matlab GPS.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.52M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 GPS系统概述

1.2课题意义及研究方向

1.3论文内容安排

第二章GPS信号接收机仿真系统概述

2.1 GPS信号接收机

2.1.1概述

2.1.2硬件GPS信号接收机架构

2.1.3软件GPS信号接收机架构

2.1.4 GPS信号接收机的工作原理

2.1.5GPS观测量和伪距测量

2.2仿真系统总体框架

第三章GPS的C/A码捕获

3.1目的

3.2传统算法的介绍

3.2.1时域滑动相关法

3.2.2循环相关捕获法

3.2.3延迟与累积捕获法

3.3 GPS信号捕获的自适应门限

3.4具体实现的搜索算法

3.4.1算法思路

3.4.2数学原理及公式说明

3.5程序说明

3.6仿真结果

第四章GPS信号的跟踪

4.1目的

4.2算法思路

4.3码跟踪实现

4.3.1码跟踪环路

4.3.2初始码相位位置的对齐

4.4载波跟踪实现

4.4.1锁频环与锁相环

4.4.2环路滤波器

4.5程序说明

4.6仿真结果

第五章GPS卫星导航数据定位

5.1目的

5.2几何定位主函数流程控制

5.3函数说明

5.3.1寻找数据子帧

5.3.2子帧匹配奇偶校验获取数据子帧

5.3.3从数据子帧1，2，3获得星历数据

5.3.4利用获取星历数据进行卫星定位

5.3.5修正卫星坐标并计算卫星在地心固定坐标系中的位置

5.3.6利用伪距和卫星在地心固定坐标系中的位置计算用户位置

第六章接收机仿真系统的全局实现与参数分析

6.1 GPS中频信号生成

6.1.1目的

6.1.2程序说明

6.2解码基带报文比特

6.2.1目的

6.2.2程序说明

6.2.3运行结果

6.3全局实现和参数分析

6.3.1概述

6.3.2全局变量解释

6.3.3流程控制及说明

6.3.4仿真参数

第七章总结和展望

附录

致谢

参考文献

一#dn盎：王生}娄{—塑生4*代日．—j竖里$％：——舟二榔廖Z学硕士学位论文论文题目：基ij三翌皇!!皇!垩鱼塑璺堕堕基学生姓名学号指导教师学科专业研究方向论文提交I：1期朱继耀硕050710张宗橙教授信号与信息处理型垡堕篮主塑堡堇里鱼垦些型塾查二0o八年四月

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要摘要全球定位系统(GPS)是新一代的精密卫星导航定位系统。由于其全球性、全天候以及连续实时三维定位等特点，在军事和民用领域得到了广泛的发展。近年来，随着科学技术的发展，GPS导航和定位技术己向高精度、高动态的方向发展。GPS卫星接收机属于卫星导航定位系统中的用户设备，主要用于接收卫星信号和电文，由无线电信号测定用户至卫星的距离，或多普勒频移等观测量；根据导航电文，计算观测卫星的位置和速度，根据观测量和卫星的位置、速度，解算出用户的位置和速度。目前，国内大多数GPS接收机都是在国外定位模块的基础上进行二次开发，但是随着GPS定位广泛的应用，要求我们全面透彻地研究GPS定位系统，为我国的定位导航应用作出贡献。为了满足更加高的定位要求，获得更加高的可靠性，对GPS接收机来说，要能兼容各种定位导航系统而且考虑到算法改进的成本问题，相比较于现有的GPS接收机需要更换硬件设备，GPS软件接收机只需改动软件，具有更强的灵活性和丌放性。本文所做的工作是利用Matlab软件搭建GPS仿真平台。本文阐述了C／A码的生成原理与GPS信号的生成原理，捕获和跟踪的原理，GPS信号的捕获和跟踪。利用FFT相关法进行时间和频率串行搜索，超前～滞后结构形式的延迟锁定环(DDL)进行伪码跟踪和科斯塔斯载波跟踪环进行载波跟踪的算法。然后，利用MATLAB仿真环境开发信号仿真平台，并利用此仿真器实现GPS信号的仿真，并对所提出的信号的捕获和跟踪算法进行了仿真。仿真结果表明，所做的仿真达到了预期设计的目标。关键词：GPS，信号处理，Matlab仿真

