（通信与信息系统专业论文）gps传感器及配套检测设备的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 f 全球定位系统( g f s ) 以其全球覆盖、全天候、全天时实时提供高精度的三维位 置、三维速度和时间等信息的能力，从根本上解决了人类导航和定位问题，g p s 接 收扒已成为一种先进的定位导航设备。7 一 本论文阐述了g p s 系统及其接收机的系统组成以及工作原理，重点论述了课题 中抄研制的g p s 传感器的设计方案，软、硬件的设计方法等，详细介绍了g 巾s o e m 板群嗽、硬件的组成，以及利用单片机对g p s 0 e m 板原始数据进行处理的技巧和 方涠：等。这些对研究g p s 定位及其在综合导航中的应用，以及对g p s o e m 板二次 开先的研究都是非常有用的。 本课题的研制经历了一个从系统设计、硬件配置、软件编制到系统调试的完整 过朽，样机已达到设计要求。该传感器具有结构简单、轻便；数据处理灵活、方便 等特点，具有很好的可编程性。 关铡：词：全球定位系统g p s 传感器单片机数字信号处理 g p s 传感器及配套检测设备的研制 a b s t r a c t g p si st h em o s ta d v a n c e dr a d i on a v i g a t i o ns y s t e mw h i c hw a sd e v e l o p e db yt h eus d e p t r t m e n to fd e f e n c e t h es y s t e mc a no p e r a t eu n d e ra l lw e a t h e rc o n d i t i o n s ，2 4h o u r sa d a y , a n y w h e r eo ne a r t h ，a n dc a np r o v i d el a n d ，m a r i n ea n da i r b o r n eu s e rw i t hc o n t i n u o u s h i g h 【ya c c u r a t e ，t h r e e d i m e n s i o n a lp o s i t o n ，v e l o c i t y , t i m ed a t ae t c n o wg p s r e c e i v e r s ，a s at y ) eo fa d v a n c e de q u i p m e n to nn a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n g ，h a v eb e e nu s e di n m a n y f i e l d si na l m o s te v e r yg o n e ro f t h ew o r l d t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fa s p e c i a lg p sr e c e i v e r , w h i c hc o r ei s j u p i ：e ro e m b o a r da n ds i n g l e c h i pp r o c e s s o r t h ed e s i g np r o j e c to ft h eg p sr e c e i v e ra n d t h e t e s i g nm e t h o do fh a r d w a r ea n ds o t t w a r ea r ep r e s e n t e di nd e t a i l ，a n dt h ec o n s i s t so f g p ss y s t e ma n dt h e c o m p o s i t i o na n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e o ft h eg p sr e c e i v e ra r e d i s c q s s e di nt h et h e s i s s o m em e s s a g ed e s c r i b e di nt h et h e s i s ，s u c ha st h eb a s i cs t r u c t u r eo f g p s o e m ，t h ec o n s i s t so f p o s i t i o n i n gs y s t e m , t h eb i n a r yf o r m a to f a l m a n a ca n de p h e m e r i s ， t h en e t h o da n dt h es k i l lo f p r o c e s s i n go r i g n a ld a t at h r o u g hs i n g l e c h i p ，a n ds oo n ，i sv e r y u s e fdf o rs t u d y i n gg p sa n di t sa p p l i c a t i o n si ni n t e g r a t e dn a v i g a t i o n ，a n dr e d e v e l o p m e n