（微电子学与固体电子学专业论文）gps接收机基带信号处理与fpga实现.pdf

摘要 论文题目：g p s 接收机基带信号处理与f p g a 实现 学科名称：微电子学与固体电子学 研究生：陈政睿 指导教师：陈治明教授 石寅教授 摘要 签名： 签名： 签名： 嘲卿 g p s 接收机在导航，定位领域发挥着巨大作用。接收机的结构由天线前端，基带处理， 定位解算三个模块构成，本文的研究重心在基带处理单元，该单元主要由捕获和跟踪环路 两个部分所构成。本文从g p s 的组成概况以及接收机的定位原理开始入手，对g p s 信号结构 和导航电文格式进行了详细介绍。然后对捕获与跟踪模块的算法进行重点研究，捕获模块 的内容主要有：二维搜索的概念，最大搜索区问，以及从信号捕获到信号跟踪阶段的切换 等。然后具体分析信号捕获的方法。跟踪环是由载波跟踪环和码跟踪环两个部分组成，内 容包括相位跟踪环路的基本工作原理以及影响跟踪性能的参数，多种鉴相方法以及测量误 差和跟踪门限。并且给出了跟踪环路的算法实现。文章的最后在基于前面理论知识的基础 上，首先采用v e r i l o g 语言对算法进行编写，并利用m o d e l s i m 仿真软件进行仿真验证，最 后通过f p g a 对算法进行硬件实现并结合软件对结果进行处理并将其将输出。从而验证了算 法的正确性与可行性。 考虑到算法的可行性与硬件实现的难易程度，本次设计采用下述方案： ( 1 ) 硬件模块采用f p g a 板实现多通道相关器，每一个相关器进行i ，q 两路的相关累 加，并将累加结果通过串口发送给计算机，该累加结果用于实现卫星信号的捕获与跟踪。 相关器主要由载波产生器，码产生器，积分清除器以及模拟串口模块构成。 ( 2 ) 软件模块主要用来实现捕获与跟踪结果的显示。捕获方面，主要采用软件将 所得的累加值与捕获门限值进行比较，判定是否捕获成功，若捕获成功，则将码相位与载 波频率进行输出显示。跟踪方面，软件用来实现鉴相器与环路滤波器，并将得到的码相位 与载波频率进行输出显示。 关键词：g p s ，基带处理，捕获与跟踪，f p g a ，m a t l a b 西安理工大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t t i t l e ：g p sr e c e l v e rb a s e b a n ds l g n a lp r o c e s s i n ga n df p g a l m p l e m e n t a t i o n m a j o r ：n a m e = z h e n g r u ic h e n s u p e r v i s o r ：p r o f z h i m i n gc h e n p r o f y i ns h i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e s i g n a t u r e g p sr e c e i v e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fn a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n g t h e s t r u c t u r eo fg p sr e c e i v e ri n c l u d et h r e ep a r t s ：a n t e m mf r o n t e n du n i t ，b a s e b a n dp r o c e s s i n gu n i t ， p o s i t i o nr e s o l u t i o nu n i t t h i sp a p e rf o c u s e so nr e s e a r c h i n gb a s e b a n dp r o c e s s i n gu n i t ，i n c l u d i n g t w op a r t s ：a c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gl o o p t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e sc o m p o s i t i o no fg p sa n d l o c a t i o np r i n c i p l eo fr e c e i v e r t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h