南京邮电大学硕士研究生学位论文AbstractAbstractAsthenewgenerationofthesatellitenavigationsystems，globalpositioningsystem(GPS)hasbecomeawidelyusedsystem．Duetoglobosity,all-weatherandcontinuumrealtimethree—dimensionalorientation，ithasbeenwidelydevelopedinthefieldsofmilitaryandcivilaviation．Recently,throughthedevelopmentofscienceandtechnology,thetechnologyofnavigationandorientationhasbeenprogressedtothedirectionofgreatprecisionanddynamic．GPSreceiversbelongtotheuserequipment，mainlyusedtoreceivesatellitesignalsandtelegraphs，measurethedistancefromreceivertothesatellitesbythewirelesssignals，computethepositionandspeedofsatellitesbytelegraphers，thencomputethepositionandspeedofuser．Now,mostGPSreceiversareseconddevelopedonthemodulesofpositioningfromothercountries．WiththewideapplicationofGPSlocating，peopleneedresearchGPSpositioningsystem，anddotheirbesttomakecontributiontothepositioningandnavigationindustryofourcountry．ThethesispresentsthesimulatedmodeloftheGPSsignalprocessingmodulebasedonMatlabsoftwaretools．ThethesisinvestigatestheprincipleofC／Acode’Sgenerating，theprincipleoftheGPSsignal’Sgenerating，theprincipleandmethodoftheacquisitionandthetracking．ThealgorithmsaretestedaleSerialSearchofthefrequencyandCodePhase，CostascardertrackingloopandDDL．Basedonthesetheories，thisthesisexpoundshowtodevelopthesignalsimulatorinMatlab，thensimulatetheIFdigitalGPSsignalsusingthissignalsimulator,testandstudytheacquisitionandthetrackingalgorithms．Theresultindicatesthatitisvalid．Keyword：GPS，Signalprocessing，Matlabemulation

南京邮电大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得南京邮电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了谢意。研究生签名：圭障日期：幽南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权南京邮电大学研究生部办理。研究生签名：社导师签名：乏邀日期：型业c

南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论1．1GPS系统概述第一章绪论人造地球卫星的出现使古老的无线电信标导航迈向了太空，实现了全球覆盖、全天候工作、实时高精度定位等一系列重大变革。卫星定位与导航是20世纪后半叶航天和导航技术领域意义深远，影响重大的事件，是现代空间技术、无线电通信技术和计算机技术等相结合的产物。1957年世界第一颗人造卫星由苏联发射升空，一年之后，美国启动了第一代卫星导航系统“子午仪”的研制工作U7，并于1964年交付海军使用。1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星(TRANSIT)的部分导航电文供民间应用，从此，由用户接收机直接对空间卫星进行多普勒测量的定位技术迅速兴起，应用于导航和大地测量。在地球上任何一点，用户只要能收到子午卫星信号，便可借助已知的卫星轨道信息，进行单点定位或联测定位。在美国子午卫星导航系统的诱惑下，前苏联海军1965年开始也建立了一个卫星导航系统，称之为CICADA，它亦属第一代卫星导航系统【¨。子午卫星和CICADA卫星导航系统将导航和定位技术推向了一个新的发展阶段，基本满足了当时的需要，但是它们仍然存在着一些明显的缺陷，直接后果是观测时间长，定位速度慢，测量精度低，因此难以充分满足军事用户和民间用户的需要，尤其是高动态用户和高精度用户的定位要求，制约了卫星导航系统在各领域的广泛应用。为了突破子午仪系统的缺陷，实现全天候、全球性和高精度连续导航与定位，1973年12月，美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航系统…NAVSTARGPS(NavigationbySatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem)称之为GPS全球定位系统，简称GPS。GPS系统主要由三大部分组成，即空间卫星星座、地面监控系统和用户设备。GPS空间卫星星座由24颗卫星组成。卫星分布在6个轨道面上，每个轨道上有4颗卫星，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55。，相邻轨道面的升交点赤经相差60。，在相邻轨道上，卫星的升交点角距相差30。。轨道平面距地面的高度约为20200km，卫星运行周期llh58min。同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，时间每天提前4ml’n。GPS卫星发射L．和L，两种载波，频率分别为1575．42MHz和1227．60MHz。L．上调制有Pl