t o n ( 沪s o e m i nt h ew h o l ec o u r s eo ft h er e s e a r c h ，ih a v ec a r r i e do u tn o to n l yt h ed e s i g no f s y s t e m ， h a r d w a r ea n ds o t t w a r e ，b u ta l s ot h e d e b u go fs y s t e m t h es a m p l em a c h i n eh a sb e e n c h e ck e da n da c c e p t e dt h eg p sr e c e i v e ri s s i m p l ea n dg e n e r a li ns t r u c t u r e ，d e x t e r i ta n d f a s ti np r o c e s s i n gs i g n a ld a t aa n dc o n v e n i e n c ef o r p r o g r a m m i n g k e yw o r d s ：g p s g p s r e c e i v e r s i n g l e c h i pd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 南京航空航天大学硕士学位论文 1 ，1 课题研究目的 第一章绪论 g p s 是英文g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ( 全球定位系统) 的字头缩写简称。它的含义是， 利_ 耳导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。 g p s 系统是由美国国防部出资几百亿美元开发的一种最新的无线电导航系统， 该i 统具有高精度、全天候、全球覆盖能力，正在和即将取代所有的其它无线电导 航豸，统。g p s 系统自问世以来，已充分显示了其在无线电导航、定位领域的霸主地 位。美国及其盟国的军方依靠小小的g p s 接收机在海湾战争中以极小的代价、极短 的f = ：间赢得了巨大的胜利。许多民用领域也由于g p s 的出现而产生了革命性的变化。 目酊，g p s 不仅在美国及其盟国的军队中广泛应用于导航、定位，几乎全世界所有 需瑶导航、定位的用户，都被g p s 的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和优质 廉彰所吸引。g p s 从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种 不障f 用户的需要。 我国的g p s 应用发展势头迅猛，在过去的短短几年，g p s 在我国的应用己从少 数 。研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域。 g p s 作为一种高精度的全球三维实时导航技术，其g p s 接收机( 传感器) 则已 成i 一种先进的导航设备。然而，国外具有军品指标的g p s 传感器对我国是禁运的， 指标相近的g p s 传感器产品( 如t r i m b l e 公司的t n s i i 产品) 价格相当昂贵( 价格 大j1 0 0 0 美元) ，再之，美国的情报部门通过代理商跟踪这些产品的去向和运用场 合，所以我国的航天航空的军品重要场合都基本采用自研产品。国内g p s 传感器的 成纠一开发与运用在我校无人机所某型无人侦察机中属于国内首次，在9 8 年底召开的 技井鉴定会上获得了良好的评价，填补了国内的空白。但现在总结起来看，该g p s 传癌器尚存在许多不足和待改进的地方，如帧结构的可编程性、信号输出的检测性 显厅、抗干扰性能等。 诸如以上一些情况，我这次的毕业课题就是要在前期研制的基础上，针对存在 的刁：足进行改进与提高，最终实现研制成新一代无人机专用的g p s 传感器正式产品 的e 标，并在该型或其它型号无人机上获得使用。同时也可在其它民用领域中推广 使月。 本论文将简单阐述g p s 定位系统的有关理论，重点论述g p s 传感器及专用检测 软们的研制过程和研制成果。 g p s 传感器及配套检测设备的研制 1 2g p s 的组成 g p s 包括下列三大部分： t 1 ) 空间部分( g p s 卫星) ； ( 2 ) 地面监控部分( 地面支撑系统) ； ( 3 ) 用户设备部分( g p s 接收机) 。 这三部分的简要关系如图1 1 所示。下面将简要介绍这三部分。 图1 1g p s 系统示意图 一、空间部分 g p s 系统空间部分由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成。卫星分布在互成 6 0 ”的6 个轨道平面上，卫星轨道面相对于地球赤道面的倾角为5 5 。每个轨道面 上前设4 颗卫星，彼此相距1 2 0 。，从一个轨道面的卫星到下一个轨道面的卫星间 错动4 0 。卫星的运行轨道长半轴为2 6 6 0 9 k m ，倾角为5 5 。，轨道高度约2 0 2 0 0 k m 。 g p s 卫星的基本功能是： ( 1 ) 接收和储存来自地面监控站的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。 ( 2 ) 通过星载的高精度铯钟和铷钟提高精密的时间标准。 ( 3 ) 卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作。 ( 4 3 向用户发送导航与定位信息。 ( 5 ) 在地面监空站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 二、地面监控部分 工作卫星的地面支撑系统包括1 个主控站、3 个注入站和5 个监控站。主控站位 于母罗拉多的斯平士( c o l o r a d os p i n g s ) 的联合空间执行中一t l , ( c s o c ) ，三个注入 站z 别设在大西洋、印度洋和太平洋美国军事基地上，即大西洋的阿森松( a s e n s i o n ) 岛、印度洋的狭哥伽西亚( d i e g oc r a r c i a ) 和太平洋的卡瓦加兰( k w a j a l e i n ) ， 五 个描测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 主控站除了协调和管理所有地面监控系统的工作，主要完成下列功能： ( 1 ) 采集数据：主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气 象礓素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据以及海军水面兵器中 心为：来的参考星历。 ( 2 ) 编辑电文；根据采集到的全部数据计算出每一颗卫星的星历，时钟改正数、 状志数据以及大气改正数，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。 ( 3 ) 诊断工能：对整个地面支撑系统的协调工作进行诊断；对卫星的健康状态 进 ：诊断，并加以编码向用户指示。 ( 4 ) 调整卫星：根据所测的卫星参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其发挥 正霄作用。而且还可以进行卫星调度，用备份卫星取代失效的工作卫星。 主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，地面注入站的主要 设& 包括一台直径为36 m 的天线、一台c 波段发射机和一台计算机。其主要任务 是朽：主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控 制拱令等注入到相应卫星的储存系统，并监测注入信息的正确性。然后由g p s 卫星 将辽些信息发送给广大用户，这就是所用的广播星历。 监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。每个监 测纠配有g p s 接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6 秒进行一次伪距 测鸯：和积分多普勒观测，采用气象要素等数据。五个监测站分布在美国本土和大西 洋群美军基地上，保证了全球g p s 定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数 据扦成了g p s 卫星实时发布的广播星历。 三、用户设备部分 用户设备部分对用户来说是至关重要的。空间部分和地面监控部分，是用户广 泛_ 立用系统进行导航和定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用g p s 导所。和定位的目的。 用户设备的主要任务是接收g p s 卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信 息月参数，经过数据处理，完成导航和定位的工作。它主要由g p s 接收机硬件、数 据处理软件以及微处理机和其终端设备组成，g p s 接收机的硬件一般包括主机、天 线荆电源。 根据g p s 用户的不同要求，所需的接收机设备各异。随着g p s 定位技术的迅速 发愿和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的g p s 接【1 5 机及相应的数据处理软件。 本课题所研制的g p s 传感器就属于某类的g p s 接收机。下面就有关g p s 接收 机f f i 组成及原理作些介绍。 g p s 传感器及配套检测设备的研制 1 3g p s 接收机及其工作原理 1 31g p s 接收机概述 g p s 接收机是用户设备的核心部分。g p s 接收机作为一个系统，可分为硬件部 分和软件部分。硬件部分包括接收机、天线和电源等硬件设备。软件包括内软件和 外轳件，内软件是与接收机融为一体的控制接收机信号、对卫星信号进行测量，以 及自动超作的程序等：外软件指观测数据后处理的软件系统。 接收机的种类很多，可以按不同的要求进行分类，但各类接收机的结构基本一 致，、可分为天线单元和接收单元两部分，如图1 2 。下面对其主要功能作简要介绍。 1 天线单元 它是由接收天线和前置放大器组成。目前，接收机采用的天线有：定向天线、 偶柑子天线、微带天线、一( 二、四) 线螺旋天线、圆锥螺旋天线等。这些天线各 有利弊，各有特点，可根据需要选用。前置放大器是一种关键性元件，它直接影响 着信噪比。因此要求它具有噪声系数小、增益高和动态范围大的特点。 