（通信与信息系统专业论文）gps扩频码的同步技术研究.pdf

摘要 摘要 全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是新一代的精密卫星定位系统。面 对当前定位导航产品广阔的市场以及应用前景，研究g p s 定位系统具有很大的现 实及长远意义。另外，研究g p s 导航系统还能为我国研究制定自己的军用导航定 位系统标准提供一定的理论支持。 g p s 系统扩频码的同步技术包括g p s 扩频码的捕获技术和g p s 扩频码的跟踪 技术，即扩频码的粗同步与精同步技术。g p s 系统的同步技术是g p s 系统中的一 项关键技术。同步性能的好坏直接对应于测距的精度的高低，同步技术的好坏在 一定程度上直接决定了g p s 性能的好坏。国内外很多专家对g p s 系统扩频码的同 步技术进行了深入的研究。 g p s 扩频码的捕获过程就是对g p s 扩频码在时间和频率上大范围的二维搜索 过程。由于p 码的速率高，序列周期长，所以对p 码的直接捕获十分困难。对p 码直接捕获技术的研究是现阶段g p s 系统研究的热点也是难点。此外，在g p s 系 统中需要对捕获之后的扩频码进行跟踪，g p s 扩频码的跟踪是通过科环与码同步 环实现的。科环与码环必须能很快实现对信号的跟踪同时又要保证相对小的稳态 误差，环路的设计也是g p s 系统中的一个难点。本文针对上面两个问题做了以下 的一些工作。 本文对p 码的直接捕获进行了深入的研究。基于对国内外相关文献中p 码直 捕方法的分析与对比，并且结合在实际工程中硬件资源需求的考虑，本文提出了 一种基于分段补零循环相关和f f t 搜索频偏的c c p a z p - f f t 长码直捕方法。本方 法利用f f t 实现接收信号与本地p m 码的并行相关，同时完成频偏的搜索，将传 统的二维搜索转换为并行的一维搜索，从而能快速实现长码捕获。该方法能利用 较少的硬件资源实现对p 码的直接捕获。本文给出了p 码直捕算法的相应的仿真 结果及f p g a 实现的验证结果。 本文在对g p s 系统中的码环以及科斯塔斯环的原理、功能进行深入的分析基 础上，给出了在工程中应用中实用的环路各部分相应的经验公式及数字码环的设 计方法。利用s y s t e m v i e w 实现了对码环和科斯塔斯环功能的仿真。基于该方法设 摘要 计的码跟踪环通过f p g a 验证平台的验证，表明该方法设计的码环具有较好的跟 踪性能。 本文提出的p 码直捕方法以及环路的设计方法是充分考虑了工程应用实际提 出的，所以提出的方法适用于实际工程应用。在实际应用中，本文的方法可以应 用于g p s 接收机，监测站接收机的同步，具有重大的现实及经济意义。 关键字：全球定位系统，捕获，跟踪，p 码，c a 码 a b s t r a c t a b s t r a c t g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) i san e wg e n e r a t i o np r e c i s en a v i g a t i o ns a t e l l i t e t i m i n ga n dr a n g i n gs y s t e m r e s e a r c h i n go ng p s i sv e r yu s e f u la n di m p o r t a n t , w h i c h c a nb eu s e df o rg p sp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t f u r t h e r m o r e r e s e a r c h i n go ng p si s h e l p f u lt od e v e l o pt h ec h i n e s em a r i t i a ln a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n gs t a n d a r d g p sp n ( p s e u r a n d o mn o i s c ) c o d es y n c h r o n i s i t i o nt e c h n o l o g yi n c l u d e sc o d e a e q u i s i t i o na n dn a i kt e c h n o l o g y , w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yi ng p s w h e t h e rt h e s y n c h r o n i s i t i o nf u n c t i o ni sg o o do rb a dd e t e r m i n e st h ep o s i t o n i n gp r e c i s i o ni