毕业设计（论文）-基于并行码搜索的GPS信号捕获

目录:HYPERLINK摘要 )ADDIN在一个频率上进行这样一次运算就可以完成对所有码相位的搜索，因此，只要41次就可以完成一颗卫星的搜索检测。并行码相位搜索捕获算法的搜索速度比在时域中进行相关运算的串行搜索捕获算法更加快。在搜索每一个频率点时，它需要完成两次傅里叶变换和一次傅里叶逆变换计算，运算量很大，因此如何利用软硬件来有效实现这些计算是应用并行码搜索捕获算法的关键。N点离散傅里叶变换需要次乘法和次加法，这一运算量和时域相关算法所需运算量相当。当N是一个以2为底的幂，此时离散傅里叶变化用FFT来实现，运算量可以降至次加法和次乘法，使运算效率大大提高。通过观察图3.5，可以发现在搜索同一颗卫星的时候C/A的傅里叶变换是不变的，因此可以把它的傅里叶变换保存起来，这样进行同一卫星不同频率搜索的时候只需要进行一次C/A码的傅里叶变换。另外所有的卫星信号都包含在同一段中频数据里，在搜索不同卫星的同一频率点时，进行的傅里叶变换结果是相同的，因此可以选择同时对多颗卫星的相同频率点进行计算或者保存起来在搜索另一颗卫星的时候直接使用这些数据。这样可以进一步提高捕获的速度。在下一章中会用这一小节提到的并行码搜索捕获算法实现实际GPS中频信号的捕获仿真。4并行码搜索捕获算法仿真4.1概述Matlab是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式。在本文中对卫星信号的捕获仿真就是在Matlab环境下进行的，在这里将要实现的是并行码搜索捕获算法的仿真。在这类仿真的中，信号源是一个很重要的。为了验证并行码搜索捕获算法采用的是实际的中频数字信号。该数字中频信号从北京东方联星科技有限公司官方网站（/list.php?catid=38）下载获得。该中频数据是由该公司生产的NewStar210A采集获得。通过查询该产品的资料可以知道，该设备接收GPS的L1信号，对该信号进行下变频到中频频率为4.123968MHz，在对模拟中频进行采样时使用的采样频率是16.367667MHz，对采样点进行2bit量化。了解了这些之后就可以使用该数据进行捕获仿真了。4.2捕获过程在利用Matlab进行捕获仿真的过程中，对需要实现的不同功能编写数个m文件，这样利于进行代码修改和优化。这里包括4个函数文件CAcode.m，sampleCAcode.m，readdata.m，acquisition.m，1个脚本文件：acquisition_test.m。CAcode()函数接收要搜索的卫星编号，产生相应的C/A码。sampleCAcode()函数接收卫星编号、数据采样频率、采样时长参数产生对应于要搜索的卫星的本地CA码序列。readdata()函数读取选定时长的GPS二进制中频数据，并按照数据格式对其进行复原供捕获计算使用。acquisition()是并行码相位搜索捕获的核心，对本地产生的C/A码、载波以及读取的实际中频数据进行计算，判断是否捕获。开始与一对特定正交载波分别相乘开始与一对特定正交载波分别相乘合为路复信号后DFT读取1ms中频数据与CA码频域相乘是否搜索完所有频点？找出峰值是否捕获？保存相应频率和码相位所有C/A码搜索完？返回YYNN图4.1并行码搜索捕获流程图因为不知道在本次仿真中用到的中频数据是在怎样一个环境下采集到的，所以进行多普勒频率搜索时是以4.123968MHz为中心频率向10kHz范围内搜索，搜索步长在这里设定为500Hz，因此对每颗卫星进行41个频率点的搜索。在判决是否捕获到一个卫星时，这里采用的是：取结果的最大值与结果中除去该最大值所在行和列的数值后剩下的平均值的比值作为判断标准，这里设定当比值大于20的时候就判定捕获到卫星，就以这个最大值所在的频率点和码相位作为捕获值，当小于20的时候就判定没有捕获到，进入下一颗卫星的搜索。4.3捕获结果在这里首先给出对32颗卫星搜索后得到的可见卫星情况，如图4.2所示，横轴表示卫星编号，纵轴代表捕获的结果，其中浅色（红色）柱状条的高度值超过20，表示捕获到该卫星，深色（蓝色）柱状条的高度未超过20，表示该卫星未被捕获到。因此从该图中可以知道，使用该捕获算法对数据采集器采集的中频信号进行捕获运算成功捕获到以下卫星：3、6、16、18、21、22、26、29号卫星。图4.2卫星捕获情况图4.3卫星的多普勒偏移根据具体的算法，在搜索完每一颗卫星后，就可以获得计算结果中最大值处所对应的多普勒频偏和码相位。如图4.3和图4.4所示，分别展示了多普勒频偏和码相位捕获情况。其中浅色（红色）星号（*）表示已捕获到的卫星的多普勒频偏和码相位，深色（蓝色）星号（*）表示未捕获到的卫星多普勒频偏和码相位，当然在未捕获到时这些值是没有意义的。图4.4卫星的码相位表4.1是捕获仿真结果的表格形式，它清晰的展现了已捕获到的卫星编号以及对应的多普勒频率和码相位。表4.1捕获结果卫星编号多普频率码相位34126468789.7464119968263.45164121968498.78184123468961.18214122968415.28224125468171.45264121968416.53294120968729.42图4.522号卫星二位搜索结果图4.615号卫星二位搜索结果从表4.1可知22号卫星是已捕获到的卫星，15号卫星未捕获到。图4.5和图4.6则展示了对这两颗卫星进行二位搜索的结果。在图4.5中，由于该卫星信号的存在，在进行22号卫星搜索中，当复现载波频率和码相位与输入信号中的相应卫星信号对其后出现了如图所示的峰值，而在其它情况下则非常小；而在图4.6中，由于输入信号中不含有该号卫星信号，因此搜索完所有可能的多普勒频率和码相位也没有出现很高的峰值，整个捕获结果值都很小。通过4.2小节中提出的判定方法判定出22号卫星被捕获到，而15号卫星未被捕获。图4.722号卫星捕获点的频域图图4.815号卫星伪捕获点的频域图图4.7为捕获到的22号卫星在对齐的码相位处不同的搜索频率下的搜索结果，在频率对齐的地方出现了一个高峰，在其它频率点的搜索结果非常小。图4.8为对15号卫星进行搜索时取得的最高值所确定的码相位下的频域搜索结果，可以看出，它和其它频率点的结果相差不大，通过判决门限判定出未能捕获到15号卫星。和图4.7和4.8相对应，接下来是两张图频率确定，不同码相位搜索的结果，其中图4.9为已捕获情况下的结果，图4.10为未捕获到情况下的结果。图4.922号卫星码域内的捕获结果图4.1015号卫星码域内的捕获结果可以看到，当输入数据中存在搜索的信号并且频率对齐时，在码相位也对齐的位置将出现峰值，相比其它相位点的搜索结果高出很多，当没有搜索的信号时，在所有的码相位搜索范围内都没有出现一个极大的峰值，在各相位的搜索结果都比较均匀。本章简要介绍了捕获的中频数据的来