（通信与信息系统专业论文）gps信号捕获、跟踪算法研究.pdf

摘要 摘要 近年来，g p s ( 全球卫星定位系统) 已经不仅仅应用于军事，测绘，船舶航空 等专业领域，也开始进入人民大众的日常生活。不同的使用环境中，对g p s 接收 机性能的要求也存在差异。总的来说，只有定位精确，使用方便，低成本的产品 才能在民用市场中立足，所以越来越多的人开始g p s 接收机的相关研究。 g p s 接收机中包含r f 前端、信号捕获、信号跟踪、比特同步、子帧同步和导 航解算等模块。在g p s 接收相关技术中，g p s 基带信号的捕获与跟踪均为其核心 技术。信号捕获和跟踪技术的速度、灵敏度直接决定了g p s 接收机的性能。日益 复杂的城市环境使g p s 信号衰减严重，为了保证g p s 接收机能处理微弱的信号， 必须研究更加简单高效的信号捕获和跟踪技术。 本文从g p s 信号的仿真实现开始，对g p s 信号的捕获和跟踪等各个阶段的各 类现有算法进行了深入的分析评估。在g p s 信号的产生阶段，使用了基于n c o 设计与查表法两种g p s 信号产生算法，并且以此作为参考，展开捕获跟踪各算法 的研究。在g p s 信号的捕获阶段，分别介绍并且仿真实现了现有的主流捕获算法， 包括两种时域捕获算法和一种频域捕获算法。对其进行性能比较评估后，提出了 种新的相干与非相干积分相结合的适用于微弱信号的捕获算法。在g p s 信号的 跟踪阶段，同样对现有的算法进行了讨论分析，并且提出了一种适用于高速状态 下的跟踪算法。 本文所提出算法均进行了实际性能仿真，仿真结果表明，相干非相干积分结 合捕获算法与现有算法相比，捕获灵敏度能提高l o d b 以上，能捕获到3 3 d b 甚至更 低的信号。锁相环和锁频环结合跟踪算法在1 0 9 的加速度下仍然能跟踪到信号。 关键词：g p s 信号仿真，捕获，跟踪，相干非相干，p l l f l l a b s t r a c t a b s t r a c t a l t h o u g ho r i g i n a l l yd e v e l o p e df o rt h em i l i t a r y , t h eg p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) h a sp r o v e ni n v a l u a b l ef o ram u l t i t u d eo fc i v i l i a na p p l i c a t i o n s e a c ha p p l i c a t i o n d e m a n d ss p e c i f i cp e r f o r m a n c ef r o mt h eg p sr e c e i v e r , a n dt h ea s s o c i a t e dr e q u i r e m e n t s o f t e nv a r yw i d e l y t h ep u r s u i to fm a r k e t - a d m i t t e dg p sr e c e i v e r sw i t hh i g hp r e c i s ea n d l o w c o s tm a k em o r ep e o p l ed or e s e a r c ho ng p sr e c e i v e r s t h er e c e i v e ri sc o n s i s t e do fr ff r o n t - e n d ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，s i g n a lt r a c k i n g ，b i t s y n c h r o n i z a t i o n ，s u b f r a m es y n c h r o n i z a t i o na n dt h en a v i g a t i o ns o l u t i o nm o d u l e s s i g n a l a c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gi sc r i t i c a lf o rag p sr e c e i v e r , f o rm e i rs p e e da n ds e n s i t i v i t y d e c i d et h er e c e i v e rp e r f o r m a n c e s i n c et h ea b i l i t yo ft h eg p sr e c e i v e rt ow o r ku n d e r w e a ks i g n a la