ng p s i s h i g ho rl o w g e n e r a l l y , c o d ea c q u i s i t i o na n dt r a c ka r ec a l l e da sc o a r s ea n dp r e c i s e s y n c h r o n i s i t i o n al o to fs p e c i a l i s t sp a ym u c ha t t e n t i o ni nt h i s 丘e l da n dw r i t eal o to f p a p e r s t h ep r o c e s so fg p sp nc o d ea c q u i s i t i o ni sat w o d i m e n s i o nl e n g t h ys e a r c h i n g p r o c e s si nt i m ea n df r e q u e n c yd i m c n s i o n i ng p s ，pc o d eh a sh i g hc o d es p e e da n di o n g s e q u e n c ep e r i o d s opc o d ei sv e r yh a r dt ob ea c q u i s e d n o w a d y s d i r e c tpc o d e a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yi sav e r yi m p o r t a n ta n du s e f u lt e c h n o l o g y a f t e rt h ep r o c e s so f a c q u i s i t i o n t h es y s t e mm u s tt r a n s f e rt ot r a c kp r o c e s s n ef u n c t i o no f 仃a c ki sa c h i e v e d b yc o d et r a c kl o o pa n dc o s t a sl o o p h o wt od e s i g nt h ec o d et r a c kl o o pa n dc o s t a sl o o pi s v e r yh a r d , b e c a u s et h e1 0 0 pm u s tc a nt r a c kf a s ta n dh a v es m a l lt r a c ke r r o r i nt h i sp a p e r ， b a s e do nt h er e s e a r c ha b o u tt h et w op r o c e s s e so fg p ss y n c h r o n i s i t i o n , s o m ew o r ki s d o n ea sf o u o w ： f i f s t b a s e do na n a l y z i n ga n dc o n t r a c t i n gt h ew a y sr e f e r r e db yt h e s i sa n dp a p e ro n g p s ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wc c n 址t f f rw a yo fd i r e c ta c q u i s i t i o no ft h eg p sp ( y ) c o d e c c n 屹p f f ti saw a yt h a tu s e sn 叩t oa c h i e v ec i r c u l a rc o r r e l a t i o nb yp a r t i t i o n a n dz e r op a d d i n g ( c c p a z p ) a n da c h i e v ef r e q u e n c ys y n c h r o n i s i t i o n i nt h i sw a v a c q u i s i t i o nc a l lb ea c h i e v e dv e r yf a s ta si t 仃a n s f e r st w o d i m e n s i o n a ls e a r c hi n t op a r a l l e l o n e d i m e n s i o n a ls e a r c h a i s o c c b 钇p - f f tc a nb ee a s i l yi m p l e m e n t e di nr e a lg p s p r o j e c tf o ri t sl o wn e e di nh a r d w a r er e s o u r c e i