es i g n a ls t r u c t u r ea n dt h en a v i g a t i o n m e s s a g ef o r m a t i tf o c u s e do nt h ea l g o r i t h m so f t h ea c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gl o o p t h ec o n t e n t o f t h ea c q u i s i t i o nm o d u l ei n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h ec o n c e p to f t w o - d i m e n s i o n a l s e a r c h t h em a x i m u ms e a r c hr a n g e t h ep r o b a b i l i t yo fs i g n a ld e t e c t i o na n ds oo n a n d s p e c i f i ca n a l y s i so ft h em e t h o do fs i g n a la c q u i s i t i o n i n c l u d i n gt h el i n e a rs e a r c h ，f o u r i e r t r a n s f o r mm e t h o df o rp a r a l l e ls e a r c ha n ds oo n t r a c k i n gm o d u l ei n t r o d u c e st h ec a r r i e rt r a c k i n g l o o pa n dc o d et r a c k i n gl o o p i n c l u d i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so fp h a s e t r a c k i n gl o o pa n dt h e p a r a m e t e r so ft r a c k i n gp e r f o r m a n c e av a r i e t ym e t h o d so fm u l t i p l ep h a s ea n dm e a s u r e m e n t e r r o ra n dt r a c k i n gt h r e s h o l d i tg i v e st h ea l g o r i t h ml o o p f i n a l l y ，b a s e do np r e v i o u st h et h e o r y k n o w l e d g e t h ea r t i c l ea c h i e v et h eh a r d w a r e a n di to u t p u tt h er e s u l t sb yu s eo f t h es o f t w a r e t h u st h ea r t i c l et e s ta n dv e i l f yt h ec o r r e c t n e s s a n df e a s i b i l i t y0 ft h ea l g o r i t h m m f b yc o m p a r i n gt h es p e e do ft h ea l g o r i t h ma n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t y t h i s d e s i g nu s e st h ef o l l o w i n gp r o g r a m s ： o ) t oa c h i e v e t h eh a r d w a r em o d u l e s ，i tu s e sf p g ab o a r dw h i c hc o n t a i n12m u l t i c h a n n e l c o r r e l a t o r s e v e r yc o r r e l a t o rm a k e si , qa c c u m u l a t i o na n dp a s s e st h er e s u l t st ot h ec o m p u t e r t h r o u g ht h es e r i a