、7 变频器 信号通道 1 r 一d ( t )i - - - - 前置放大器 叫颂率变换器卜+ 。 信号 _ 存 jl 解扩 刊伪码测量 - - 贮 显 天线单元 解调器 r j _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ r 一卜一_ 一一 _ 斗 载波 l 不 l 频率综合 相位测量 1 _ 1 i 器 电源b t 一 一c ，a 码 p 码 控 l i 制 叫c p u 卜 l 基准频率i 发生器 发生器信 接收单元 图1 - 2g p s 接收机的基本构成 数据输出、输入 2 接收单元 ( 1 ) 信号通道单元：它的主要功能是接收来自天线单元的信号，经过变频、放大、 滤谢：等一系列处理过程，实现对g p s 信号的跟踪、锁定、测量、提供出计算位置的 数掳信息。根据需要，可设计成1 一v 1 2 通道，供任意选择。 南京航空航天大学硕士学位论文 通道由硬件和软件组成。每一个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星。当此卫星 被铡定后，便占据这通道，直到此卫星信号失锁为止。现代技术的发展，并行多 通l l ：技术已经成功应用于各种类型的接收机。同时相关型通道也广泛应用于现代的 g p s 接收机中。 ( 2 ) 贮存单元：为了差分定位和相对定位事后处理的要求，一些接收机能将实时 定住的各种数据、原始观测量以及结果贮存下来，供事后处理用。 ( 3 ) 计算和显示控制单元：它的功能是：工作开始的自检；根据采集到的卫 星压历、伪距观测值计算三维坐标和速度；人机对话，输入航路进自动导航。输 入 星高度截止角、历元间隔以及其他指令，以计算和更新位置。输入各种指令， 以控制屏幕显示等。 ( 4 ) 电源：g p s 接收机采用直流供电。可以将镉镍蓄电池装入机内，也可以外接 蓄 池，专门为机内时钟供电，或者为r a m 存贮器供电，以保汪在关机时保留贮 储翌据。 1 32g p s 接收机工作原理 接收机对卫星信号的处理、测量都是在其信号通道中实现的，因此接收机的工 作腻理与信号通道的工作原理是一致的。下面以码相关型通道的工作方式为例，来 阐遗接收机的基本工作原理。 0 混频器函倍频器 图l - 3 码相关型通道示意图 g p s 传感器及配套检测设备的研制 以码相关技术为依据，处理和测量卫星信号的通道，称为码相关型通道，如图1 3 所小。其数学分析过程可见第二章中有关相关接收部分。 该通道主要由码跟踪回路和载波跟踪回路组成。码跟踪回路从c a 码或p 码中 提屿伪距观测量，同时对卫星信号进行解调，以获取导航电文和载波。伪随机噪声 码ip r n ) 发生器在接收机时钟的控制下，可以产生一个与卫星发射的测距码结构 完i 冲目同的码，即复制码。在相关器中对接收到的卫星测距码和接收机的复制码进 行州关分析，当两信号之间达到最大相关时，便可测定出两信号间的时间延迟，即 卫詹发射的码信号到达接收机天线的传播时间。 当两信号达到最大相关时，称为锁定信号。此时，如果把卫星信号和复制码混 频，并将混频后的信号通过带通滤波器滤去卫星信号中的伪随即噪声码，便可获得 只乒有数据码( 导航电文) 和载波的信号。 载波跟踪回路的主要作用是，当去掉伪随机噪声码的卫星信号进入该回路后， 进j ：载波相位测量，解调出卫星的导航电文。它利用压控振荡器时接收机振荡器所 产生的参考载波相位与接收机的载波相位保持一致，当两信号的相位保持一致时， 载渊跟踪回路便锁住了载波信号，这时通过对载波信号的测量，进一步获得对载波 相任的观测量。 卫星载波相位被锁定后，再将其与参考载波信号混频，通过低通滤波器去掉高 频信号，就能获得导航电文。 码相关通道既可进行伪距测量，又可进行载波相位测量，并能获得导航电文， 信畴比也较好，因此目前接收机普遍采用这种通道。但它必须掌握伪随机码的结构， 接【b 机才能复制以产生复制码，由于美国政府对p 码的保密政策，一般用户无法采 用弛相关技术获得l ：载波的观测值，因此不能通过双频技术来减弱电离层折射的影 响。此时，为了获得l ：载波的相位观测量可利用平方技术。有关这方面的原理可参 考难关理论书籍，这里限于篇幅，故不作阐述。 新型的g p s 接收机综合了相关技术和平方技术，可以提供多种导航和定位信息 等 1 4 课题研究内容与成果 本课题来源于南京航空航天大学无人机研究所某型无人机型号的研制任务。 本课题的研制也可以说是对o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 板的二次 开弦a 我们知道，伴随着g p s 技术在各个领域的推广和普及及应用，g p s 接收机的 小i 化o e m 产品，以其优良的性能，轻便灵巧，易于开发的特点，受到人们越来 越j 3 泛的关注和青睐。将o e m 板与计算机通信技术相结合，利用它输出处理的数 - 6 - 南京航空航天大学硕士学位论文 据伊息，配置以相应的用户终端( 如图l - 4 ) ，即可方便、自主地开发出各种g p s 应 用； 统，以差分或非差分的方式广泛应用于导航定位、精密授时、大地测量、电子 地旧、交通运输、城市管理等各个领域。 本课题的研究任务是在g p s - - o e m 扳的基础上增加信号处理电路、电平转换电 路、接口电路和电源电路。信号处理电路主要用来对o e m 板的原始数据进行二次处 理，可采用单片机或d s p 完成。