nt h ee n d t h i sp a p e rg i v e st h es i m u l a t i o n r e s u l ta n dt h ej m p l e m e n t i o nr e s u l t s e c o n d b a s e do na n a l y z i n gt h ef u n c t i o na n dp r i n c i p l e so fg p sc o d et r a c kl o o pa n d c o s t a sl o o p ，t h i sp a p e rp r o p o s e daw a yt od e s i g nt h ed i g i t a lp h 舔e l o c k d el o o p t h e n , t h es i m u l a t i o n sa b o u tc o d et r a c kl o o pa n dc o s t a sl o o pa r em a d ei ns y s t e m v i e w t h e n , t e s to nt h ef p g ad i e i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gb o a r dp r o v e st h a tt h ed i g i t a lc o d et r a c kl o o p w h i c hi sd e s i g n e db a s e do nt h ew a yp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nt r a c kt h eg p ss i g n a l w e l l t h e s y n c h r o n i s i t i o nw a y sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra r ea l lb a s e do nr e a lp r o j e c tn e e d s oi tc a nb eu s e di nr e a lg p s p r o j e c t , s u c ha sg p sr e c e i v e rs y n c h t o n i s i t i o n , g p sc o n t r o l a n dr e c e i v i n gb a s es y a c h r o n i s i t i o n k e y w o r d ：g p s ，a c q u i s i t i o n , t r a c k , pc o d e ，c ac o d e i i i 图形目录 图2 - 1 图2 2 图2 - 3 图2 4 图2 - 5 图2 6 图2 - 7 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 n 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图形目录 直扩系统组成原理图 g p s 接收机基本结构图 p 码产生原理图 扩展复制码段的产生 扩展复制码段的叠加 大规模并行相关器原理图。 p m f f f r 方法的原理图 6 7 g p s 接收机信号处理流图 不确定码段的生成 。1 5 。1 8 相关运算单元结构图2 0 控制逻辑原理框图2 1 频偏搜索单元原理图 不同讳时的规一化峰值曲线。2 7 p n 码序列自相关嗑线 不同频差信号的捕获概率曲线2 8 峰值衰减曲线3 2 补零法对扇贝损失的抑制 加窗法对扇贝损失的抑制 相关峰随相关长度m 的变化曲线3 5 相干累加点数对捕获概率的影响3 6 非相干累加对捕获概率的影响 本地码偏开槽示意图3 8 数据极性变化对信号频谱的影响4 2 不同鬈值对频率分辨率的影响 平方法去调数据法应用于频差搜索单元4 4 i ，q 相乘去调数据法载波搜索原理 y - e x p r e s s 并行相关器框图。 电光相关处理示意图4 9 v 图形目录 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图禾1 1 图4 一1 2 图5 - 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 延迟锁定环原理框图 延迟锁定环的相关特性 5 0 5 2 延迟锁定环的环路数字模型5 5 数字延迟锁相环原理图 四种码鉴别器鉴相特性曲线 科斯塔斯环原理框图 科斯塔斯环等效数学模型 数字科斯塔斯环路结构 5 6 5 7 5 9 。6 0 实际使用的数字滤波器结构图 3 阶环路滤波器结构图 2 阶码环仿真曲线 2 阶科斯塔斯环仿真曲线 g p s 接收机原理图 f p g a 算法验证平台原理图 g p s 接收机信号处理板结构 长码直捕算法验证原理图。 