lp o r t t h i sr e s u l t sa r cu s e dt oi m p l e m e n tt h e s a t e l l i t es i g n a la c q u i s i t i o na n d t r a c k i n g ( 2 ) t h es o f t w a r em o d u l ei sm a i n l yu s e dt oi m p l e m e n tt od i s p l a yt h ea c q u i s i t i o na n d t r a c k i n gr e s u l t s t h i sp a p e rm a i n l yc o m p a r e st h ea c c u m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et h r e s h o l dv a l u e b yu s i n gt h es o f t w a r e t h u sw e c a l lm a k es u r ew h e t h e rt h ea c q u i s i t i o ni ss u c c e s s f u l i ft h e a c q u i s i t i o ni ss u c c e s s f u l ，t h es o f t w a r ew i l ld i s p l a yt h ec a r r i e rf r e q u e n c ya n dt h ec o d ep h a s e 工工 西安理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：g p s b a s e b a n dp r o c e s s a c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g f p g am a t l a b i v 目录 v 一 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义一1 1 2 国外与国内现状1 1 3 论文主要内容和组成结构一1 第二章g p s 系统与接收机原理3 2 1g p s 系统简介3 2 2g p s 信号的结构3 2 2 1 载波3 2 2 2 伪码和m 序列一4 2 2 3 导航电文6 2 2 4 扩频调制与相关接收6 2 3g p s 定位原理7 2 3 1 伪距_ 7 2 3 2 伪距定位8 2 5 本章小节一9 第三章g p s 基带信号处理1 0 3 1g p s 捕获原理概述1 0 3 2 基于时域的顺序捕获1 0 3 3g p s 跟踪原理概述1 2 3 4 载波跟踪环1 4 3 4 1 科斯塔斯锁相环1 4 3 4 2 常用载波鉴相器及其性能比较1 5 3 5 码跟踪环1 6 3 6 伪码鉴别器算法17 3 7 本章小结18 第四章影响g p s 接收机的误差因素分析1 9 4 1 主要误差因素1 9 4 1 1 电离层附加延时1 9 4 1 2 晶体振荡器稳定性能的影响2 0 4 1 3 设备误差2 0 4 2 1 频率误差2 0 4 2 2 热噪声和跟踪环路误差2 1 4 2 1 本振频率偏差对基带系统的影响2 1 4 2 4 1 本振频率偏差对捕获的影响2 2 4 。2 4 2 本振频率偏差对跟踪的影响一2 2 4 2 2 仿真验证结果2 2 4 3 环路参数自适应选取2 2 4 4 本章小结2 4 第五章g p s 接收机相关器的f p g a 实现与验证2 5 5 1 1 接收机相关器的设计参数2 5 5 1 2 接口数据一2 5 5 1 3 接收机整体模块结构2 6 5 2f p g a 的各模块的硬件实现与仿真2 6 5 2 1 载波产生器2 6 5 2 2 码n c o ：1 9 5 2 3 码生成模块3 0 5 2 3 积分累加器3 3 n 西安理工大学硕士学位论文 5 2 4 反正切鉴相器3 3 5 2 5 模拟串口通信控制器3 5 5 2 5 1 波特率发生器3 5 5 2 5 2 发送模块( 跟踪模式) 3 5 5 2 5 3 接收模块( 跟踪模式) 3 6 5 2 5 4 捕获模块的仿真3 7 5 2 6 捕获与跟踪结果的显示3 8 5 3 本章小结4 0 第六章总结与展望4 l 6 1 本文工作的成果总结4 l 6 2 接下来的工作展望4 1 致谢。4 2 参考文献。