电平转换和接口电路是完成n t 电平和r s 2 3 2 c 标 准转换，以协调电器规范不一致的通信问题，这一部分可由专用的接口芯片完成。 电涯电路采用开关型电源电路，用来完成直流电压的转换，达到适应机载2 7 v 直流 供【1 标准。这三部分电路集于块电路板，与o e m 板通过特定的接口相衔接，并 设一轻小结构组成一g p s 传感器产品。具体的方框图如图1 4 。最后还要通过军 品忙+ 行测试，以达到军品性能指标要求。同时自编信号处理系统电路的信号处理软 件月w i n d o w s 界面下的专用检测软件，并与计算机或手提电脑组成专用的g p s 传 感器检测设备。 本课题的研究除了要能根据用户的需要，按一定的帧格式、数据类型、传输速 率q - 输出用户所需要的定位、导航数据外；同时在正式产品的电路研制中还要重点 考l 到产品的可靠性、产品的电磁兼容性以及产品的小型、轻型化等。 本课题的具体研究包括硬件的设计、制作和软件的编制、调试等。在撰写论文 的乌天，样品已通过论证和验收。结果表明，产品的设计和制作完全符合任务要求。 图1 - 4g p s 传感器的方框图 g p s 传感器及配套检测设备的研制 第二章g p s 信号及其定位原理 2 1g p s 信号的构成 g p s 卫星信号包含有三种信号分量：载波、测距码和数据码。时钟频率选用 i 023 m i - i z ，利用频率综合器产生所需要的频率。g p s 信号的产生如图2 一l 所示。 图2 - 1g p s 信号的产生 g p s 使用l 波段，配有两种载频： l l 载波： l = 1 5 4 兀= 1 5 7 54 2 m h z ，波长 = 1 9 0 3c m ， l 2 载波：五2 = 1 2 0 x f o = 1 2 2 76 m i - z ，波长 = 2 44 2c m 。 两载频之间间隔为3 4 78 2 m h z 等于l ：的2 83 。所以选择这两个载频，目的 在f 测出或消除掉由于电离层效应而引起的延迟误差。 在l ，载频上由数据流和两种伪随机码分别同相和正交方式进行调制，其信号结 构， ： s l l ( t ) = a p 只( t ) d ，( t ) c o s ( c o u f + 1 ) + a c c ，( f ) d ( t ) s i n ( c o l ，+ 庐1 ) ( 2 11 ) 在l 载频上，只有p 码避行观榴调制，其信号结构为： s l 2 ( t ) = b p 只( t ) d ，( t ) c o s ( c o l 2 t + 欢) ( 2i2 ) 式t f ：a ，b ，a 。分别为p 码和c a 码的振幅； f ( f ) ，c 印) 分别为精码和粗码； 南京航空航天大学硕士学位论文 d ，( 1 ) 为数据流： 脚。为载波l ，和k 的角频率 ，为信号的起始相位。 大家知道，在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都将频率较低的信号 加秽：在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载频携带着有用的信号传送出去， 到砭用户接收机。 g p s 卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上的，此技术称为p s k 。 调；5 陌马的幅值只取0 或l 。如果当码值取0 时，对应码状态取+ l ，而码值取1 时， 对应的码状态为一l ，那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。当载波 与t i , - - 一状态十l 相乘时，其相位不变，而当与码状态一l 相乘时，其相位改变1 8 0 。所 以、! 码值从0 变到1 或从1 变到0 时，都将使载波相位改变1 8 0 。这时载波信号 实j 9 了调制码的相位调制。 恨据这一原理，g p s 中的三种信号将按图2 2 的线路进行合成，然后向全球发 射，形成今天随时都可以接收的g p s 信号。从图上看出，卫星发射的所有信号分量 都； 同一基本频率兀( a 点) 产生的，其中包括：载波l 1 ( b 点) 、l ：( c 点) 、粗 测 f 码c a ( d 点) 、精测距码( f 点) 和数据码( g 点) 。经卫星发射天线( h 点) 发孵出去。发射的信号分量包括：l ，一c a 码( j 点) 、l 一p 信号( k 点) 、l 一p 信j ( l 点) 。 以上介绍了g p s 卫星信号的产生和构成。下面几节将叙述其特征和详细结构。 0 模2 相加殴混频器田加法器 图2 - 2g p s 卫星信号构成图 g p s 传感器及配套检测设备的研制 2 2 扩频技术和相关接收 根椐国际无线电咨询委员会和国际电信联盟的规定，所有空间上的卫星信号在 到j f 地面时产生的最大通量密度不得超过1 5 4 d b w ，以适应空中太阳能供电的限制 和艰免对地面接收的相互干扰。为此g p s 信号的强度为： l 波段，对c a 码为。1 5 5 d b w ， 对p 码为1 5 8 d b w ， l ，波段，对p 码为1 5 8 d b w 。 这一信号强度是一种什么样的概念昵? 让我们举例说明。经测试，在我们周围 环境中充满着各种各样的噪声，它的强度为1 3 6 d b w 。这就是说，所有信号均淹没 在n ；声之中。