n dv a r i o u sd y n a m i cc o n d i t i o n si sr e q u i r e dn o w a d a y s ，s i g n a la c q u i s i t i o n a n dt r a c k i n ga l g o r i t h ms h o u l db em o d i f i e df o rh i d e rs e n s i t i v i t ya n dl e s sc o m p l i c a t e d t h ep a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s f i r s t , g p ss i g n a ls i m u l a t i o n g p ss i g n a li s s i m u l a t e db yn c ob a s e da l g o r i t h ma n dl o o k 一印t a b l em e t h o d ，w h i c hc a nb eu s e di n a l g o r i t h mv e r i f i c a t i o n s e c o n d ，s i g n a la c q u i s i t i o n an e wa c q u i s i t i o na l g o r i t h mw i t h h i g hs e n s i t i v i t yb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fc o h e r e n ta n dn o n c o h e r e n ti n t e g r a t i o ni s p r o p o s e d t h i si sf o l l o w e db yad e s c r i p t i o no ft h r e eo t h e ra l g o r i t h m s f i n a l l y , a f t e r a n a l y z i n gt h eg e n e r a lt r a c k i n gm e t h o d ，an e wm e t h o db a s e do np l l f l li si n t r o d u c e d a l la l g o r i t h m sa r ed e m o n s t r a t e du s i n gs i m u l a t e dg p ss i g n a l sa n dr e a lg p s s i g n a l s t h er e s u l t sh a v es h o w nt h ec o h e r e n t n o n - c o h e r e n ti n t e g r a t i o na c q u i s i t i o na l g o r i t h m s a b i l i t yt or e l i a b l yw o r kw i m3 3 d b h zs i g n a l s t h ep l l f l lt r a c k i n ga l g o r i t h m sa b i l i t y t or e l i a b l yw o r kw i t ha c c e l e r a t i o no v e r10 9 k e y w o r d s ：g p ss i g n a ls i m u l a t i o n ，a c q u i s i t i o n ，t r a c k i n g ，c o h e r e n t n o n c o h e r e n t i n t e g r a t i o n p l l f l l i i 图目录 图1 一l 图2 。1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 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4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图目录 g p s 系统的组成1 d s s s 调制过程8 g p s 信号结构图。8 c a 码产生器9 斜卫星c a 码的自相关1o 钟卫星与1 9 # 卫星c a 码的互相关。1 1 g p s 接收机结构1 3 捕获二维搜索流程图1 4 基本解调过程16 基本锁相环16 码跟踪环路( d l l ) 17 载波跟踪环路18 二阶数字环路滤波器2 0 数控振荡器( n c o ) 框图2 3 载波n c o 相位状态：2 4 s i n 信号量化过程2 5 n c o 复现s i n 信号2 6 n c o 仿真生成c a 码流程图。