m o d e l s i m 长码直捕仿真曲线 码跟踪环测试方案 m o d e s i r e 码环跟踪仿真曲线 科斯塔斯环验证方案 数字科斯塔斯环r t l 原理图 d o w n _ c o n v e r t _ i _ d 模块对外接口 1 0 0 p _ f i l t e r 模块对外接口 6 0 6 4 6 5 6 8 6 9 7 2 7 3 7 3 7 4 7 5 7 5 7 6 7 6 7 7 列表目录 表4 - 1 表4 - 2 表4 3 表4 - 4 延迟锁定环鉴别器 列表目录 科斯塔斯环鉴相器列表 环路滤波器特性 实际使用的滤波器参数表 i x 6 3 列表目录 缩略语 a w g na d d i t i v ew h i t cg a u s s i a nn o i s e b e rb i te r r o rr a t e b p s k b i n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g c a c o a r s e a c q u i s i t i o n c i r c u l a rc o r r e l a t i o nb yp a r t i t i o na n dz e r o c c e 岈 一 p a d d i n g d f rd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f 0 1 1 1 1 d l l ，d e l a y - l o c k e d 功o p d s s sd i r e c ts e q u e n c es p e c t r u ms p r e a d e d ae l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i c f h f r e q u e n c yh o p p i n g f i rf i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f f r f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g p sg l0 _ b a lp o s i t i o ns y s t e m h o wh a n d o v e rw o r d 阿i n v e r s ef a s t1 7 0 u r i e rt r a n s f o r m m lm a x i m u ml i k e l i h o o d p m fp a t t i a lm a t c h c df i l t e r i n g p p sp r e c i s elo s i t i o n i n gs e r v i c e s p ss t a n d a r dp o s i t i o n i n gs e r v i c e s s s p r e a ds p c c t n m a 1 d lt a u d i t h e rl o o p 1 7 - 1 1 i m eh o p p i n g ， e x t e n d e dr e p l i c af o l d i n ga c q u i s i t i o ns e a r c h x e a s t t e c h n i q u e x 加性白高斯噪声 误比特率 二进制相移键控 粗码 分段补零循环相关 离散傅立叶变换 延迟锁定环 直接序列扩频 电子设计自动化 跳频 有限冲激响应 快速傅立叶变换 全球定位系统 握手字 快速傅立叶逆变换 最大似然 分段匹配滤波 精密定位服务 标准定位服务 扩展频谱 抖动跟踪环 跳时 扩展复制折叠码的 捕获技术 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究i 作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名：至：! 盔：日期：砷乡月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：金盗导师签名： 狂改 魄中乡月7 日 第一章引言 1 1 课题来源及意义 第一章引言 本课题主要来源于g p s 导航系统中某接收机项目的研究。 g p s 导航系统是美国国防部在1 9 7 3 年组织海陆空三军共同创建的新一代卫星 导航系统： n a v i g a t i o ns a t e m t et u n i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，即“授 时与测距导航系统”，它是新一代精密卫星定位系统。g p s 系统定位精度很高，它 不仅可以广泛的应用于海上、陆上和空中运动目标的导航、制导和定位，而且可 以为空间飞行器进行精密定轨，满足军事部门的需要。