4 3 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 - 1 研究背景和意义 全球定位系统( g l o b a lp o s it i o n i n gs y s t e m ，以下简称g p s ) 是一个利用人造卫星 以及无线电波，实现全天候定时，定位的系统。美国是从2 0 世纪7 0 年代开始研制该系统， 于1 9 9 5 年正式进入全面运行状态。g p s 的开发过程总共经历了三个阶段。第一阶段为可 行性研究，其工作主要集中在对用户设备的测试，第二阶段的目标是让一部分特许用户获 得g p s 的全球二维定位功能。接着自1 9 8 5 年始，g p s 进入了其开发，生产的第三个阶段。 在1 9 9 1 年的海湾战争中，g p s 首次被美国空军利用并在战争中展示了其卓越的性能和非 凡的价值。 g l o n a s s 即俄罗斯全球导航卫星系统，是前苏联从2 0 世纪8 0 年代初开始建设，其用 意在于打破美国对卫星导航独家垄断的地位。与g p s 所采用的码分多址( c d m a ) 不同， g i 。o n a s s 卫星所播发的信号采用频分多址( f d m a ) ，即根据载波频率的大小不同来区分来自 不同卫星的信号。2 0 世纪9 0 年代后期由于经济窘迫，长时间没有补充卫星，导致卫星数 目不断减少，系统性能急剧衰退，到2 0 0 5 年g l o n a s s 星座中仅有1 0 颗可供使用的卫星。 然而俄罗斯正决意重振该系统的雄风。目前，g l o n a s s 正处于重建和现代化阶段，其中一 个值得关注的决定是俄罗斯政府要使将来的g l o n a s s 卫星增加发射c d m a 型导航信号，从 而加强g l o n a s s 与g p s 等其他卫星导航系统的兼容性。 与由军方控制的g p s 和g l o n a s s 相对应，欧盟正在推出目前规模最大的民用卫星导航 定位系统，即伽利略( g a l i l e o ) 系统。该系统计划有3 0 颗卫星组成，具有比g p s 更广的信 号覆盖率，更高的定位精度和可靠性。另外，它采用c d m a 通信技术，可兼容美国的g p s 和俄罗斯的g l o n a s s 。2 0 0 4 年中国投入2 亿欧元参与伽利略计划，并由此成为伽利略联合 执行体中与欧盟成员国享有同等权利和义务的一员。 1 2 国外与国内现状 随着数字信号处理器件处理能力的不断提高和数字信号处理技术的不断发展，软件无 线电开始广泛应用于各种通信系统。其中g n s s 软件接收机的研究在国内外也都取得了很大 的发展。尽管中国在卫星导航定位领域起步较晚，与发达国家在技术上存在一定的差距。 但是我国国内的发展势头迅猛。c o m p a s s ( 北斗卫星导航系统) 就是我国自己拥有的区域性 定位系统。 1 - 3 论文主要内容和组成结构 本课题着重对卫星信号捕获和跟踪模块的算法进行研究分析并通过m o d e l s i m 软件进行 仿真验证，最后通过f p g a 对相关器、码产生器、载波n c o * h 码n c o 模块进行了硬件实现，通 过m a t l a b 软件对鉴相器和环路滤波器进行了软件实现并将仿真结果进行输出。全文主要分 为六章，内容安排如下： 第一章绪论。对课题的背景、意义、国内外研究现状进行了介绍，对论文所研究的主 要问题以及包含的内容进行了概述。 西安理工大学硕士学位论文 第二章简单介绍了g p s 接收机的工作原理，其中对g p s 信号的组成、特点以及定位原 理进行了重点分析，最后对通用g p s 接收机的体系结构进行了概述。 第三章g p s 基带处理算法设计与分析，其中捕获模块主要包括常用捕获算法的原理分 析以及m a t l a b 仿真验证。跟踪模块分析了载波环与码环两个跟踪环路。主要包括跟踪环 路的原理研究，鉴相器的工作原理。最后介绍了相干积分与非相干积分的概念。 第四章分析了影响接收机性能的诸多误差因素，通过软件仿真，验证了本振频偏对捕 获与跟踪的影响。最后针对上述误差因素提出了相应的解决方法。 第五章g p s 接收机的软硬件实现。主要内容包括多通道相关器基于f p g a 的硬件实现以 及用m o d e l s i m 软件对各模块的仿真验证。最后通过模拟串口将累加数据传给p c 。通过软件 对数据进行结算并给出验证结果。 第六章总结与展望 2 第二章g p s 系统与接收机原理 第二章g p s 系统与接收机原理 2 1g p s 系统简介 g p s 的空间星座部分由2 4 颗卫星构成。整个g p s 系统包括：在轨卫星、地面监控站、用 户设备三部分组成。