（通信与信息系统专业论文）gps导航仪的研制.pdf

南京航皇些墨查兰旦主兰些堡茎 0 摘要 ( i p s 作为一种高精度的全球三维实时导航技术，其接收机已成为一种先进的导航 设釜 、甍课题结合市场需求，耍求按指标研制出正式产品，工程化耍求高，所以首先是 严榷的总体设计，即全面的软、硬件设计、结构设计、人机界面设计、工艺设计、 检泐方法，以及电磁兼容设计等。经过一年多的研制，现己完成了小巧、低耗、操 作亢便，输出信息丰富的掌上型定位导航仪。 杠= 系统可由用户按键操作输入目标位置数据，亦可通过计算机串口批量输入相关 参萄，由( ：= 】u 作为控制及数据处理核心，与o e m 板通信，经c p u 实时分析，提取 出市f 关数据，通过软件算法产生具体数据，输出并显示导航信息，同时亦可与装有 g 1 s ( 地理信息系统) 的计算机组合，实现运动载体( 车载、船载) 精确导航功能。 软伺及算法方面，采用c 5 1 语言，结合硬件结构，将三维地理算法、高斯一克吕格方 程莳入系统中，并采用了内存覆盖模式。本系统经实地试验，各项指标满足设计要 求 关钥词：全球定位系统g p s 导航仪单片机，数字唐号处理 壁! ! 量堕堡塑竺型 ab 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 et 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 hl 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 i o n v e l o c i t y , t i m ed a t ae t c n o wg p sr 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 mo 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 dsi na l m o s te v e r yc o r n e ro f t h ew o r l d r 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 fas p e c i a lg p sr e c e i v e r , w h i c hc o r ei s m1 ：o 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 et 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 dt h e d e s i ：；nm e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f 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 fg p s s y s t t ：ma n dt h ec o m p o s i t i o n a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h eg p sr e c e i v e ra r ed i s c u s s e d i nt et h e s i ss 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 fg p s o e b t ，t h ec o n s i s t so fp 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 fa l m a n a ca n de p h e m e r i s ，t h e m e t h o da n dt h es k i l lo fp r o c e s s i n g o 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 f f 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 0 1 1 ( p 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 dw a r ea n ds o f 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 l i ns t r u c t u r e ，d e x t e r i ta n d f a s tnp 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 rp 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 一空塞堕至堕墨奎兰! ! 圭兰垡堡茎 一 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， 该矛统具有高精度、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 航手统。g p s 系统自问世以来，已充分显示了其在无线电导航、定位领域的优势地 位，在海湾战争和科索沃战争中g p s 均的到了广泛的应用，发挥了重耍作用。许多 民席领域也由于g p s 的出现而产生了革命性的变化。目前，g p s 不仅在美国及其盟 国自 军队中广泛应用于导航、定位，几乎全世界所有需要导航、定位的用户，都被 g p s 的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和优质廉价所吸引。g p s 从根本上解 决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。 戈国的g p s 应用发展势头迅猛，在过去的短短几年，g p s 在我国的应用已从，扮 数p 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 实旷导航技术，其接收 几已成为一种先进的导航设备。伴随着g p s 技术在各个领域 的拍广和普及，g p s 接收机的小型化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 ) 产品， 以单优良的性能，轻巧灵便，易于开发的特点，受到人们越来越广泛的关注和青睐。 现e 广泛应用于车船导航、地质勘探、野外救生、探险以及交通管理等领域。 j 前，我们常见的g p s 导航设备多有体积大、携带不方便，耗电多、难以长时 间遁续使用等缺点。这对于陆军单兵作战或野外使用是极其不利的。 芭们最新开发的掌上型g p s 定位导航仪，具有体积小( 1 5 0 6 0 1 s m m ) 、重量 轻、低功耗，普通5 号电池供电( 2 节) 等特点。同时开机捕获时间是同类产品中最 短i j 。 枉产品选取m o t o r o ，a 公司最新型号m l 2o n c o r eg p so e m 板，作为原始信 号 收模块，通过串行嗵信，经c p u 实时分析、处理，提取出相关数据，产生具体 岔豁城，并通过一定算法，输出并显示导航信息。 水产品可由用户按键操作输入目标位置数据，亦可通过计算机经串口批量输入 辛1 ：x 位置坐标。同时亦可与装有g i s ( 地理信息系统) 的计算机组合，实现运动载 体( 车缄、船载) 精确导航功能。 g p s 导航仪的研制 一一 1 2g p s 的组成 o p s 包括下列三大部分： ( 1 ) 空间部分( g p s 卫星) ： ( 2 ) 地面监控部分( 地面支撑系统) ： ( 3 ) 用户设各部分( g p s 接收机) 。 