为了获取此微弱信号，所有通信、遥感、气象、海洋、军事、电视等 等 星工作站，均采用大型或超大型抛物面天线，接收其卫星信星并使其聚焦，以 提- ：；j 其信号的强度，使其大大超过环境噪声电平，然后按照通常的方法进行放大、 变规! 、接收和处理。但是，在g p s 导航中，成千上万的用户在全球上任何地方应用 着，不可能设想每一个用户都装配大型抛物面接收天线，必须设计出一种新型技术 来解决这一问题。此外，在g p s 导航卫星中，所有2 4 颗卫星都使用相同的载频， 因j q 无法象电视、广播电台和无线通信台那样，利用不同的频道接收所需信号。实 际_ 是，同一个频道能同时接收能见到的4 8 颗卫星信号。这就是说，要采取措施 区乞开同时进入的卫星信号。这又是在g p s 接收机中必须解决的另一问题。这两个 问膻相互关联的。在g p s 中采用了扩频调制和相关接收这两项新技术来解决这两 个阳题。 一、扩频技术 扩频技术实际上是一种相关接收的宽带技术。发射信号由数据码、伪随机码湖0 距) 调制的载波信号，因此发射信号的带宽远远大于数据码的带宽。此发射信号到 达挣收机以后，利用相关检测技术，将有用信号取出。由于在扩频调制时，已将信 号和噪声的频谱同时扩宽，所以在接收机内进行相关，即利用窄带滤波器将干扰信 号睁掉。这一技术已经广泛应用于现代通信中，以完成信噪比远小于l 时的微弱信 号接收。 根据信息通信的香农公式，信息容量为： c = 胁s ：( i + 万s ) z ， 式；f ，( ? 为信息容量，相当于信息速率( b i t s ) ，b 为信道带宽，为噪声功率，j 为 信皇功率。 从式( 2 2 1 ) 看出，如果信噪比较高时( 大于1 ) ，带宽可以窄一些，仍然可以保持 接【b ：到足够的信息量。但是，如果噪声比远小于l 时，只有增加带宽，才能获得足 南京航空航天大学硕士学位论文 够旧信息容量。 盔g p s 中，扩频码，即由伪随机码构成的测距码，分为c a 码和p 码。这种伪 随村。码作为扩频信号具有很多的多址工作能力。g p s 利用不同码序的扩频信号实现 对：4 颗卫星的识别和跟踪。尽管2 4 颗卫星发射着同一种载频信号，但可以按不同 的伊随机码加以识别。 由扩频理论，我们知道，利用扩频技术可以提高系统的抗干扰能力。一般来说， 地i l l ：码码长m 越长，处理增益，即接收机相关处理前后其信噪比值的改变量也就越 大对c a 码而言，周期为l m s ，码元宽度为1 u s ，则处理增益为l 1 0 3 。这样， 当拒收c a 码信号时，信号强度由1 5 5 d b w 增大到1 2 5 d b w 。这一信号将高于环境 噪j i 电平一个数量级，能保汪g p s 信号的可靠接收。对p 码而言，码长为2 6 7 d ， 码彳宽度为01 u s ，其处理增益相当大，绝对保证信号接收的可靠性和精度。 二、相关接收 用户接收机在接收g p s 卫星扩频信号时，是利用改变本机伪随机码产生器的时 序，使其与相应卫星的伪随机码的时序对准，此时即完成了对该卫星信号的跟踪和 锁j f 。这一过程称为相关接收。这样，一方面将所需的信号恢复到原始窄带信号， 另方面将不相关的信号如各种干扰、外界噪声以及其他g p s 卫星信号等仍保持为 扩埔的宽带信号。此信号经滤波后，使有用信号通过，将无用信号滤去，大大提高 了信噪比。 为便于说明，现以c a 码调制l 、载波为例，说明其相关接收的数学过程。 如上所述，g p s 卫星信号是由数据码d ( t ) 和c a 码模2 相加，然后对l 。载频进 行。 移键控( p s k ) 调制的宽带频谱信号。 s l l ( f ) = a o c 爿p ) d ( t ) s i n ( c 0 1 t + 声) ( 2 22 ) 为 芷接收天线端，除了接收有用的s 。o ) 信号外，还存在着其他干扰信号，其形式 班。( ，) = s 。o ) + s ，( f ) + n ( f ) + ，( f ) ( 2 23 ) 仁l 式f ，s ( r ) 为其他几个暂不跟踪的g p s 信号，称为邻站干扰，n ( f ) 为噪声干扰 f l j f 为其他干扰。 在接收机内，本机伪随机码c a ( t ) 与接收到的信号相乘，即完成相关接收 f y ，( f ) c 1 4 ( f ) = 1 ，接收到的信号为： g p s 传感器及配套检测设备的研制 舻( f ) s i n ( 州+ 卜卅喜踯m ( f ) c 郇) 2 。) 从 ( 2 24 ) 中可以看出，第一项为接收的有用信号，其中己不包括c a ( t ) 码t 只有 数拄码d ( o 对载频的p s k 调制信号。式中后三项：邻站信号干扰、噪声干扰和其他 干执，因为与c a q l 码相乘，仍是一宽带信号。利用带通滤波器可以将其滤掉。这 - - j ：i 程由延迟锁定环( d l l ) 或称码跟踪环完成的( 图2 - 3 ) ，称之为相关接收。 图2 - 3 码跟踪环( d l l ) 原理图 由延迟锁定环输出的只是p s k 的调制信号，可利用载波跟踪环( p l l ，又称为 c o s l a s 环( 图2 4 ) ) ，实现载波相位同步，从而解调出g p s 电文。 图2 - 4 载频相位跟踪环( p l l ) 原理图 2 s i n 2 多普勒频 移估值 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 载有数据码的载波信号d ( t ) e o s ( c o f 十) 分离为两路，分别送到同相乘法器m 和 i e 7 i 乘法器m 。