2 8 仿真生成g p s 数据的时域图3 0 仿真生成g p s 数据的频谱图3 0 加入噪声后的仿真数据3l c a 码的捕获与频率分析3 3 通过本地产生的c a 和射频码进行捕获3 5 相干积分增益4 0 非相干积分增益4 1 c a 码移位图示( 左移) 4 5 输入数据移位图示4 5 v 图目录 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 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 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 8 撑卫星输入数据与c a 码对齐( 输入数据移位) 4 6 8 卫星输入数据与c a 码对齐( 本地码移位) 4 6 仿真数据可视卫星捕获结果4 7 仿真数据不可视卫星捕获结果4 8 一个周期的相关值( 最大相关值所在频点) 4 8 真实数据捕获( 1 号卫星) 一5 0 真实数据捕获( 2 6 号卫星) 5 0 真实数据捕获( 31 号卫星) 5 1 不同相干积分和非相干积分组合的捕获结果5 2 码和载波跟踪环路5 5 交叉积自动频率控制环5 7 f l l p l l 结合工作流程5 8 一阶锁频环辅助二阶锁相环5 9 导航数据输出( 多普勒为7 0 0 h z ) 6 0 载波跟踪环路输出。6 0 码跟踪环路输出6 1 真实g p s 信号跟踪结果( 1 号卫星) 6 2 真实g p s 信号跟踪结果( 1 4 号卫星) 6 3 真实g p s 信号跟踪结果( 2 6 号卫星) 6 3 常规跟踪方法导航数据输出( 加速度1 0 9 ) 6 5 常规跟踪方法多普勒频率变化( 加速度10 9 ) 6 5 f l l p l l 结合跟踪方法导航数据输出( 加速度1 0 9 ) 6 6 f l l 腰l l 结合跟踪方法多普勒频率变化( 加速度10 9 ) 6 6 v i 表目录 表目录 表2 一lc a 码的互相关特性1 1 表2 2常用码环鉴相器17 表2 3常用载波环鉴相器1 9 表3 1载波n c o 相位和幅度映射( s i n ) 2 5 表4 1不同带宽的输入功率和s n 3 9 表4 - 2相干非相干积分参数组合4 2 表4 3不同方法捕获得到的c a 码初始相位4 5 表4 - 4真实g p s 信号中包含卫星号和信噪比4 9 表5 1c a 码初始相位的使用5 4 表5 2常用载波环鉴相器一5 6 表5 3真实g p s 数据的捕获结果6 1 v i l 缩略词表 g p s s p s p p s a d c f f t i f f t n c 0 t u m h o w u t c p r n d s s s c d m a m l s d l l p l l f l l d f t i 强 a f c 缩略词表 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m s t a n d a r dp o s i t i o n i n gs e r v i c e p r e c i s ep o s i t i o n i n gs e r v i c e a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l n u m e r i c a lc o n t r o l l c do s c i l l a t o r t e l e m e t r yw o r d h a n d o v e rw b r d c o o r d i n a t e du n i v e r s a lt i m e p s e u d o - r a n d o mn o i s e d i r e c t - s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s m a x i m u ml e n g t hs e q u e n c e d e l a y l o c k e dl o o p p h a s el o c k e dl o o p f r e q u e n c yl o c k e dl o o p d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o 强 r a d i of r e q u e n c y a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l v i i i 全球定位系统 标准定位服务 精密定位服务 模数转换器 