这三部分的简萼关系如图1 1 所示。下面将简要介绍这三部分。 空间部分： 2 4 颗卫星 广播l ，l ，卫星轨道， 时间数据及辅助资料信息 用户部分： 接收设备 接收卫星信号 监控部分： 中央控制系统 时间同出跟踪卫星定规 图i 1g p s 系统示意图 一、空间部分 o 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= 弁设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问 错列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，进行部分必耍的数据处理工作。 ( 4 ) 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。 一地面监控部分 = 【二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 ：f 罗拉多的斯平士( c o l o r a d os p i n g s ) 的联合空间执行中心( c s o c ) ，三个注入 站仍别设在大西洋、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 og a r c i a ) 和太平洋的卡瓦加兰( k w a j a l e i n ) ， 五 个世测站设在主控站和三个注入站以及霆威夷岛。 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，主耍完成下列功能： ( i ) 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 象丐素、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 心先来的参考星历。 ( 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，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j 冷断，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 正净作用。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。 车控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，地面注入站的主耍 设各包括一台直径为36 m 的天线、一台c 波段发射机和一台计算机。其主要任务 是力主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控 制摊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 将逅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 测引配有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 测耋和积分多普勒观测，采用气象夏索等数据。五个监测站分布在美国本土和大西 洋彤美军基地上，保汪了全球g p s 定轨的精度耍求。由这五个监测站提供的观测数 据开成了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耍的。空间部分和地面监控部分，是用户广 泛应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。 且j 户设备的主甍任务是接收g p s 卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信 息月攀数，经过数据处理，完成导航和定位的工作。它主蕞由g p s 接收机硬件、数 据剑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 线羁电源。 恨据g p s 用户的不同饕求，所需的接收机设备各异。随着g p s 定位技术的迅速 发展和应用领域的日益扩大，许多国家部在积极研制、开发适用于不同哥求的g p s 接f e 机及相应的数据处理软件。 奉深题所研制的g p s 导航仪就属于某类的g p s 接收机。下面就有关g p s 接收 # 纠【成及原理作些介绍。 g p s 导航仪的研制 一一 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 分嗣软件部分。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 外彩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 及动操作的程序等；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l 一2 。下面对其主要功能作简耍介绍。 l 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、 偶概子天线、微带天线、一( 二、四) 线螺旋天线、圆锥螺旋天线等。这些天线各 有和弊，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 着作噪比。因此要求它具有噪声系数小、增益高和动态范围大的特点。 r 弋7 变频器 信号通道 1r 信号 刊d ( 【) 卜一 前置放大器f叫频率变换器 存 j l 解打 刊伪码测量f - 贮 显 天线单元 解橱器 r 广1 il 1 - - - t 。 + l 载波 _ _ j不 频率综合i 十十 相位测量 电源b 争 fi器 甜 -t c 旭码 p 码 住 。il 制 叫c p ur 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，经过变颁、放大、 滤沉等一系列处理过程，实现对g p s 信号的跟踪、锁定、测量、提供出计算位置的 数拆信息。根据需耍，可设计成1 1 2 通道，供任意选择。 南京航空航天大学硕士学位论文 一一一 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，便占据这一通道，直到此卫星信号失锁为止。现代技术的发展，并行多 通建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。 f 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 定仨的各种数据、原始观测量以及结果贮存下来，供事后处理用。 f 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 星重历、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 蓄哇池，专门为机内时钟供电，或者为r a m 存贮器供电，以保证在关机时保留贮 储髫据。 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 作腭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 阐趔接收机的基本工作原理。 