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GPS课程结课论文一、C/A码生成GPS信号中的C/A码，其实是一种Gold码，即通过两个m序列相加得到的，这里的相加和我们常见的加法不同，是一种模2加。GPS系统的官方文档IS-GPS-200D给出了产生C/A码的原理。图2.2 C/A码生成原理图C/A码由两个m序列构成，分别被称为G1序列和G2序列，每一个卫星使用唯一的C/A码是通过将G1序列和一定相位延迟的G2序列模2加得到。图2.2中有两个移位寄存器，每一组的寄存器数目为10个，一个寄存器组对应于,另一组对应于。移位寄存器的工作时钟来自于原子钟的10.23MHz的10分频，即1.023MHz。由图2.2的抽头设置可以看出G1和G2的生成多项式1为 (2-1-4) (2-1-5)两个移位寄存器G1和G2的初相是全“1”且预先存入寄存器。卫星ID号是根据G2产生器的两个输出位置来决定的。GPS系统在最初设计时选择了37个PRN码，其中第132供空间卫星使用，第3337为地面应用保留。Gold码被选做GPS信号的扩频序列是因为它的一些特性，其中最重要的就是它们的相关特性。C/A码具有两个重要相关特性9：（1）几乎没有互相关性：所有的C/A码相互之间几乎没有相关性，如图2.3所示；（2）图2.4中可以看出：除了零延时，所有的C/A码几乎与自己都没有相关性，这一特性使我们很容易找出何时两个码是严格对齐的。图2.3 PRN1和PRN2 C/A码的互相关图2.4 PRN1 C/A码的自相关二、坐标系之间的转换在GPS导航系统中，卫星位置是用ECEF坐标，而用户位置经常用便于记忆的经纬度表示方法，所以需要对这两种坐标进行转换1. 地心地固（ECEF）坐标系ECEF（Earth-Centered Earth Fixed）坐标系以地球椭球的中心点为原点，Z轴指向地球的自转轴北极，X轴指向格林尼治首子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈夹角。某点位置可用盖点在各个轴上的投影（X，Y，Z）来表示。2. 世界大地（WGS 84）坐标系GPS定位系统中所采用的是WGS 84世界大地坐标系。WGS 84坐标系提供了地球形状的撱球模型，其坐标系的原点是地球质心；Z轴指向国家时间局（BIH）1984.0定义的协议地球极（CTP）方向；X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点；Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。已知目标的大地经度、纬度和高度分别为、，计算目标在ECEF坐标系中的坐标（,），公式如下17： (5-3-1) (5-3-2)式中= 6378.137km，=0.00669437999014。三、捕获算法捕获的基本思想就是展开输入信号，找到载波频率。如果正确的C/A码与输入信号相乘,输入信号将变为一个连续的正(余)弦信号,一旦输入信号变成连续信号,通过傅立叶变换可以知晓其频率。如果输入电文长是1ms，则傅立叶变换的频率分辨率为1kHz。可以设置一个阙值，即一个门限来判断一个频率分量是否足够大。高于这个门限的最高频率分量就是我们要找到的频率。如果用5MHz使输入信号数字化,1ms的电文将含有5000个数据点,一个5000点的FFT将产生5000个频率分量。然而，5000个频率分量中只有前2500个频率分量包含有用信息，后2500个是前2500个频率分量的复共轭。由于输入信号中C/A码的起始点还未知，因此，必须先找到这个点。为了找到这个点我们产生本地的一个C/A码，将其数字化为5000个点，且与输入信号点对点相乘，对此相乘的结果进行FFT或DFT，可找到其频率。为了搜索1ms的电文，输入电文与本地产生数字化的C/A码必须彼此相对移动5000次。如果使用FFT，需操作5000次，每次操作包含5000个点对点的乘积和一个5000个点FFT。由于只有2500个频率分量提供信息，其余2500个分量提供的是多余的信息。因此，输出的5000点数据每个含有2500个频率分量，这样，在频域共有个输出。在这个输出中最高幅值如果大于预先设定的门限值，则该分量就是期望值四、锁相环（PLL）锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。锁相环具有跟踪能力。如果输入信号的频率变化的速度比较慢，那么这样的变化就可以被看作是小的阶跃响应的累积。另外，与其他的负反馈系统不同，锁相环中敏感信号在环路中是在变化的。鉴相器把相位转化成电压或电流，经过滤波器的处理之后，又被压控振荡器器从电压转化为相位。锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如下图所示：鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号Si(t)与反馈信号So(t)之间的相位e(t)。输出误差信号Ud(t)是相差e(t)的函数,即Ud(t)=fe(t)。环路滤波器具有低通特性，它可以起到低通滤波器的作用，在环路中对输入噪声进行抑制，并且对环路的校正速度进行调节，它对环路的性能有很大影响，对环路调整起着决定性作用。压控振荡器是一个电压频率变换装置，在环中作为被控振荡器，它的振荡频率随输入控制电压线性的变化。实际中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围之后控制灵敏度将会下降。当Uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率w0也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持w0=wi的状态不变。在锁定条件下，环路中的所有信号都达到了一个稳定状态，锁相环的工作过程如下：鉴相器产生一个输出，其直流值与相位差成正比；环路滤波器抑制鉴相器输出信号中的高频分量，以便用直流信号控制压控振荡器的频率。这时，压控振荡器振荡的频率与输入信号的频率相等，且产生一个固定的相位差。由此，环路滤波器生成了压控振荡器所需要的控制电压。 普通PLL对180相移敏感。因为信号中存在导航比特跳变，GPS接收机使用的PLL必须对180相移不敏感。而科斯塔斯环的特点就是对180相位不敏感，因此对导航数据引起的相位翻转不敏感。这就是GPS接收机采用这种载波跟踪环的原因。本文中科斯塔