快速傅立叶变换 快速傅里叶反变换 数控振荡器 遥感信号字 交接字 协调世界时 伪随机噪声 直接序列扩频 码分多址 最大长度序列 延迟锁相环 锁相环 锁频环 离散傅里叶变换 射频 自动频率控制 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工 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：盘盘日期：l 口年6 月毕日 论文使用授权 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) 签名雷借导师签名： 日期：例i 第一章绪论 1 1g p s 概述 第一章绪论 g p s i l j ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 是满足现今各方面需求的 新一代精密卫星定位系统。通过适当接收设备，全球范围内的用户都能获得g p s 系统提供的精确、连续的三维位置和速度信息。 全球定位系统的很多特点，如全球性、全天候、高精度等，都是许多其他定 位系统如陆基定位导航系统、惯性导航系统等所不具备的。这些特点使得全球定 位系统，也称卫星定位导航系统在军事领域被广泛地应用。 1 1 1g p s 系统的组成 g p s 系统由三大部分组成【2 】，包括空间星座部分、地面监控部分和用户设备部 分。g p s 系统的组成如图1 1 所示。 空间星座部分： 2 4 颗卫星提供星历和时间信息 发射伪距和载波信息 提供其他辅助信息 用户部分： 接收并观测卫星信号 记录和处理数据 提供导航定位信息 地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨 图卜1g p s 系统的组成 空间星座部分的2 4 颗卫星分布在6 个轨道平面上，每个平面上4 颗，用于发 射各种定位所需的信息。地面控制部分分布在全世界，形成一个地面控制监视网。 随时监测卫星的健康状态，并向卫星上加载导航数据和其他数据。用户部分负责 接收g p s 数据，对其进行处理，最终获得导航定位信息。 为了得到用户的位置，一般需要接收到4 颗卫星的信息来解算。但如果接收 电子科技大学硕士学位论文 机时钟已经和卫星时钟同步，便只需要3 颗卫星的距离值。 1 1 2g p s 的应用发展 g p s 提供两种服务：标准定位服务( s p s ) 和精密定位服务( p p s ) 。前者是民 用的，而后者是为美国核准的军方用户和选定的政府部门用户服务的。由于g p s 定位系统最初是为军方设计的，出于安全性考虑，限制了非特定用户的g p s 定位 精度。在g p s 系统中，使用了不同的编码方式来区分不同的定位精度。标准定位 服务( s p s ) 通过已公开的粗捕获码( c a 码) 来解调卫星发送的导航数据，其单 点定位精度约为2 0 4 0m 【3 1 。精密定位服务( p p s ) 通过加密码( w 码) 和精密( p 码) 解调卫星导航数据来进行定位，此种方式单点定位精度可以达到2 4m 。但是 非特许用户是无法获得w 码和p 码的。 g p s 于2 0 世纪8 0 年代末引入中国，目前主要应用于大地测量( 测绘、勘探) 、 海上渔业和车辆定位监控等领域【3 】。在全球g p s 应用领域中，车辆导航占据了最 大比重，目前约为总数的4 0 。我国现在拥有世界上最大潜力的卫星导航应用市 场。我国的卫星导航市场在近十多年间不断发展壮大，逐步形成了批量化用户群 体，已进入高速发展的时期。完全可以相信，卫星导航定位这个新兴的产业将带 来巨大的经济，军事、科技效益，成为新的经济增长点。 出于军事方面和市场方面的综合考虑，世界其他国家也在积极研究自己的定 位系统。在将来的几年中，将出现美国的g p s 系统，俄罗斯的g l o n a s s 定位系统， 欧洲的伽利略系统和中国的北斗区域定位系统共存的局面。 1 1 3 软件接收机简介 软件无线电【4 】【5 1 ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 的概念是由j e om i t o l a 在9 2 年首次 提出的。软件无线电的思想是接收机在尽可能接近天线的地方将输入信号转换为 数字信号，然后就可以通过数字信号处理来得到必要的信息。它是随着高速数字 信号处理技术的迅速发展而发展起来的。软件无线电在一个通用的硬件平台上， 通过软件编程实现各种功能。使用软件无线电后，要改变系统功能时只需要将软 件做一定的调整即可，不需要重新设计系统，尤其是硬件系统。软件无线电具有 极大的灵活性和适应性。 传统的g p s 接收机将所有功能均通过a s i c 芯片实现。虽然如今a s i c 芯片可 以做到速度高体积小，但是一旦产品设计成型便无法修改，如果采用新的算法则 2 第一章绪论 必须重新设计。