p><p>　　由于頻域并行捕獲算法得出的波形由峰值就可以得出載波頻率，因此頻域并行捕獲算法不需要考慮載波頻率。只需要考慮碼相位的變化。所以在編程中只需要先設(shè)定C/A碼的初始相位及相位步進(jìn)量。</p><p>　　接收信號(hào)首先與本地C/A碼相乘進(jìn)行本地解擴(kuò)，然后對(duì)解擴(kuò)后的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。搜索FFT變換后頻譜中的峰值，與之前設(shè)定好的門限做比較，如果大于門限，則判定

92、捕獲成功，如果小于門限，則重復(fù)上述過(guò)程，若所有碼相位都搜索完畢都未能捕獲，則判定捕獲失敗。仿真程序流程圖如圖4-8所示。本地C/A碼相位與輸入信號(hào)的碼相位不同步時(shí)，F(xiàn)FT變換后頻譜如圖4-9所示，圖中雖然也出現(xiàn)了峰值，但沒(méi)有超過(guò)門限，而且峰值也不尖銳，有很多雜波信號(hào)，所以未能捕獲到信號(hào)。當(dāng)本地C/A碼相位與輸入信號(hào)的碼相位同步時(shí)，F(xiàn)FT變換后頻譜如圖4-10所示，圖中出現(xiàn)了明顯的數(shù)值超過(guò)門限的峰值，峰值很尖銳，旁邊幾乎沒(méi)有雜波信號(hào)，所以

93、可以判斷捕獲到了信號(hào)。載波的頻率即為峰值的位置k乘上頻率分辨率。仿真時(shí)，采樣頻率為40.93MHz，F(xiàn)FT長(zhǎng)度為40920，所以頻率分辨率為，譜峰的位置在k=4092處，所以載波的頻率為，與理論值一致。</p><p>　　圖4-8頻域并行捕獲算法流程圖</p><p>　　圖4-9碼相位不同步時(shí)并行頻域搜索捕獲仿真結(jié)果</p><p>　　圖4-10碼相位同步時(shí)并

94、行頻域搜索捕獲仿真結(jié)果</p><p>　　4.3.3 并行碼相位捕獲方法的Matlab仿真</p><p>　　并行碼相位捕獲法是一種復(fù)雜度較低的軟件實(shí)現(xiàn)方法。它的基本原理是將多普勒頻移和碼相位搜索法結(jié)合起來(lái)，在經(jīng)過(guò)偽隨機(jī)碼FFT的變換后，將所有碼元的相位信息轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)，這樣只需搜索多普勒頻移上的空間即可。因此，這是一種快速而高效的軟件搜索方法。</p><p>

95、;　　并行碼相位捕獲法的理論基礎(chǔ):是兩個(gè)信號(hào)時(shí)域內(nèi)的卷積運(yùn)算，變換到頻域后則是乘法運(yùn)算。時(shí)域捕獲法的弊端在于本地C/A碼與接收到的C/A碼進(jìn)行大量的相關(guān)運(yùn)算，而相關(guān)的運(yùn)算從數(shù)學(xué)角度看就是信號(hào)間的卷積運(yùn)算。信號(hào)被變換到頻域后，減少了運(yùn)算量，提高了捕獲速度。并行碼相位捕獲算法流程圖如圖4-12所示。</p><p>　　圖4-11 并行碼相位捕獲算法流程圖</p><p>　　Matlab仿真

96、時(shí)，假設(shè)接收信號(hào)從第二個(gè)數(shù)據(jù)的第一個(gè)樣點(diǎn)開始，選取一個(gè)完整的CA碼長(zhǎng)度序列，設(shè)定載波頻率為fc1=3.093MHz，載波頻率的步進(jìn)量為500kHz。先將接收信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)，解調(diào)后的I路和Q路相加后進(jìn)行傅里葉變換，同時(shí)也對(duì)本地C/A碼進(jìn)行傅里葉變換及復(fù)數(shù)共軛，最后將兩個(gè)數(shù)值相乘并進(jìn)行反傅里葉變換，得到解調(diào)后的信號(hào)與本地C/A碼的相關(guān)值。將這個(gè)相關(guān)值與預(yù)設(shè)的閥值進(jìn)行比較，如果相關(guān)值大于閥值，則認(rèn)為捕獲到了信號(hào)，載波頻率即為當(dāng)前解調(diào)所用的值