本机振荡信号形成( c o s ，t + 九) 和s i n ( o a lr + 丸) 也分别送到唯和m ，。 两雏信号相乘后，得到： d ( t ) ( c o s c 0 1 t + o ) c o s ( l f + 庐o ) = 丢。( f ) 0 。s ( 庐一。) 4 c o s 2 ( l + 妒一。) ) 225 d ( t ) ( c o s c o l f + o ) s i n ( c o 】t + o ) ：三d ( f ) s i n ( 一。) + s i n ( 2 f + 妒一庐。) ) 226 经j 二低通滤波器，滤去随时间变化项，并假定0 = 庐一九，得到： i d ( f ) c 。s 口 l 2 d ( f ) s i n p 将式( 227 ) 与式( 228 ) 在鉴相器上相乘，其输出为： 三d ( f ) c 。s 口圭d ( f ) s i n 臼= ；d 2 ( f ) s i i l 2 口 a 数据信息码d ( t ) ；b 伪随机码p ( t ) ； c d ( t ) 出p ( t ) ；d 调制载波相位s ( t ) ； e 干扰信号s7 ( i ) ； f 本地随机码p ( t ) ； g 相关后信号；h 解调后信号； i 相关后的干扰 图2 5 扩频信号的形成和相关 ( 22 7 ) f 228 1 ( 229 ) 因为相干载频与已调载频是同步的，所以相位差很小。致使本机振荡信号的相 位j g p s 卫星信号的相位完全相同，实行了载波相位同步。同时，由相位锁定环的 - 1 3 - a b c d e f g h ， g p s 传感器及配套检测设备的研制 任路，即式将( 2 , 27 ) 或式( 2 28 ) 经过滤波后，便得到导航电文。扩频信号的 形m 和相关接收的全过程示如图2 - 5 。 2 3g p s 信号编码 2 31c a 码 g p s 信号中使用了伪随机码编码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模 糊詹的测距数据。在g p s 中，伪随机码的产生采用m 序列，即最长线性反馈移位寄 存 ：序列。 c a 码( c o a r s e a c q u i s i t i o n ) 是用于粗测捕获的伪随机码。它是由m 序列优先 对维合形成的g o l d 码( g 码) 。g 码是两个长度相同而互相关极大值最小的m 序列 码) 位进行模2 相加构成的。改变产生它的两个m 序列的相对相位，就可以得到不 同皤码。对于长度为n = 2 ”一1 的m 序列，每两个码就可以用这种方法产生n 个g 码。在这n 个码中，任何两个互相关最大值等于构成它们的两个m 序列的互相关最 大催。g 码的自相关旁瓣有起伏，但它的峰值不超过相关的最大值。g 码最主要的 优：在于广泛应用于多址通信。这是g p s 中c a 码采用的主要的原因。 c a 码是由两个1 0 级反馈移位寄存器构成的g 码产生的( 示于图2 - 6 ) o 两个移 位_ i 存器于每星期日子夜零时，在置“1 ”脉冲作用下全处于1 状态，同时在码率l0 2 3 驱t ，下，两个移动寄存器分别产生码长为= 2 ”一l = 1 0 2 3 ，周期为1 m s 的两个m 序列g ( f ) 和g ：( f ) 。g ：( f ) 序列经过相位选择器，输入一个与g ：( f ) 平移等价的m 序 列，然后与g ，( f ) 模2 相加，便得到c a 码。 c a ( t ) = g l ( t ) g 2 ( t + f f o ) ( 231 ) 采用不同的值，可能产生1 0 2 3 个g ：( f ) ，再加上g ，( f ) 和g ：( f ) 本身，共可能 产：1 0 2 5 种结构不同的c a 码供选用。这些c a 码具有相同的码长 n ，= 2 ”一l = 1 0 2 3 b i t ，相同的码元宽f 。= 1 ，= 0 9 8 u s ，相当于2 9 3i m ，相同的周期 i l = a r t 。= l m s 。 1 4 - 南京航空航天大学硕士学位论文 g ，发生器 图2 - 6c a 码构成原理图 从这些g ( t ) 码中选择3 2 个码以p r n l p r n 3 2 命名各种g p s 卫星。由于c a 码 长很短，在1 秒时间内搜索1 0 0 0 次。所以c a 码除了作为粗测码外，还可以作为 g p ! 卫星的捕获码。并由此过度到捕获p 码。 c a 码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码宽的l 1 0 1 1 0 0 ，则 此m 相应的测距误差为2 93 2 9 3 m 。现代科学技术的发展，使得测距码的分辨率大 大指高。一般最简单的接收机的伪距测量分辨率达到o 1 m 每 图2 7p 码产生原理图 g p s 传感器及配套检测设备的研制 2 32p 码 p 码( p r e c i s e ) 是卫星的精测码，码率为1 02 3 m h z 。它是由两个伪随机码 尸a ( f ) 和尸：( f ) 的乘积构成的( 图2 7 ) 。 j p ，( f ) 是由两级移位寄存器构成的。两个移位寄存器分别采用反馈点八进制编 码l4 5 0 1 和1 7 4 1 7 形成周期为15 秒的mr 芋f f j 蹦( t ) 。