这样使得评估算法的性能变得困难而且成本很高。 采用基于软件无线电概念的g p s 软件接收机能很好的解决上述问题。在g p s 软件接收机中，在靠近天线的地方就通过模数转换器( a d c ) 将输入信号量化， 然后用数字的方法处理。g p s 软件接收机具有以下优点：主要信号处理通过软件 方法实现，便于评估新的算法；硬件较少，升级时无需大量硬件更新，开发周期 短；在不改变硬件设计的情况下，能方便的开发新的算法。 1 2 国内外研究现状 卫星导航定位技术因为其在军事领域的重要应用，如今已成为关系国家安全 的重要战略资源；同时在民用领域也具有广阔的市场前景。越来越多的人开始g p s 接收机的相关研究。g p s 信号捕获、跟踪算法作为接收机中频信号处理的关键技 术，也越来越受到重视。 1 2 1g p s 信号的捕获 捕获的基本思想是对输入信号解扩，从而找出其载波频率。如果相位正确的 c a 码与输入信号相乘，输入信号会变成一个连续波信号，此时就可以通过f f t 操作找出频率。基本的捕获方法有传统捕获方法、快速傅里叶变换( f f t ) 方法和 延迟相乘方法。传统捕获方法是由硬件实现的。f f t 方法和传统捕获方法得到的 结果相同，但是运算量要小。延时相乘方法比f f t 方法的运行速度快，但性能要 j 上 i - - 差一用、o 当信号较弱时，通常通过相干积分和非相干积分两种方式来延长积分累加时 间获得高的信号增益【6 】。相干积分将相关结果直接累加，保留了相位信息。相干积 分中，累加操作增加了信号功率，但同时抵消了噪声，从而提高了信噪比；但是 相干积分时间受到了导航比特相位跳变和多普勒频域的限制。非相干积分累加技 术可以解决信号相位翻转对积分时间的限制。非相干积分是对相干积分的结果平 方后再进行二次累加，去除了相位信息，仅保留了幅度信息。但是非相干积分中 的取模运算对信号和噪声同时进行了平方，增益累加效果不如相干积分。 p s i a k i 提出一种块捕获方法用于微弱信号的捕获【7 】。对信号进行相干积分累 加，然后通过平方去除导航比特符号，再将平方后的数据累加。在捕获过程中要 保证数据中不包含导航比特翻转。捕获过程中使用f f t 和i f f t 进行块操作，提高 运算速度。该方法能捕获到信噪比为2 1 d b h z 的信号。 3 电子科技大学硕士学位论文 s h a u s h i u nj a n 等人提出，将两路及以上多路c a 码结合用于g p s 信号捕烈引。 该方法改变了常规快速傅里叶变换的步骤，从而缩短了捕获时间。此外，多路c a 码捕获可以与其他方法组合来同时完成g p s 信号的捕获。此方法能节省2 3 的捕 获时间，更快速的捕获信号。 m o h a m m a d h 等提出利用伪码差分相干积分实现g p s 信号捕获的方法【9 】。差 分相干是将当前时刻的相干累加值和前一时刻相干累加值的共轭相乘并求和。通 过分析扩频序列全周期相关与部分周期相关的差分相干积分可知，该方法的增益 改善可以达到5 d b 。同时与相干积分相比，差分处理使算法对导航比特的翻转不敏 感，降低了对于相干累加时间长度的限制。另外，差分相干捕获算法中相邻样点 的噪声共扼相乘，对噪声的放大相对较小，故性能优于非相干积分。 1 2 2g p s 信号的跟踪 通常使用两种跟踪方法。( 1 ) 常规跟踪环法：用常规锁相环、锁频环跟踪， 但是跟踪环是数字形式且跟踪用软件实现；( 2 ) 同步信号的块调制法：该方法只 需要产生一次c a 码，对于软件接收机来说能节省计算时间，但是对噪声有些敏 感，会损失灵敏度。 唐斌等提出基于模糊逻辑控制器的智能g p s 信号载波跟踪算法【l0 1 。算法中使 用了一种新的锁相环和锁频环结合方式，将两者的输出通过设计好的模糊逻辑控 制器，得到最终的跟踪环路调整控制量。该智能跟踪算法，能够缩短跟踪时间， 减少环路滤波器带宽，而且能消除周跳。对于存在7 0 h z 频率跳变的信号，普通环 路至少需要4 0 h z 噪声带宽才能完成跟踪，而且锁定时间较长，并发生周跳；但使 用该智能跟踪环路，则只需l o h z 噪声带宽就能在2 5 m s 内锁定，而且无周跳。 胡小平等通过提高环路滤波器的阶数，来设计适合高动态环境下使用的跟踪 环路【n 】。普通跟踪算法中，一般使用二阶环，二阶载波跟踪环路能满足低动态要 求。三阶载波跟踪环路能满足加速度为10 9 的高速环境要求。此外，载波环路也可 以采用二阶锁相环和三阶锁相环相结合的方式。 m a r kl p s i a k i ，h e ej u n g 提出基于扩展卡尔曼滤波技术的g p s 信号跟踪算法 【1 2 】【1 3 】。该算法中，根据码跟踪环相关值测量模型和载波环中载波相位动态模型建 立扩展卡尔曼滤波器方程。结合扩展卡尔曼滤波与贝叶斯估计，实现g p s 载波和 码跟踪。