混颁器口倍颁器 图l 一3 码相关型通道示意图 g p s 导航仪的研制 一一 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，如图卜3 所亓，其数学分析过程可见第二章中有关相关接收部分。 彦通道主耍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 提彤伪距观测量，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 完全相同的码，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4 关分析，当两信号之间达到最大相关时，便可测定出两信号问的时问延迟，即 卫曩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机噪声码，便可获得 只曼有数据码( 导航电文) 和载波的信号。 载波跟踪回路的主耍作用是，当去掉伪随机噪声码的卫星信号进入该回路后， 进行载波相位测量，解调出卫星的导航电文。它利用压控振荡器使接收机振荡器所 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， 载湄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 相住的观测量。 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 频侣号，就能获得导航电文。 吗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， 信口女比也较好，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i 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，般用户无法米 用砸相关技术获得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 考薯关理论书籍，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 本谍题来源于南京航空航天大学无人机研究所某型号研制任务。 本课题的研制叱可以说是对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 ) 扳的二次 开凭。找们知道，伴随蕾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f 1 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 据任息，配置以相应的用户终端( 如图卜4 ) 即可方便、自主地开发出各种g p s 应 用豸统，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 地鹰、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 板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。信号处理电路主耍用来对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。电源电路采用开关型电源电路，用来完成直流电压 的车 换，这三部分电路集于一块电路板，与o e m 板通过特定的接口相衔接，并设 计一轻小结构组成g p s 导航仪产品。具体的方框图如图l 一4 。 本课题的研究除了耍能根据用户的需耍，按一定的帧格式、数据类型、传输速 率笔输出用户所需疆的定位、导航数据外；同时在正式产品的电路研制中还夏重点 考鹰到产品的可靠性、产品的电磁兼容性以及产品的小型、轻型化等。 本产品在工艺方面，采用体积小，可靠性高的s m d ( 表面贴片) 器件。 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 的今天，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耍求。 图i 4g p s 导航仪的方框图 g p s 导航仪的研制 一一 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 1 02 _ ；m i - t 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 - 1 所示。 基 l o 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 】载波：五l = 1 5 4 f ，= 1 5 7 54 2 m h z ，波长五= 1 9 0 3c m ， l 二载波：五：= 1 2 0 ，= 1 2 2 76 m h z ，波长a ! = 2 4 4 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 在哥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 构母： - 譬l l ( f ) = a p p ( f ) f ) ，( f ) c o s ( c o l i t + i ) + a c ( 1 ，“) d 。( f ) - s i n ( o ) l l f + 声1 ) ( 2l1 ) 在l 二载频上，只有p 码进行双相调制，其信号结构为： v l ：( ，) = 口r ，j ( t ) d ，( ，) c o s ( o ) l ! ，+ ! ) ( 2l2 ) 式 ：a ，b ，a ，分别为p 码和c a 码的振幅； ，：f f ) ，( ，( ，) 分s 为精码和粗码： r 堕塞堕兰堕圣奎兰堡圭兰垡堡兰 一 一+ 一 d ，( f ) 为数据流： 。二为载波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 加封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j ! 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 。 调铕| 码的幅值只取0 或l 。如果当码值取0 时，对应码状态取+ l t 而码值取l 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 与砟状态+ i 相乘时，其相位不变，而当与码状态，l 相乘时，其相位改变1 8 0 。所 以兰码值从0 变到1 或从l 变到0 时，都将使载波相位改变1 8 0 。这时载波信号 实职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1 nt - 看出，卫星发射的所有信号分量 都眭同一基本频率f o ( a 点) 产生的，其中包括：载波l ( b 点) 、l ：( c 点) 、粗 测腓码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) 发弟出去。