同时它在各种民用部门中 也获得了成功的应用，在大地测量、工程勘探、地形普查测量、地壳监测等众多 领域展现出极其广阔的应用前景。 在g p s 导航定位系统中，用户接收到g p s 卫星广播的信号中包含有3 种信号： 数据码( 或称d 码，亦称为基带信号) 、测距码( c a 码，p 码或y 码) 和载波信号( l i 和工2 ) 。数据码( d 码) 中包含有多种与导航有关的信息，如；卫星的星历、卫星钟 钟差修正参数、测距时间标志及大气折射修正参数及由c a 码捕获p 码等其他导 航信息，称为导航电文。g p s 信号是将导航电文对应的二进制码序列经过伪随机 码扩频，再对l 波段的载波进行双相调制( b p s 目而形成的信号。g p s 接收机要得 到导航电文的信息，必须对g p s 信号进行正确的解扩，也就是必须保证本地参考 信号与接收信号之间的同步。 g p s 系统中常采用两种测距码：c a 码和p 码( 或y 码) ，分别提供标准定位 服务s p s ( s t a n d a r dp o s i t i o n i n gs e r v i c e ) 和精密定位服务p p s ( p r e u s ep o s i t i o n i n g s e r v i c e ) 。c a 码与p 码均属于伪随机码，c a 码速率为1 - 0 2 3 mb i t s ，p 码速率为 1 0 2 3 mb i 珧。在测距中，若码元对齐误差为码元宽度的1 1 0 0 1 1 0 ，c a 码测距 精度可达2 9 3 2 9 3 m ，p 码测距精度可达0 2 9 2 9 3 m ，所以c a 码常用作粗测 距，而p 码常用作精密测距。c a 码常被称为粗码，而p 码被称为精码。 要实现对g p s 信号的解扩，必须首先实现扩频码之间的同步。扩频码的同步 包括扩频码的捕获和扩频码的跟踪两个过程，扩频码在完成捕获后转入跟踪过程， 电子科技大学硕士学位论文 实现同步。本地用户时钟源的精度不够高会产生较大的时间偏差，导致码字搜索 量的增大：终端与卫星的相对运动以及晶振的频率不稳定度会带来较大的频偏。 因此对g p s 系统扩频码的捕获是对时间和频率进行二维搜索的过程。对c a 码而 言，由于码长比较短，只有1 0 2 3b i t ，易于捕获。对p ( 或y 码) 而言，p 码周期为7 天，码速率高，要实现对p 码的捕获相当困难。 c a 码一般能满足民间普通用户定位的需要。美国国防部规定，p 码是专为军 用的。而且美国国防部宣布对p 码实施a s 政策。即在p 码上增加一个极度保密的 w 码，形成y 码，禁止非特许用户对p 码的使用。 p 码的捕获通常利用c a 码来进行辅助捕获，但由于a a 码码长比较短、码 速率低，易受敌方干扰和欺骗，干扰和欺骗的战争环境下，助捕获难以实现。随 着实际应用的需要，测距精度要求的提高，应用p 码进行测距成为研究的热点。 p m 码比c a 码周期更长，码速率更高，具有更多的码类，具有具有更好的抗干 扰和抗欺骗性能，p ( 码的直接捕获一直受到美国军方的高度重视。p 码直捕方法 的研究对于未来战场复杂环境下g p s 定位提供了解决方案。 本文对g p s 系统中的扩频码的同步技术进行了比较详细的介绍，给出了一种 基于存储的分段补零作循环相关，并用f f t 搜索多普勒频偏的长码直捕方法。在 f p g a 上得到了实现，并通过试验验证，表明该直捕方法具有捕获速度快，硬件资 源要求低的特点。对扩频的跟踪环路进行了分析，并提出了实用的扩频码跟踪环 的环路结构。 在实现g p s 扩频码的捕获过程之后，系统转入扩频码的跟踪状态。扩频码的 跟踪是由锁相环路实现的。跟踪环路性能的好坏直接与伪距测量的精度相关，直 接决定着定位精度的好坏。对扩频码跟踪环路的研究是g p s 精密测距必要的准备。 本文给出了g p s 系统的码跟踪环及科斯塔斯环的工作原理及功能的分析，并给出 了数字码跟踪环和科斯塔斯环的设计方法。利用本文给出的数字环的设计方法设 计的码环与载波环在实际的g p s 接收机工程中得到了应用。 在实际应用中，本文的方法可以应用于g p s 接收机，监测站接收机的同步， 具有重大的现实及经济意义。 1 2 g p s 扩频码同步技术研究动态 g p s 系统中，要正确得到接收卫星信号上所给的信息，必须首先实现g p s 扩 2 第一章引言 频码的同步。国内外对于g p s 系统扩频码的同步技术进行了深入的研究。 随着g p s 系统的发展走向成熟，g p s 数字接收机和软件接收机迅速发展起来， 与之相应也提出了多种c _ a 码，p f y ) 码的捕获方法。时域上的大规模并行相关技 术随着器件的发展，取得了很大的进步。对频域信号处理技术的广泛应用是一个 重要发展方向，与时域处理相比，它具有更方便快速，手段多样的特点，对高动 态，强干扰和多径条件的适应性更好。 c ，a 码的捕获大多数是基于硬件实现的方法，分为时域上与频域上两种思路。 传统的方法是在时域上利用串行搜索的办法对c a 码进行捕获【1 】【2 】。