但是，在信号自相关函数的三角波峰点只采用了拟合手段来避免e k f 运 算过程中雅可比方程的非连续性，这会导致信号跟踪的误差。 4 第一章绪论 1 3 本文的研究内容以及组织结构 本文的主要工作就是仿真实现现有g p s 信号捕获、跟踪算法，评估各种算法 的性能，提出适用于现今复杂环境下的新的捕获、跟踪算法。此外还仿真生成g p s 信号，便于生成特定参数的信号，方便算法性能分析。 本文结构如下： 第二章介绍g p s 信号、捕获和跟踪的基本理论。包括：g p s 信号的结构、c a 码的特性、多普勒效应；g p s 信号捕获原理；g p s 信号跟踪原理和各跟踪环路设 计。 第三章介绍g p s 信号的仿真实现的两种方法：基于n c o 设计和查表法。 第四章研究g p s 信号捕获算法。仿真实现了三种现有捕获算法：两种基于时 域相关的算法和循环相关捕获算法。提出新的的适用于微弱信号的捕获算法：相 干与非相干积分相结合捕获算法。完成了各捕获算法的证明、仿真实验与结果分 析。 第五章研究g p s 信号捕获算法。分析多普勒频移对传统g p s 码跟踪、载波跟 踪环路的影响。提出一种锁相环和锁频环结合的跟踪环路。最后验证和对比两种 算法的跟踪性能。 第六章结论与展望，总结全文工作并给出今后工作的方向。 电子科技大学硕士学位论文 第二章g p s 信号与捕获、跟踪基本理论 g p s 接收机接收到g p s 信号后，就对其进行捕获和跟踪。了解g p s 信号的结 构、特性是g p s 信号仿真和捕获、跟踪算法研究的基础。在本章中，2 1 节首先介 绍了g p s 信号的结构，包括g p s 信号的组成和c a 码的相关特性等。2 2 节和2 3 节分别对捕获、跟踪的基本原理进行了详细分析。 2 1g p s 信号简介 2 1 1信号结构 g p s 信号由载波、导航数据电文和扩频码三部分组成【4 】。下面分别介绍g p s 信号的三大组成部分。 ( a ) 载波 g p s 卫星在主频率l 1 和次频率l 2 上发射导航信号。l 1 、l 2 的中心频率均与 1 0 2 3 m h z 时钟频率有关，如式( 2 1 ) 所示。 f 1 = 1 5 7 5 4 2 m h z = 1 5 4 1 0 2 3 m h z 。厂2 ：1 2 2 6 6 胞：1 2 0 x1 0 2 3 腑( 2 - 1 ) m _ ) 导航数据电文 扩频码信号上都调制了5 0 b p s 的导航数据电文f1 4 1 。这些数据由地面控制站向 卫星发送，再由卫星转发给地面用户，其中包含了卫星的各种运动参数以及卫星 健康状况，为用户计算每一颗可见卫星的精确位置和每一个导航信号的传输时间 提供了需要的信息。 g p s 接收电文数据为5 0 h z ，每个导航数据位长度为2 0 m s 。3 0 个数据位构成 一个字，每个字长度为6 0 0 m s 。1 0 个字构成一个子帧，每个子帧长度为6 s 。5 个 子帧构成页，每页长度为3 0 s 。2 5 页构成一个完整数据租，1 2 5 m i n 长，称为一个 超帧。 导航数据电文格式：每页分为5 个子帧，每个子帧包含不同的信息，但是每 个子帧3 0 0 b i t 分成1 0 个字，每个字3 0 b i t 。每个子帧的前两个字均为遥感信号字 6 第二章g p s 信号与捕获、跟踪基本理论 ( t l m ) 和交接字( h o w ) 。每个字最后6 b i t 均为奇偶校验码，通过一定的计算 方法对3 0 b i t 的字进行校验。 子帧1 包含星期数、用户测距精度、数据时钟的发布号、群的延迟差别估计、 卫星时钟修正参数和卫星的健康状态；子帧2 和子帧3 包含卫星的星历数据，这 些数据提供卫星的准确位置；子帧4 和子帧5 包含一些辅助数据，如g p s 与u t c 的时间差、用于修正由于电离层原因产生的测量误差的参数，以及1 2 4 号卫星的 历书数据。 ( c ) 扩频码 在c d m a 的多址方式中，多颗卫星能在同一载频上同时传送信号，此时需要 设计一个不同的p r n ( 伪随机噪声) 序列集合来区分不同的卫星。在g p s 系统中， 每颗卫星使用两个扩频码，即粗捕获码( c a 码) 和加密的精码( p ) 码) 。两种 扩频码提供不同的定位精度。 c a 码码速率为1 0 2 3 m h z ，码长为1 0 2 3 个码片，周期为l 毫秒，主瓣两个零 值之间的频谱宽度为2 0 4 6 m h z ，2 0 0 0 年5 月1 日开始对全世界公开。第2 1 2 节 将详细介绍c a 码的相关特性。 p ( y ) 码是加密码，仅供美国军方和政府使用。p ( y ) 由精码( p 码) 和加密码( w 码) 模- a n 得到： p o w = p ( 】，) ( 2 - 2 ) p 码码速率为1 0 2 3 m h z ，周期为2 3 0 1 7 5 5 5 5 秒，码长为2 3 5 1 0 4 个码片【1 5 】。 