97、，同步碼相位即為相關(guān)峰對(duì)應(yīng)的位置；如果相關(guān)值小于閥值，則沒(méi)有捕獲到信號(hào)，判定是否所有頻率都搜索完畢，要是沒(méi)搜索完畢，則再重復(fù)上述的操作，直至搜索完畢，如果所有的頻率都已搜索完畢仍然沒(méi)有捕獲到信號(hào)，則捕獲失敗，進(jìn)入下一輪搜索。當(dāng)接收載波頻率為3.093MHz時(shí)，一個(gè)CA碼周期內(nèi)的搜索結(jié)果如圖4-12所示，在整個(gè)CA碼周期內(nèi)都沒(méi)有出現(xiàn)相關(guān)峰值。改變接收載波的頻率，當(dāng)接收載波頻率為4.093MHz即收發(fā)載波同步時(shí)，一個(gè)CA碼周期內(nèi)的搜索結(jié)果如

98、圖4-13所示，在n=100處出現(xiàn)明顯的相關(guān)峰值，峰值的值為1023，和理論上的數(shù)值相一致，表明可以成功</p><p>　　圖4-12 載波不同步時(shí)并行碼相位搜索捕獲仿真結(jié)果</p><p>　　圖4-13 載波同步時(shí)并行碼相位搜索捕獲仿真結(jié)果</p><p><b>　　5　結(jié)論</b></p><p>　　本文的研

99、究目的是對(duì)三種GPS信號(hào)捕獲算法進(jìn)行研究并對(duì)三種捕獲算法進(jìn)行的比較。通過(guò)本課題的研究，完成了以下工作：</p><p>　?。?）分析了GPS軟件接收機(jī)的起源及用途。論述了三種常見GPS信號(hào)捕獲算法的捕獲原理。</p><p>　　（2）詳細(xì)介紹了Matlab軟件以及在各領(lǐng)域的應(yīng)用。</p><p>　?。?）詳細(xì)說(shuō)明了中頻信號(hào)的生成以及相關(guān)的編程、仿真。</

100、p><p>　　（4）完成三種捕獲算法的Matlab仿真，并加以描述。</p><p>　?。?）在三種捕獲算法中，并行碼相位搜索捕獲算法在Matlab環(huán)境下執(zhí)行速度短，性能高，捕獲結(jié)果精度也比另外兩種方法高，提高了GPS軟件接收機(jī)的定位速度和定位精度。</p><p>　　通過(guò)對(duì)GPS中頻信號(hào)的捕獲算法的仿真結(jié)果分析，本文設(shè)計(jì)的GPS信號(hào)捕獲程序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)中頻信號(hào)的捕

101、獲。但是其中還是有些許不足。</p><p>　?。?）本文接收的GPS信號(hào)僅僅考慮信號(hào)的前8位同步頭。而且研究的信號(hào)僅僅針對(duì)L1信號(hào)進(jìn)行捕獲。</p><p>　?。?）研究過(guò)程中并沒(méi)有考慮到噪音以及延遲等誤差，所以捕獲精度有待于提高。</p><p>　?。?）研究局限于Matlab軟件的仿真平臺(tái)，要在實(shí)際應(yīng)用中得到運(yùn)用還需要把程序代碼向DSP，ARM或FPGA

102、移植，使GPS信號(hào)捕獲功能可以再硬件條件下得到實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 余丹，廖凱寧．GPS全球定位系統(tǒng)的改進(jìn)與發(fā)展[J]，全球定位系統(tǒng)，2006．1，1：41-44．</p><p>　　[2] 陳軍，潘高峰．GPS軟件接收機(jī)基礎(chǔ)[M]．第二版．北京：電子工業(yè)出版社，2008，7．<

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