g p s 的工作原理可简单地描述如下：首先，g p s 卫星发射全天候的信 号给地面；其次，地面的卫星基站对卫星信号进行接收和测量，从而获得了卫星的星历( 卫 星运行轨道的相关信息) ，并将星历发送给卫星，让卫星在其发射的信号上转播这些卫星 历信息；然后，用户的接收机对可见卫星的信号进行接收并处理，从而获取卫星的星历信 息，用户接收机的空间位置就能够确定出来。 2 2g p s 信号的结构 2 2 1 载波 g p s 卫星所发射的信号主要包括：载波、伪随机码u 。和导航电文三个部分。在这三个 部分中，伪随机码和导航电文对载波信号进行调幅，然后卫星将调制后的载波信号播送出 去。因此，载波信号可以视为卫星信号中的最底层。 每颗g p s 卫星所发射的载波信号都包括两个波段l 1 和l 。2 波段，其中载波l 1 的频率f 1 为1 5 7 5 4 2 m h z ，波段2 的载波的频率为1 2 2 7 6 0 g h z 。如图2 1 。其信号结构为： 篷l o ) = 么p b o ) 口( t ) c o s ( w l t + 唬；) + a c c , ( t ) d , ( t ) s i n ( w l t + 晚，) 醚2 ( f ) = b 。仍( f ) 口( t ) e o s ( w 2 f + 欢，) 式中，么。，艿。，4 p 码c a 码的振幅； p ，( ，) ，c f ( ，) ，d f ( ，) 第i 颗卫星的p 码，c a 码，d 码； 图2 一lg p s 信号产生原理 f i g2 1p r i n c i p l e so fg p ss i g n a lg e n e r a t o r 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 伪码和_ 序列 伪码又称为伪随机噪声码或p r n 码，是采用二进制的码序列。其特点是具有周期性可 重复产生但又具有类似白噪声随机统计特性。g p s 系统之所以可以分辨各卫星的信号并 实现定位导航主要是依靠伪随机噪声码。 g p s 系统中采用的是由m 序列。产生的复合码。m 序列是由n 级反馈移位寄存器产生 的。一个m 序列可以用其特征多项式来表示，公式为 l 厂( x ) = ：q x ( 2 1 ) f10 = 0m o dp ) m ) 2 - 1( r o m 。dp ) 2 lp 如果两列伪随机码是正交的，那么它们的互相关峰值将为零。但是伪随机码并非完全 意义上的正交码，其互相关峰值并不为零，是一个非常接近零的数。图2 - 2 为卫星9 的自 相关峰值仿真图。 4 趔 水 血 * 皿 () 聊隔丽阡啊阉瞒唧甲阡卿帮静啊硐孵润阡啊唧粹阱 硼蛐姗黜圳幽蛐醚删岫蝴蝴幽娜 ll 相位偏移c h i p 图2 - 2 卫星抽头为3o1 0 的自相关峰值 f i g2 - 2a u t o c o r r e l a t i o np e a ko fs t a r3o1 0 图2 3 为m 序列自相关函数的图形。 第二章g p s 系统与接收机原理 jl 上、a 、l j 董 lk c a t e 蛆 ， k t 卜一 图2 3 自相关函数( 伪随机码) f i g2 - 3a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o no fs e q u e n c em 因为m 序列具有周期性，那么其自相关函数也是一个周期函数。m 序列彼此的偏差和 相关函数值呈反比例关系，当偏差不超过一个码片时，相关函数值较大。而当偏差超过一 个码片时，相关值较小基本接近于0 。 g p s 信号中所采用的伪随机噪声码( c a 码) 是由2 个多级反馈移位寄存器g 1 和g 2 产生 的。c a 码发生器的结构图如图2 4 所示，g 1 和g 2 这两个1 0 级m 序列的特征多项式如式( 2 3 ) 所示： 不同p r n 编号的卫星采用不同的g 2 平移等价序列3 1 选择，从而得到不同的g 2 i ，并相应 的组合成不同的c a 码。从而可以区分不同的卫星信号。 图2 4 抽头选择c a 码发生器核心模块逻辑图 f i g2 - 4t h el o g i cd i a g r a mo fc ac o d e 3o 厶 x 十 x + x 十x+扣驴 + 卜 + l 1 1 | j j j g q 西安理工大学硕士学位论文 2 2 3 导航电文 数据码也被称为导航电文，其采用二进制的编码形式。发送速率为5 0 h z ，每帧电文 包含1 5 0 0 b i t ，发送需要的时间为3 0 秒。数据码所包含的内容就是用来实现定位和导航的。 下图2 5 就是导航电文的结构图。 6 。石b 刮奎竖帧耵帧躺断帧5一广3 。