虽然p 码码长很长，要破译十分困难。但是美国军方还是担心一旦p 码被破译， 战争时敌方就会使用p 码调整一个错误的导航信息，导致定位错误。为了解决这 个问题，又特别引入加密码( w 码) ，增强了安全性。 在民用领域，用户无法获得p 码和w 码，主要通过c a 码来解调信号从而完 成定位。在c a 码解调信号过程中，由于伪随机码的互相关性很小，可以将p ( y ) 码当做噪声来处理。 g p s 信号由载波、导航数据电文( 所有卫星共有) 和扩频码( 每一颗卫星对 应一个独特的p r n 序列) 进行d s s s ( 直接序列扩频) 调制【1 6 】生成。d s s s 调制过 程如图2 1 所示。所有卫星以c d m a ( 码分多址) 的形式在相同的载波频率上发 射信号。 7 电子科技大学硕士学位论文 载波波形 数据 扩频码 u d s s s 调制后波形 图2 - id s s s 调制过程 目前，l 1 频率上有c a 码和p ( y ) 码信号，而l 2 频率上只有p ( y ) 码信号。g p s 信号结构图如图2 2 所示。 基本频率而 1 0 2 3 m l i z 二1 n tj ” lv 1r ! ，5 l 嘲5 _ 2 唧z c a 码p 码 i 0 2 3 m l l z 1 0 2 3 姗z 2 0 ll 2 p 码 1 2 2 7 6 i v 正i z1 0 2 3 姗z 图2 - 2g p s 信号结构图 在l 1 的频率上c a 码和p ( y ) 码信号的相位相互正交，则发射的g p s 信号 表达式为： 吒l ( f ) = ac ( t ) d ( t ) s i n ( 2 z f t + # ) + a p ( t ) d ( t ) c o s ( 2 z f t + ) ( 2 3 ) 式中，讫。是频率l 1 上的信号，彳是信号幅度，c ( f ) 表示c a 码，其频率为 1 0 2 3 m h z ，d ( t ) 表示导航数据，其频率为5 0 h z ，彳是载波l 1 的频率，是初始 相位。 第二章g p s 信号与捕获、跟踪基本理论 2 1 2c a 码相关特性 g p s 信号是淹没在噪声信号当中的。为了在强噪声中检测到弱的g p s 信号， 要求弱的g p s 信号的自相关峰值必须比噪声信号的互相关峰值大。c a 码具有高 自相关峰值和低互相关峰值，这一相关特性很好的解决了前面的问题。 2 1 - 2 1c ，a 码的产生 g p s 系统中使用的c a 码信号属于伪随机噪声( p i 淤，p s e u d o - r a n d o mn o i s e ) 码系列。图2 3 为c a 码产生器。图中g 1 和g 2 是两个最大长度为1 0 的线性移 位寄存器，均由1 0 2 3 m h z 的时钟驱动。在g l 生成器中，其输出为该移位寄存器 的最大长度序列( m l s ) 输出。在g 2 生成器中，将移位寄存器某两个位的输出值 经过模2 加法器后得到最终g 2 的输出。卫星表示号( d ) 由g 2 产生器的两个输 出位置来决定。最后，将g 1 和g 2 的输出经过模2 加法器后产生c a 码。 初始状态下，两个移位寄存器g 1 和g 2 的值是全部置为“1 。 g 2 生成器 图2 - 3c a 码产生器 2 1 2 2 自相关和互相关特性 ( a ) c a 的自相关特性 当c a 码对齐的时候，自相关值最大；但当c a 码间存在相对位移时，自相 9 电子科技大学硕士学位论文 关值几乎为零。这一特性可以方便的找出两c a 码完全对齐的情况。卫星尼的自 相关特性如公式( 2 - 4 ) 所示。 1 0 2 2 r k k ( 棚) = q ( ，b ( ，+ 聊) of o r l m l _ l ( 2 - 4 ) = 0 上式中，g 为卫星尼的c a 码，m 为相对位移。可以看出，只有当m = 0 ，即 两c a 码完全对齐时，才有较大的自相关值。 ( b ) c a 的互相关特性 各c a 码信号接近正交，所以c a 码几乎和其他c a 码不相关，互相关值几 乎为零。对于卫星f 和卫星k ，其互相关特性如公式( 2 5 ) 所示。 1 0 2 2 ( m ) = c f ( ，k ( 1 + m ) o 1 = 0 ( 2 5 ) 图2 - 4 中给出了4 j f i 卫星c a 码的自相关值。图2 5 中给出了甜卫星和1 9 # 卫 星的c a 码互相关特性。可以看出只有在c a 码完全对齐时，才有很大的相关值， 而且不同c a 码之间的互相关值很小。 划 ：撒 罂 皿 图2 - 44 # 卫星c 码的自相关 1 0 第二章g p s 信号与捕获、跟踪基本理论 j 粤 牟k 罢 图2 54 # 卫星与1 9 # 卫星c a 码的互相关 图2 4 中自相关的峰值为 。