发射的信号分量包括：l 一c a 码( j 点) 、l ，p 信号( k 点) 、l 二一p 信号( 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q 混频器田加法器 图2 - 2g p s 卫星信号构成图 g p s 导航仪的研制 一一 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 到也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 和遏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 码为一15 5 d b w ， 对p 码为一1 5 8 d b w ， l 、波段，对p 码为一1 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 环蟮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 在峙声之中。为了获取此微弱信号，所有通信、遥感、气象、海洋、军事、电视等 等二 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 提高其信号的强度，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；、接【| 殳和处理。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_ 【1 1 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，同个频道能同时接收能见到的4 8 颗卫星信号。这就是说，耍采取措施 区另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 问题相互关联的。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f f i 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( 测 距班) 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 达挎收机以后，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 号神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 号芝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1 时的微弱信 号小接收。 根据信息通信的香农公式，信息容量为： 厂0 、 ( = 口l o g 、fl + 二j ( 221 ) l1 v 式t ，( 为信息容量，相当于信息速率( b i t s ) ，b 为信道带宽，j v 为噪声功率，一为 信鼍功率。 从式( 221 ) 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 接帖到足够的信息量。但是，如果噪声比远小于1 时，只有增加带宽，才能获得足 j i ) 南京航空航天大学硕士学位论文 够彬信启、容量。 在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i - q 序的扩颁信号实现 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， 地划码码长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出就越 大，对c a 码而言，周期为1 m s ，码元宽度为1 h s ，则处理增益为1 1 0 3 。这样， 当挎收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 噪声电平一个数量级，能保证g p s 信号的可靠接收。对p 码而言，码长为2 6 7 d ， 码元宽度为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 卫星扩颁信号时，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 锁硅。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， 另一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 扩原的宽带信号。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 了侣噪比。 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 行样移键控( p s k ) 调制的宽带频谱信号。 s 1 ( ，) = a 。f 爿( 班d ( t ) s i n ( 0 9 ，+ 妒) ( 222 ) 为 在接收天线端，除了接收有用的n 。，( f ) 信号外，还存在着其他干扰信号，其形式 w ，) = s l l ( ，) + s 心) + ”( ，) + ，印) ( 2 23 ) l = ； 式。 ，s ，( f ) 为其他几个暂不跟踪的g p s 信号，称为邻站干扰，f ( f ) 为噪声干扰 t = 1 ，( 为其他干扰。 庄接收机内，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 i ( ，) ( a ( ，) ；l ，接收到的信号为： g p s 导航仪的研制 一一 a 俐s i n c 州俐小t - 小叶飘卅似吵川卜， z 。， 1 2jl 从爿( 22 4 ) 中可以看出，第一项为接收的有用信号，其中已不包括f 、爿( f ) 码，只有 数辑码f ) ( f ) 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 干拗，因为与( y 爿( f ) 码相乘，仍是一宽带信号。利用带通滤波器可以将其滤掉。这 一j ：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 。3 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 。s i i l2 o # 普勒频 移估值 - j 2 亘皇堕至堕委奎兰堕主兰丝笙兰 一一一 载有数据码的载波信号d ( t ) c o s ( c o 、t + ) 分离为两路，分别送到同相乘法器m 、和 正，i 乘法器m 。本机振荡信号形成( c o s m ，f + 。) 和s i n ( d o l f + 妒。) 也分别送到m 和m 。 两维信号相乘后，得到： d ( t ) ( c o s r o ，+ 破，) c o s ( c o i t + 谚，) = ；d ( f ) 皋。s ( 痧一面，) + c 。s ：( 。f + 一谚，) 2 25 1 d ( t ) ( c o s f ：9 i f + 九) s i n ( c 0 1 t + 砬，) = ；f ) ( f ) s i n ( 痧一谚，) 十s i n ( 2 f 。f + 声一西，) 226 经】：低通滤波器，滤去随时间变化项，并假定占= 庐，得到： 1 二d ( t ) c o s 8 ( 227 ) 2 。 l ，) ( f ) s i n 口 ( 228 ) 将式( 227 ) 与式( 2 28 ) 在鉴相器上相乘，其输出为： 吉哪) c 础弓肌) s i n 护= 巩啪i n 2 护 ( 229 ) am ! 厂 ! ! ! b【) 00llll ( )l0l l00l ( 10 ( 1 clllljlo10l0 【) 00l000 1 3n 0【1n000( 1000 e 0 0 n0n1 ) ( )【l( ) 3 1 【l0 f000llll ) l ( 1il00i ( 10 ( 1 g 3 1 0( j0 n 2 1 n n 000( 10【l hm ! ! 