名蔫嘉器裹影2 么二之 l1 l wh o w l - 7 - 3l 字4 卜弘5 字6l 字7- 7 8i 字9i 字1 0 、 t ：l 二 t ：t比 i 比 匕 年譬垮警半分 i 特 牛哿 l23l4 5 图2 5 导航电文的结构 f i g2 - 5n a v i g a t i o nm e s s a g es t r u c t u r e 2 2 4 扩频调制与相关接收 在d s s s r 刈系统中，接收机要在本地复现一个和卫星信号中伪码结构完全相同的c a 码 序列，本地的c a 码在时序上与外来伪随机码保持相位对齐，将两列随机码作相关运算， 因此卫星信号的解扩得以实现，这种接收方式称为相关接收。g p s 接收机利用相关原理， 将当前卫星信号恢复为原始的导航数据，别的卫星发射的信号以及噪声都仍然是扩频信 口 丐0 式2 4 所表示的就是l 1 波段的卫星信号结构： 篷l ( f ) = a o c ( t ) d , ( t ) s i n ( w t t + 咖) ( 2 4 ) 考虑到实际情况中，被接收机接收到的信号还包含有诸多干扰信号，因此实际接收 到的信号为式2 - 5 所示： ，( f ) = & ，( f ) + s ( f ) + 拧( ，) + ) ( 2 5 ) 图2 - 6 ( a ) 表示的是卫星信号的频宽在扩频调制前后变化的情况，其中数据码的功率 频谱密度可以用一个s i n e 2 函数来表示，而图中只显示了该函数的主峰及其左右的两个 侧峰。 第二章g p s 系统与接收机原理 忿率 落譬 ， ； 一f 一缸& 。 戆宰 j l ，。，! 二= - 叠、，- l ( a ) 卫星发射端的扩频 蟛薄 jl 黪渡千魏 。誓 罐商 ， 一，。 、，一；、，一。 j 是攀 jk f l j 鼍 一 一 r 。 h 。 ( b ) 接收机端的解扩 图2 - 6g p s 信号的扩频与解扩 f i g2 - 6s p r e a d i n ga n dd e s p r e a d i n go fg p ss i g n a l 2 3g p s 定位原理 2 3 1 伪距 如图2 7 所示，某卫星( 编号为s ) 按照其自备的卫星时钟在t b 时刻发射出某一信 号。我们将这个t 拈时刻成为g p s 信号的发射时间。该信号在t 。时刻被用户g p s 接收机接 收到，我们将t 。称为g p s 信号的接收时间，它是从接收机上的时钟读出来的。 7 西安理工大学硕士学位论文 图2 7 伪距的测量 f i g2 7d i s t a n c em e a s u r e m e n t 用户接收机时钟产生的时间通常与g p s 时间不同步。假设对应于信号接收时间。t 。的 g p s 时间实际匕等于t ，那么将g p s 时间为t 时的接收机时钟乞记为t u ( ，) ，并将此时的接收 机时钟超前g p s 时间的量记为s t 。( t ) ，即 f 。( f ) = t + 6 f 。( ，) ( 2 6 ) 式中，t s t ( t ) 通常称为接收机时钟钟差，其值通常来说是未知的，并且是一个关于g p s 时间的函数。 g p s 时间t 与卫星时钟f o ( f ) 存在以下关系： 一( f ) = f + 艿( ，) ( 2 7 ) 其中，卫星钟差6 ，( 5 ( f ) 可以视为已知的，g p s 时间与卫星时钟在信号发射时刻( f r ) 时的关系可表达成： 5 一f ) = f f + 6 f 5 o 一彳) ( 2 8 ) 伪距p ( f ) 定义为信号接收时间t u ( f ) 与信号发射时间f 5 ( t - ) 之间的差异再乘以光在真空中 的速度c ，即 p ( t ) = c t 。( f ) - t 5 o - r ) 】 ( 2 9 ) 因为接收机时钟与卫星时钟不同步，所以p ( t ) 被称为“伪距”。将式( 2 7 ) 和式( 2 9 ) 代入上式，得 p ( t ) = 珂+ c ( 3 t 。( ，) - s t 5 一r ) ) ( 2 1 0 ) 考虑到实际情况中存在着不可避免的误差。并且伪距测量值还受到多路径、接收机噪声 等多种误差源的影响，因此最终得到的伪距观测方程式为： p = 厂+ c ( 6 乙一6 ，5 ) + d + c 丁+ g 。 ( 2 1 1 ) 2 3 2 伪距定位 由式( 2 1 2 ) 可定义如下误差校正后的伪距测量值p ： 8 第二章乜p s 系统与接收机原理 i p ! ”) = p ( ”+ 6 ( 一，( 一丁”) ( 2 1 2 ) 和校正后的伪距观测方程式 尸o + 6 乞= 度吣- 4 o ( 2 1 3 ) 其中，n = l ，2 ，n 是卫星或卫星观测量值的临时编号，是接收机到卫星的集合距离， 即 ，| ”= ( x 一x ) 2 + ( y 。