础= 2 “一1 = 1 0 2 3 ( 2 6 ) 其中，n 为移位寄存器的长度，在c a 码产生过程中，移位寄存器长度为1 0 。 剩下的自相关值满足： 川2 棚7 2 + 1 = 6 5 ( 2 7 ) 图2 5 中的各互相关峰值同样满足式( 2 7 ) 。此时得到互相关值及各值出现的 概率如表2 1 所示。 表2 1c a 码的互相关特性 互相关值值出现的概率 6 50 1 2 5 码周期长度：1 0 2 3 1 o 7 5 6 3 0 1 2 5 可以看出，c a 的互相关取值只有一6 5 ，一1 和6 3 。这些值远小于自相关值1 0 2 3 。 电子科技大学硕士学位论文 由此证明了c a 码具有高自相关峰值和低互相关峰值。 2 1 3 多普勒效应 石：选( 2 8 ) 厶，：趣：1 5 7 5 4 2 x 1 0 6x 9 2 9 4 9 尼舷 ：盈c ：訾3 x l o s 以2 勉 ( 2 9 ) cj x l u 。 2 2g p s 信号捕获基本理论 在介绍g p s 信号捕获理论之前，首先介绍g p s 接收机的结构，如图2 - 6 所示。 g p s 接收机由三部分组成【1 r l ：r f 前端，基带信号处理和导航解算。随着软件接收 机概念的普及，如今后面两部分均采用软件方式解决。本文中研究的g p s 信号捕 获和跟踪属于基带信号处理部分，其作用是：将r f 前端转换得到的数字信号，使 用软件方式进行处理，获得后续导航比特解算和确定用户位置所需要的各参数。 信号捕获用来检测信号的存在，信号跟踪则用来进行信息解码。 1 2 第二章g p s 信号与捕获、跟踪基本理论 i 一一一一一一一一i 岫冽i i 基带信号处理 i l 曰 牛 子帧识别 导航解算 软件( 基带信号处理、导航解算) 图2 - 6g p s 接收机结构 2 2 1g p s 信号捕获原理 当捕获程序检测到g p s 卫星信号存在后，必须得到两个重要参数，传送给跟 踪程序使用。这两个参数为：c a 码周期的起始位置和信号的载波频率。所以g p s 信号捕获就是在频率和c a 码方向上进行二维搜索得到粗略的载波频率和码相位 的过程。 接收到的g p s 信号s 是所有n 颗可视卫星信号的集合，如式( 2 1 0 ) 所示： s ( f ) = s 。( f ) + s ：( f ) + + s 。( t )( 2 1 0 ) 当捕获卫星k 时，输入信号j 乘以本地产出的卫星k 的c a 码。不同c a 码之 间的互相关值几乎为零，经过上述步骤后，其他卫星的信号基本上被除去，只剩 下卫星k 的信号。但是考虑到只有c a 码完全对齐时，才会有大的相关值。为了 避免卫星k 的信号也被除去，需要保证本地产生的卫星k 的c a 码具有正确的码相 位。 与本地生成的码信号相乘之后，接收到的信号还需要乘以一个本地生成的载 波信号，来剥离g p s 信号中的载波。为了有效剥离载波，必须保证本地生成的载 波信号和g p s 信号中的载波频率相同。前面提到，由于多普勒效应，真实的载波 信号会在给定频率的+ 1 0 k h z 范围内变化，必须搜索这2 0 k h z 频率范围，从而得到 准确的载波频率。 捕获二维搜索的流程图如图2 7 所示。先固定载波频率，检测最大积分值和 与之对应的码相位：与捕获门限做比较，如果积分结果大于门限值则认为捕获成 1 3 电子科技大学硕士学位论文 功，如果积分结果没有达到门限值，则按照一定的步进值和变化方式调整载波， 重新进行码相位搜索。最终得到符合条件的载波频率和码相位，完成g p s 信号捕 获。 图2 - 7 捕获二维搜索流程图 2 2 2g p s 信号捕获时的考虑 2 2 - 2 1 捕获时的最大数据长度 捕获时使用的数据越长，信噪比越高。但是使用长数据，增加了计算复杂度， 延长了捕获时间。所以在捕获信号的时候，需要选择合适的数据长度。但有两个 因素限制着捕获时所用数据的长度：个是捕获数据中是否含有导航比特相位跳 变，另一个是c a 码的多普勒效应。 如果导航数据有跳变的话，输出不为连续波，频谱会扩展，从而使捕获结果 变差。所以要避免在捕获数据中出现导航比特跳变。捕获时可用的最长数据为 1 4 第二章g p s 信号与捕获、跟踪基本理论 1 0 m s ，因为导航比特数据每2 0 m s 可能存在相位跳变，连续两组1 0 m s 数据中肯定 只有一组存在相位跳变。为了保证捕获数据中不含有相位跳变，通常需要用两组 连续的数据来捕获。 而c a 码的多普勒效应对捕获数据长度的限制相对较小。一般来说，捕获时 候选择的最长数据为1 0 m s 。 2 2 2 2 捕获时的频率步进 捕获时要考虑的一个重要参数是捕获中剥离载波所需的本地产生信号的频 率。前面提到过，需要搜索的多普勒频率范围是卜1 0 k - z ，+ 1 0 k - z 】，选择怎样的