厂1q!i i l lh0 ( )( n ( 1( 1 j 1 0( 1( 1 a 数据信息蚂d ( 1 ) ：b 伪随机码p ( t ) ： c d ( t ) op ( t ) ：d 调制载波相位s ( t ) ： e 干扰信号s ( t ) ：f 本地随机码p ( t ) ： g 相关后信弓：h 解调后信弓： i 相关后的干扰 图2 5 扩频信号的形成和相关 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! 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 - l j g p s 导航仪的研制 任路，即式将( 2 27 ) 或式l 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 糊鸬的测距数据。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 存崔序列。 c a 码( c o a r s e a c q u j s m 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j 位进行模2 相加构成的。改变产生它的两个l i t 序列的相对相位，就可以得到不 同h j , 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 码最主耍的 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l o 级反馈移位寄存器构成的g 码产生的( 示于图2 - 6 ) 。两个移 位： 存器于每星期日子夜零时，在置“l ”脉冲作用下全处于1 状态同时在码率l0 2 3 驱习下，两个移动寄存器分别产生码长为n = 2 “一1 = 1 0 2 3 周期为l m s 的两个m 序朋r j l f ，) 和f j ：( ，) af j ：( ，) 序列经过相位选择器，输入一个与( ；：( ，) 平移等价的m 序 列，然后与( ；，( f ) 模2 相加，便得到c a 码。 f a ( t ) = ( j i ( f ) r j ：( ，+ i t 。，) ( 23i ) 果用不同的“。值，可能产生1 0 2 3 个( ；：( f ) ，再加上( ；l ( f ) 和( ；：( f ) 本身，共可能 产：! i 1 0 2 5 种结构不同的c a 码供选用。这些c a 码具有相同的码氏 1 n ，= 2 ”j = 1 0 2 3 b i t ，相同的码元宽，。= = o 9 8u s ，相当于2 9 3l m ，相同的周期 ，l f ，：m 。= l m s 。 1 4 南京航皇堕墨查兰堕圭兰垡堡兰 一 一 g ，艟生器 x - 历元 图2 - 6c a 码构成原理图 l d 码 c ，a 码 5 n b i t s 数据脉冲 从这些g f t ) 码中选择3 2 个码以p r n i p r n 3 2 命名各种g p s 卫星。由于c a 码 长作短，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 s 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1 1 0 1 1 0 0 ，则 此f | ；相应的测距误差为2 9 3 29 3 m 。现代科学技术的发展，使得测距码的分辨率大 大携高。一般最简单的接收机的伪距测量分辨率达至q ol m 每星期六午夜零时置全“ 1 2 位移位寄存器 ( 反馈代码1 2 3 1 1 2 伊移位寄存器 ( j 曼馈代码1 6 2 3 9 1 2 住，移位寄存器 ( j 曼| ! 代码l5 6 8 8 1 2e r 杉缸寄存器 ( 反馈代码1 3 4 3 i ) 图2 7p 码产生原理图 i ，码 斗 e n 鱼堕! 堕! ! 塑堕型 一一 2 32p 码 p 码( p r e c i s e ) 是卫星的精测码，码率为1 0 2 3 m h z 。它是由两个伪随机码 ，w ( ，) 和删：( ，) 的乘积构成的( 图2 7 ) 。 p n 。( ，) 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l ：l j 5 0 i 和1 7 4 1 7n 成n n n l 5 秒的m 序列p n ( ，) 。一周期的码位数为： n = 1 02 3 1 0 “l5 = 153 4 5 1 0 “位 ，w 二( 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b - 1 7 6 7 3 和1 1 4 3 5 形成两个m 序列。码率与刚。( f ) 相同，但码位比其多3 7 个码 元，即码长为： n 2 = l 5 3 4 5 1 0 。+ 3 7 因1 1 1p 码为： f ( f ) = p n l ( f ) p n ：( t + ，l ，f ) ，0 曼”，曼3 6 其千| 应的码元数为： n = nn 、= 2 3 5x 1 0 1 4 相j i 的周期为： 笋碰s ，天3 8 星期 在乘积p ( ，) 中，”，可取0 ，1 ，2 ，3 ，3 6 。这样可得到3 7 种p 码。在实际应 用- f ，p 码采用7 天的周期，即在，w ( ，) ，j 二( ，+ ，j r ) 中截取一段周期为7 天的p 码， 并j ，9 定每星期六午夜零点p 码置全“l ”状态作为起始点。在这3 7 个p 码中，3 2 个 供( p s ：巳星使用，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61 9 1 0 ”b i t ( 7 d 周期) ，所以采用c a 码的搜索方式是无法 峦坶的，一股部是先捕获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j ； 由于p 码的码元宽度为o0 9 8 u s ，相当于距离2 93 m ，所以，若码元对齐误差仍 采 i 码元宽的1 1 1 0 1 1 0 0 时，则测距误差约为29 3 02 9 3 m ，仅为c a 码的l l o 。 南京航空航天大学硕士学位论文 恨据美国国防部规定，p 码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机 才州接收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 宣前实施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j i 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i 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 的基本定位原理是：卫星不断地发送自己的星历参数和时间信息，用户接 收蛩这些信息后，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 信后下面作具体说明： 如图2 - 8 所示，每一颗卫星连续不断地向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m ，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： t = p + c ( d t d t ) + c ，。+ d 。 式中p 接收机到卫星问的测量距离； 矽接收机到卫星间的几何距离； c 光速 西卫星时钟与g