一y ) 2 + ( z 。一z ) 2 ( 2 1 4 ) 其中，x = b ，y ，z r 为未知的接收机位置坐标向量，x ”= 【x ，y ，z ” r 为卫星n 的位 置坐标向量。将未知的伪距测量误差s ? 从式( 2 1 4 ) 中省去，那么g p s 定位、定时的算 法的本质就是求解以下一个四源非线性方程组： e 了石二i 石丁：i 歹石厂二歹于_ f 乙了呵+ 6 屯：j 1 9 ：1 ， ( x 孙一x ) 2 + ( j ，孙一y ) 2 + ( z 孙一z ) 2 + 6 乙= p ：2 ( 2 1 5 ) 厄丽i k 歹旺诃i 丽+ 6 t ：p ： 上述方程组中的每一个方程式均对应于一颗可见卫星的伪距测量值。各颗卫星的位置 坐标值( x ) ，y 伽) ，z 伽) 都可以通过他们各自播发的星历“。来得到，误差校正后的伪距p ：m 则 由接收机测量得到，所以方程组中只有剩下的接收机位置三个坐标分量( x ，y ，z ) 和接收机 钟差6 t ，是所要求解的未知量。如果接收机有四颗或四颗以上可见卫星的伪距测量值，那 么式( 2 1 5 ) 就有4 个方程组成，接收机可以求解出方程组中这4 个未知量，从而实现g p s 定位、定时。这就是g p s 伪距定位、定时的基本原理。 2 。5 本章小节 本章主要对g p s 信号组成进行了介绍。其中重点研究了伪随机噪声码的强自相关性及 其产生原理，接下来介绍了扩频调制技术。最后概述了伪距定位的原理并给出了求解方程。 9 西安理工大学硕士学位论文 第三章g p s 基带信号处理 3 1g p s 捕获原理概述 g p s 接收机工作过程分为捕获与跟踪两个环节。最终目的是实现对当前可见卫星信号 的跟踪与锁定。首先，接收机要事先粗略估算出当前卫星信号的载波频率和c a 码相位w 1 ， 然后利用该号参数值初始化跟踪环路的载波n c o 和码n c o ，接下来跟踪环路将会不断 修正本地载波频率与码相位，从而成功地迸入正常的跟踪状态。为了获取某颗卫星信号的 载波频率和码相位初步估计值，接收机的捕获环节通常是通过对载波频率和码相位进行二 维搜索来完成的。一旦获得两者的初步估计值，那么捕获环节将结束，立刻转入跟踪环节。 3 2 基于时域的顺序捕获 基于时域的顺序捕获法是目前比较常用的一种g p s 信号捕获方法，该方法原理较为简 单，硬件实现比较容易。所采用的方法是一方面搜索码相位，另一方面搜索载波频率，从 而实现捕获。 、 ，j f l 信号迁 移方向 | 羹 3 簿：南- ， 0 ， 糕 。搜索 纂潺 7 方向 l 。-， 1 0 2 3 基码 i ，l - 图3 - 1 顺序捕获的搜索策略 f i g3 - 1s e a r c hs t r a t e yi no r d e rt oc a p t u r e 在图3 - 1 的二维搜索中，接收机假设按照从1 到3 2 号伪码的顺序依次对各颗卫星进 行二维搜索，接收机在本地生成某颗卫星的c a 码和载波，然后按照一定的步长，逐一将 生成的本地信号与卫星信号做相关运算得到相关函数值，当相关函数值超过捕获门限，证 第三章g p s 基带信号处理 明该卫星信号已经捕获成功，此时的c a 码相位和载波频率即为该颗卫星信号参数的初步 估计值。一般来说，实际接收到的载波频率由于受到多普勒效应”。的影响，与l 1 波段的 频率存在一定误差，该误差范围大致在- 1 0 k h z 至u + 1 0 k h z 范围内，对载波频率的搜索步长 为5 0 0 h z 。同时，c a 码的周期为l m s ，共包括1 0 2 3 个码片，对码相位的搜索即遍历1 0 2 3 个码片，搜索步长一般为1 2 个码片。 顺序捕获的框图如图3 - 2 所示： c a n + m 】 r ( m 厂 图3 2 顺序捕获的算法框图 f i g3 - 1a l o r i t h mi no r d e rt oc a p t u r e 中频信号x f 1 先与本地复现的伪码c a n + m 相乘，之后再分别与本地的载波信号的正 余弦相乘，形成同相和正交两条支路。然后进行一个周期或多个周期的积分累加操作并平 方。 