一周期的码位数为： = 1 02 3 1 0 6 15 = 1 53 4 5 x 1 0 6 位 p n ：( f ) 是由另两级移位寄存器构成的。两个移位寄存器分别采用反馈点八进制 编1 7 6 7 3 和1 1 4 3 5 形成两个m 序列。码率与刚o ) 相同，但码位比其多3 7 个码 元即码长为： 2 = 1 5 3 4 5 1 0 6 + 3 7 因1 、p 码为： p ( t ) = p n l ( f ) 刚2 0 + ”f ) ，0 r l ：3 6 其州应的码元数为： n = n l n 2 = 2 3 5 1 0 1 4 相应的周期为； 耳：孚z 2 6 7 天z3 8 星期 o 在乘积p ( f ) 中，行。可取0 ，1 ，2 ，3 ，3 6 。这样可得到3 7 种p 码。在实际应 用一 ，p 码采用7 天的周期，即在肼，( f ) p ：o + ，? 。r ) 中截取一段周期为7 天的p 码， 并规定每星期六午夜零点p 码置全“1 ”状态作为起始点。在这3 7 个p 码中，3 2 个 供g p s 卫星使用，5 个供地面站使用。保证g p s 正常工作的唯一性。 因为p 码的码长为6 1 9 1 0 ”b h ( 7 d 周期) ，所以采用c a 码的搜索方式是无法 实现的。一般都是先捕获c a 码，然后根据导航电文给出的有关信息来实现p 码的 捕i j ! 。 由于p 码的码元宽度为o 0 9 8 u s ，相当于距离2 93 m ，所以，若码元对齐误差仍 采| 码元宽的1 1 0 1 1 0 0 时，则测距误差约为2 9 3 0 2 9 3 m ，仅为c a 码的1 1 0 。 南京航空航天大学硕士学位论文 根据美国国防部规定p 码是专为军用的。目前只有即少数高档次测地型接收机 才眦接收p 码，且价格昂贵。所有民间用户均不敢问津。即使如此，美国国防部又 宣： 实施a s 政策，即在p 码上增加一个极度保密的w 码，形成新的y 码，绝对禁 止_ | 特许用户应用。不过，据介绍，少数民用厂商仍作不懈努力，研究无码接收、 平技术、z 技术等，以充分应用g p s 资源。 2 4g p s 定位原理 g p s 具体的定位方法有两种：单点定位和差分定位。 g p s 的基本原理是：卫星不断地发送自己的星历参数和时间信息，用户接收到 这j j 信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。 h9 作具体说明： 如图2 - 8 所示，每一颗卫星连续不短地向g p s 接收机发送可跟踪的唯一编码序 列g p s 接收机可根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确 时l 一。其中伪距法是g p s 系统实时导航定位的基本方法，应用数学公式表示为： p = p + c ( d t d t ) + d l 。+ d 。 式中j d 接收机到卫星问的测量距离； p 接收机到卫星间的几何距离； c 光速 破卫星时钟与g p s 标准时间差； d t 接收机时钟与g p s 标准时间差： z 。电离层时延而产生的距离偏差； d 。对流层时延而产生的距离偏差。 因此，测出每颗可视g p s 卫星的导航信号从卫星到用户接收设备天线的传播时 间乘上电波传播速度，即可计算出卫星到用户天线之间的距离。测量传播时间要 用刊两个不同的时钟。第一个时钟在卫星上，记录信号发射时间：第二个时钟在接 收zj t 记录信号接收时间。这两个时钟彼此不同步，因而在时间的测量上存在着 偏j ，假定卫星都与g p s 标准时间同步，则时间偏差只决定于接收时钟。g p s 接收 机j j 是根据这些信息去计算它与上空卫星的距离。 g p s 传感器及配套检测设备的研制 卫星l x l ，y l ，z i ， 图2 - 8g p s 定位原理 一般情况下，g p s 接收机接收到一颗卫星的信号，便能确定出时间；若接收到 三卫星的信号，便能确定出准确的二维信息( 经度和纬度) ；而接收到四颗g p s 卫曩的信号，便可实现三维定位( 经度、纬度和高度) 。因此，连立四个方程便可求 出生果，每个方程都可在三维空间内确定某颗卫星到用户的距离。 这四个方程为： ( x 1 一j 吒) 2 + ( ，1 一y u ) 2 + ( 。1 一z 。) ! = ( r l f 1 8 ) 2 ( 。2 一x 。) 2 + ( y 2 一y 。) 2 + ( 22 一；。) 2 = ( j r 2 一c 口) 2 ( 屯一z 。) 2 + 0 3 一y 。) 2 + ( 。3 一： ) 2 = ( 凡一( ? b ) 2 ( x 4 一x “) 2 + ( y 4 一y “) 2 + ( ：4 一：h ) 2 = ( j r 4 一c 日) 2 式r fr 伪距离( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) t ，y ，：卫星位置( f _ l ，2 ，3 ，4 ) x 。，y 。，z 。用户位置 c 。用户时钟差 由方程可知，要求出的参量是：伪距离，伪时间和卫星座孙位置坐标。伪距离 是接收机测得的到卫星的距离，伪时间是接收机时钟相对于卫星时钟的偏差量，卫 星任置坐标则是根据控制部分测出并加在信号中的卫星天文数据推算出来的。 接收机确定卫星到用户的距离方法是：调整机内产生的一个伪随机编码序列， 使t 与卫星发射的一个同样的序列相匹配；根据调整量的大小即可确定卫星的码序