v a nn e e ， c o e n e n 及d a v e n p o r t 在1 9 9 1 年首先提出使用f f r 实现c a 码的快速捕获方法【3 】。 g p s 系统中p 码的捕获通常是利用c a 码的捕获辅助完成的，用户首先捕获 到c l a 码，然后利用c a 码调制的导航电文中的握手字( h o w - h a n d o v e rw o r d ) 所提 供的p 码信息对p 码进行捕获 4 1 9 l 。c y a n g 在1 9 9 6 年对f 耵的多种抽样方案进行 了比较和分析，在1 9 9 9 年提出了x f a s t ( e x t e n d e dr e p l i c af o l d i n ga c q u i s i t i o n s e a r c ht e c h n i q u e ) 实现p m 码的快速捕获方案【6 胴。又在2 0 0 1 年提出了序列块搜索 算法 s l ( s e q u e n f i a l b l o c k s e a r c h t e c h n i q u e ) ，并对利用f f r 实现短周期码，长周期码 以及无周期码的捕获方法进行分类和归纳【9 1 。 1 9 9 7 年，j b l o z o w 对非相干检测时采用串行和并行搜索的直接p c o 自q 捕获 进行了分析，给出了平均捕获时间。1 9 9 9 年，m m a y , a b r o w n 和b t a n j u 针 对数字存储接收机提出非实时采集信号再循环方案，计算了采用标准时钟和原予 时钟下的捕获时间和概率1 1 1 】。 d a v i d m l i n 和b yt s u i 对g p s 软件接收杌的码捕获方案进行了研究【1 2 1 ，特 别是对h 呵实现循环相关( c i r c u l a rc o r r e l a t i o n ) 的多种方案进行了分类和性能比较， 其结论是：在信号较强且数据量较少时采用非相干循环相关法( n o n - - c o h e r e n t c i r c u l a rc o r r e l a t i o n ) 运算量小，检测概率高；反之，在弱信号和大数据量时采用分 段补零的循环相关法( c i m u l a rc o r r e l a t i o nb yp a r t i t i o na n dz e r op a d d i n g ) 最优。2 0 0 1 年，为解决弱信号的捕获问题，他们提出了采用4 0 m s 相干积分的新算法，可以将 灵敏度提高2 d b i 廿】。 l o g a ns c o t t 和aj o v a n c e v i c 等人研究了基于f f r 处理的采用d s p 实现信号 快捕的具体技术方案，在对积分时间，f f r 长度，干扰以及多普勒偏移进行分析 后认为，在强干扰环境，初始时间差为1 秒时，使用高性能d s p 平均捕获时间可 3 电子科技大学硕士学位论文 控制在3 0 秒以内【1 4 】。 r o b e dw o l f e r r 和s t e v ec h e n 在1 9 9 8 年提出了用y e x p r e s s 处理器实现长码 直捕的方法，该方法主要基于大规模并行相关器实驯1 5 】。 国内对长码直捕的方法的分析也很多，并且很多在实现上给出了相应的研究 成果，如大规模并行相关器实现的串并结合的滑动相关器法【垌，扩展复制重叠均 值法【切，以及p m f 即玎的方法【1 8 j 【1 9 1 等等。 1 3 本文的主要内容 本文总共有六章，其主要内容是如下安排的： 第一章为引言。首先对g p s 扩频码同步技术研究课题的来源及意义进行了简 要的介绍。并对国内外在此领域的研究动态作了一个粗略的归纳，为下一步比较 详细的介绍g p s 扩频码的同步技术打下了基础。最后介绍了本文的总体框架与结 构。 第二章是g p s 扩频码同步技术概论。本章首先介绍了g p s 系统的组成，然后 对接收机接收到的g p s 信号的模型进行了分析，介绍了g p s 系统中用于测距的 c a 码和p 码。逐步引入扩频码捕获的理论，并对直扩系统的同步技术中的捕获 与跟踪作了一个简要的归纳。简要分析了c a 码辅助p 码的捕获方法、x f a s t 方 法、扩展复制重叠均值法、串并结合的滑动相关器法、p m f - f f t 等方法。 第三章g p s 接收机p ( 码直捕算法设计。本章对g p s 扩频码的捕获技术进行 了比较详细的介绍。首先简要分析了g p s 系统捕获技术的发展现状，然后通过对 已有c 协码，p 码直捕的方法的分析，提出了一种c c p a z p f f r 长码直捕方法， 并对算法进行了详细的推导，并分析了算法的捕获性能。最后针对p 码直捕的方 法在实际应用中会遇到的一些具体的问题提出了相应的解决办法，并针对p 码直 捕方法的应用提出了的改进措施。本章的内容与下一章扩频码的精同步，共同组 成本文的核心，即g p s 扩频码的同步技术。 