尺( 聊) 2 的计算公式为： k - 1 ( j + i ) n l 一1f ，+ n 舭一1 尺( m ) 2 = ( 【x 阱c a n + m s i n w n 2 + 虹，z c a n + m c o s w n 2 ) ( 3 1 ) 西安理工大学硕士学位论文 图3 - 33 号卫星的c a 码顺序捕获的m a t l a b 仿真结果 f i g3 - 3 m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l to fs a t e l l i t e3 图3 3 中，令n = i 、k = l 时，3 号卫星的顺序捕获的m a t l a b 仿真结果。伪码相位用x 轴表示，单位为1 2 c h i p ；中频频率用y 轴表示；相关值用z 轴表示。如图所示当码相位 延迟1 5 1 7 个1 2 码片、中频频率为4 0 8 2 + 1 3 1 0 0 0 = 4 0 9 5 m h z 时，z 出现一个很大的相关 峰值。此时，我们认为捕获到p r n 编号为3 的卫星。 3 3g o s 跟踪原理概述 跟踪环路的作用是不断修正本地生成的两个信号参量的值，使其尽量接近卫星信号的 参量值。 因为卫星与接收机存在相对运动同时卫星时钟与接收机晶体振荡器的频率漂移等原 因，接收到的信号的载波频率和码相位会随着时间的推移而变化，而且该变化一般无法直 接测量，所以信号跟踪环路通常需要以闭环反馈的形式周期性地持续运行，从而达到对卫 星信号的持续锁定。 1 2 第三章g p s 基带信号处理 数 图3 4g p s 跟踪环结构图 由于无论是载波跟踪环还是码跟踪环都是基于锁相环原理得到的，锁相环在输入 相位和反馈相位相差很小时，可以把鉴相器看作具有线性特性。 由s 域模型得： 圪( s ) = o ) = g o ) 一够o ) v o ( s ) = 圪( s ) f ( s ) o j ( s ) ：圪( s ) 量 由上面三式推得： 开环传递函数 吣删沪啪) = 半= 丽v o ( s ) = 麓 瑚加，( - + 丽s 而 。( s ) = _ k o k l f ( s ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 1 3 西安理工大学硕士学位论文 闭环传递函数 误差传递函数 h o ) ：旦盟：望鲨! ! ! ! ：塾生! ! 兰! ( 3 5 ) 谚( s )1 + h ，( s ) s + k o k , f ( s ) 哪，= 器= 等笋= i - h = 而s 丽 限6 ， 闭环等效噪声带宽 胙丽1 脾一枷 ( 3 7 ) 反馈系统的开环传递函数巩。( s ) 的总极点的个数决定了环路的“阶”数，。( s ) 的零 点处总极点的个数决定了环路的“型”。环路的型决定了反馈系统对动态输入信号的稳态响 应特性。环路的等效噪声带宽反映了环路对热噪声的遏制大小，等效噪声带宽越小对热噪 声的遏制越大，从而系统对输入信号参数的估计精度越大。 3 4 载波跟踪环 3 4 1 科斯塔斯锁相环 载波环的作用是对输入的卫星信号进行解调，得到载波多普勒频移，从而修正本地生 成的载波频率。普通的g p s 接收机只采用科斯塔斯载波跟踪环”。，其原因是当把载波和码 分别从导航数据上剥离之后，仅剩下5 0 h z 导航电文数据。在不跨越数据位过度的前提下， 该环路对相位翻转“不敏感。 图3 - 5 是一种典型的数字式g p s 接收机载波环。 1 4 图3 - 5 一种典型的载波环 第三章g p s 基带信号处理 3 4 2 常用载波鉴相器及其性能比较 同相累加分量厶和正交累加分量q 。进入鉴别器p d ，通用c o s t a s 锁相环鉴别器算法见表 3 - 1 。它们的鉴相曲线见图3 6 。 表3 - 1 通用c o s t a s 环鉴别器 t a b l e3 一lc o m m o nc a r r i e rl o o pp h a s ed e t e c t o r 鉴别器算法输出相位误差 符号( ，p ) q p 厶。q p q d i p a t a n ( 绋，p ) s i n 咖 s i n 2 多 t a n 西 咖 图3 - 6 各种c o s t a s 锁相环鉴别器的比较 f i g3 - 6c o m p a r i s o no fv a r i o u sp h a s ed e t e c t o r 厂 一一 从图3 - 6 可以看到，a t a n ( q p i p ) 算法鉴相曲线在| - 姜+ 胛7 r ，鲁+ 刀7 rl ( n 为整数) 范围 内1 - 与真实输入误差成线性关系，而s i g n ( i p ) p 和i p 木q p 算j 法鉴相曲线在 l 一詈+ 船丌，等+ ，? 7 rl ( n 为整数) 范围内与真实输入误差不成线性关系：而q p f l p 算法在 ；+ 行刀( n 为整羰) 附近处输出很大甚至无限大值，容易使环路失