第四章g p s 接收机的环路设计。本章对g p s 扩频码的精同步实际应用的两种 锁相环路进行了比较详细的介绍。首先对扩频码的码同步环进行了理论的推导。 然后对g p s 系统中使用的科斯塔斯载波环的结构，工作原理进行了分析，并对组 成数字码环的各个部分的设计进行了说明。对实际工程中通常使用的数字锁相环 4 第一章引言 的设计方法进行了比较详细的说明，在本章的最后给出了单延迟锁定环，科斯塔 斯环在s y s t e mv i e w 下面基于蒙特卡罗模拟的仿真结果证明了算法的正确性。 第五章为算法的f p g a 与实验验证。对本文提出的长码直捕算法、码跟踪环 及科斯塔斯环在f p g a 平台上进行了验证，证明了本文给出的长码直捕算法，码 跟踪环及科斯塔斯环的设计方法可行。 第六章结束语。对本文的主要工作及贡献进行了归纳，并说明了下一步工作 的重点及方向。 1 4 本章小结 第一章引言首先对g p s 扩频码同步技术研究课题的来源及意义进行了简要的 介绍。并对国内外在此领域的研究动态作了一个粗略的归纳，为下一步比较详细 的介绍g p s 扩频码的同步方法打下了基础。最后介绍了本文的总体框架与结构。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章g p s 扩频码同步技术概论 2 1g p s 系统概述 g p s 系统就是一种典型的扩频通信系统。扩频( s s ，s p r e a ds p e c t r m ) 通信就是 一种信号带宽大于传送信息带宽的传输通信方式。扩频系统就是利用扩频技术实 现通信的系统，扩频技术具有很多优点，如抗干扰能力强，隐蔽性好，多址能力 强等，使得扩频通信系统受到人们广泛的重视。 直接序列扩频系统简称直扩系统，是指直接用双极性或多极性的伪随机序列 对已调制或未调制信息的载频进行调制，达到扩展信号频谱的通信系统。通常利 用伪噪声序列与基带脉冲数据相乘的方法实现信号的扩频，其伪噪声序列由伪噪 声生成器产生。直扩系统组成原理如图2 - 1 所示： 数 据 处 理 天 线 天 线 ( b ) 互扩系统接收机原理田 图2 1 直扩系统组成碾理图 如图2 - 1 所示，g p s 系统是典型的直扩系统，由卫星与g p s 接收机组成。卫 星将要发送的g p s 信息首先经过编码器调制之后，直接用产生的伪随机序列( 双极 性或多极性) 与调制后的信号直接相乘，实现对信号的扩频调制，通过带通滤波器， 然后通过功率放大器、天线将扩频后的宽带信号经功放由天线广播发射出去。 6 第二章g p s 扩频码同步技术概论 c a p s 接收机通过天线将接收到的信号经过射频放大后，通过下变频处理，带 通滤波器，然后将信号与本地伪随机序列相乘，如果本地产生的伪随机序列与信 号上叠加的伪随机序列完全相同，相乘后完成了对宣扩信号的解扩处理。然后将 信号通过窄带滤波器，经过抽样处理，得到卫星发送的导航电文信息。 2 1 1g p s 系统的组成 全球定位系统( g p s ) 是典型的直接序列扩频系统。g p s 系统由三部分组成，包 括空间星座部分( 2 4 颗以上的卫星) ，地面控制部分和用户接收设备部分( g p s 接收 机) 。 g p s 空间卫星星座必须保证在地球各处能同时观测到高度角1 5 。以上的至少4 颗卫星。g p s 空间星座的2 4 颗卫星，3 颗为备用卫星。2 4 颗卫星部署在6 个轨道 平面上，每个轨道平面升交点的赤经相隔6 0 。，轨道平面相对于地球赤道面的倾角 为5 5 。，每根轨道上均匀分布4 颗卫星，相邻轨道之间的卫星要彼此分开3 0 。以 满足均匀覆盖的要求。g p s 卫星的平均高度约2 0 2 0 0 k m ，运行周期为1 1 h 5 8 m i n 。 因此，地球上同一地点的g p s 接收机的上空每天出现的g p s 卫星分布图形相同， 只是每天提前4 m i n 。位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点的不同变化，至 少应有4 颗，至多1 1 颗。 g p s 系统的地面监控部分由3 个部分组成：1 个主控站，3 个注入站和5 个监 测站，分布于地球的5 个地点。主要完成生成并发送导航电文信息、诊断地面设 备和空间设备的健康状况、调整卫星状态等功能。 g p s 系统的用户接收设备，即g p s 接收机，主要完成定位和导航功能的终端。 其基本结构如图2 - 2 所示： 图2 - 2g p s 接收机基本结构图 g p s 接收机主要由天线、信号处理单元、电池、显示装置和记录装置组成。 ( 1 ) 天线：天线及前置放大器，一般做在一起，要求灵敏度高和抗干扰能力 7 电子科技大学硕士学位论文 强。 ( 2 ) 信号处理单元：它是g p s 接收机的核心单元，由硬件和软件组成。它对 接收到的数字中频信号进行数字信号处理，包括g p s 扩频码的捕获，跟 踪，锁定，测量等功能。 ( 3 ) 记录装置：g p s 系统的内存硬盘或记录磁卡 ( 4 ) 控制显示单元：控制作业包括初始自检，接收机的三维坐标和三维速度 计算以及人机对话、根据输入航路进行自动导航、输入各种指令以计算 和控制屏幕显示。 ( 5 )电池：给g p s 接收机内各部分提供直流电源供给。 2 1 2g p s 卫星信号的构成 g p s 卫星发送的信号包含三部分内容：数据码d ( t ) ，测距码( c a 码、p 码) 和 载波( 厶和如) 。卫星将g p s 信号通过两种载波发射出去，两种载波频率如下所示； 燃爱：1 5 2 7 2 5 7 乏6 2 m h z 鎏嚣：尝芝蒜 似， 厶载波厶一 波长如- 2 4 4 2 厘米 、7 设g p s 接收机天线接收到g p s 卫星发送的厶频段的无线信号s ( o 可以表示 为： s o ) 一a d ( t ) p ( t ) c o s 2 a r ( l + 厶p + 妒】+ b d ( t ) c ( t ) s i n 2 口( l + 厶) f + 矿 + n ( 2 。2 ) 其中：a 为调制在载波上的p 码振幅；b 为调制在载波上的c a 码的振幅；d q ) 表 示卫星发射的导航电文信息数据；c ( o 表示卫星发射的c a 码数据；p ( f ) 表示卫星 发射的p 码数据；丘表示接收到卫星信号的载波频率；厶表示输入信号与本地参 考信号的频率之差，它是由本振偏差，卫星和g p s 接收机的相对运动引起的多普 勒频移等产生的；妒表示初始相位；n o ) 表示接收信号叠加的噪声。 g p s 信号中含有两种测距码，c a 码和p m 码，下面对这两种g p s 信号扩频 码进行一个简要的介绍。 ( 1 ) c a 码 g p s 卫星采用两种测距码。即c a 码和p 码f y 码) ，它们都是伪随机序列。 c a 码( c o a r s e a c q u i s i t i o n ) 用于分址、搜捕卫星信号和粗测距，c a 码是具有一定抗 干扰能力的明码，提供给民用。 8 第二章g p s 扩频码同步技术概论 g p s 的c a 码是戈尔德码，其序列长度为1 0 2 3 位。c a 速率为1 0 2 3 m h z ， c a 码的重复周期为i m s 。周期比较短，易于捕获。常常用c a 码捕获后获得的 导航电文提供的信息辅助进行p 码的捕获。c a 码通常被称为捕获码。c a 码由两 个1 0 级的移位寄存器相结合而产生的，并且在每周六子夜零点，在置1 信号作用 下处于全“1 ”状态。 ( 2 ) p 码 p 码主要应用于精测距、抗干扰及其保密性要求高的环境。美国国防部规定， p 码为军用码。 、p 码由两组各有两个1 2 级反馈移位寄存器结合产生的。每个1 2 级反馈移位寄 存器产生m 序列长度为4 0 9 5 ，采用截短的办法在两个长度为4 0 9 5 的m 序列中提 取互为素数长度的截短码。将两个截短码以模二加或波形相乘的办法生成乘积码， 对乘积码截短一个长度为1 5 s 的序列，用蜀，码元数为1 1 5 3 4 5 x 1 0 6 。利用同 样办法产生另一组序列置，码元数为2 - 1 5 3 4 5 x 1 0 + 3 7 利用序列五，j ，2 产 生乘积码，其码元数为一1 ，周期r 为2 6 6 4 天，约为3 8 周。 通过乘积码墨o ) 邑o + f x 岛) ，其中，气为码元宽度，i 为0 至3 6 中任意值， 可以产生3 7 种乘积码。截取乘积码中周期为1 星期的一段，可以得到3 7 种码字 不同的，周期( 7 天) 相同的p 码。产生p 码的原理图如图2 - 3 所示： 霎翟奎稳区巫卜1 滞 9 箔 呈 时 钟 源 移位f 图2 - 3p 码产生原理圈 由于p 码周期长( 7 天) ，无法采用直接对每个码元逐个依次搜索的办法。通常 是先捕获c a 码，然后根据导航电文中给出的有关信息捕获p 码。由于p 码信息 速率为1 0 2 3 m h z ，若码元的对齐精度为码元宽度的0 1 - 4 ) 0 1 ，产生的测距距误差 为0 2 9 砣9 3 m ，所以p 码可以用于较精密的定位，通常也称为精码。 9 募 电子科技大学硕士学位论文 2 2g p s 扩频码同步技术 扩频系统中，要实现接收机对接收信号正确的解调恢复出发送的信息，必须 实现系统的同步。扩频系统中的同步，主要是对扩频伪随机序列的捕获与跟踪， 它是实现对接收到的扩频信号正确解扩的前提。 捕获过程就是通过对本地码序列的产生进行控制，使得将延迟减d , n 码元宽 度以内，也称为码的粗同步过程。 在g p s ( 全球定位系统) 系统中，g p s 接收机接收到的卫星信号存在较大的传输 时延以及本地用户时钟源的精度不够高，收到的信号具有较大的时阀误差使得本 地p n 码搜索量的增大：终端与卫星的相对运动以及晶振的频率不稳定度会带来较 大的频偏。g p s 系统的扩频码的捕获就是对g i s 系统中扩频码在时间和频率上大 范围二维搜索的过程。 对c a 码的捕获，由于c a 码码速率比较低( 1 0 2 3 m b i t s ) ，