南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论码、C／A及导航电文数据，L，上仅调制了P码和导航电文数据。C／A码时钟速率1．023MHz，每帧1023bit，周期lms。P码是一种截短的伪随机噪声码，时钟速率10．23MHz，周期为7天。民用用户只能使用C／A码信号，只有美国军用用户及其他授权用户才能使用P码。目前在轨道上运行且正常工作的卫星有28颗，能保证用户同时见到5颗以上GPS卫星。GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监视站、主控站和信息注入站【2】o监测站配置双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机和环境数据传感器。接收机连续观测GPS卫星，以采集数据和监视卫星工作情况，原子钟提供高精度时间基准，环境传感器用以收集当地的气象参数。全部观测数据经初步处理后送至主控站，用以确定卫星轨道。主控站设在科罗拉多，其主要任务是：1．根据本站和观测站的观测资料，计算各颗卫星的星历、星钟误差和电离层修正参数，并将这些参数送给注入站。2．给GPS提供时间基准。各监测站的原子钟和GPS卫星的星钟均应与主控站的原子钟保持同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差编入导航电文，送到注入站。3．调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道飞行。4．启用备份星以代替失效的卫星。注入站现3个，其设备包括1个直径3．6的天线、1个C波段发射机和l台计算机。其任务主要是在主控站的控制下，将主控站提供的卫星导航电文参数及控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。用户设备包括GPS接收机和GPS天线等，其功能是接收GPS卫星信号，获取必要的观测量，经数据处理得到用户的位置和速度。同其它导航定位系统一样，GPS最初主要是为军事目的而设计的，美国国会、政府和军方之间对GPS政策经过长期争议，最后决定将GPS服务分为标准定位服务(SPS．StandardPositioningService)和精密定位服务(PPS-Precisepositioningservice)。SPS采用明码广播，对国际民用用户和其它用户提供符合美国安全利益的定位服务。PPS信号为加密信号，仅供美国军方及其盟国的用户使用，少数经授权的民用用户也可使用PPS信号。为了进一步控制GPS的应用，美国实施AS(Anti-SpooO政策用来反电子欺骗，通过加密手段将P码变为Y码，当AS实施时，非授权用户无法接收L，的Y码信号，不能进行双频电离层修正，从而降低定位精度。为了消除卫星轨道误差、电波折射误差等的影响，进一步提高定位精度，出现了差分GPS(DGPS)技术。使用差分GPS，进行载波相位差分解算在静态情况下可以达到毫米级定位精度，利用OTF技术(AmbiguityResolutionOnTheFly即在运动过程中动态解算2

南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论整周模糊度的技术)，动态定位也可以达到厘米级定位精度。使用GPS差分，用户必须布设差分基准站，若进行实时差分，则还需建立差分信息传输链路，增大了用户成本和使用的复杂性。为了使用户能得到高的定位精度，而又不必单独设立基准站，美国联邦航空局(FAA)建立了一个局域增强系统(LAAS)，该系统通过VHF链路向该区域内用户提供各星的差分信息，用户接收差分信息就可以差分定位，LAAS可用于飞机进场着陆的引导系统。在DGPS基础上，为了进一步克服DGPS和LASS定位精度随基线增长而下降的缺点，出现了广域差分GPS(WADGPS)，对地面多个基准站的测量信息进行综合处理，得到电离层修正参数、星钟修正参数和卫星精密轨道，这些信息连同星座的完善性监视信息一起通过地球同步卫星发送给用户，这样，用户可以在大范围内得到高精度的定位信息。基于广域差分技术，美国已经建立了广域增强系统(WAAS)。我国独立建立的WAAS系统也将通入应用【3J。纵观多年来GPS系统的应用，可概括出如下几个显著特点：1．全球连续覆盖，不受天气条件制约。在地球上任何地点，至少同时能观测到4颗以上卫星，从而确保全球、全天候连续定位。2．功能多，精度高。GPS可为用户提供7维时空测量信息(1维时间、3维位置和3维速度)。使用载波相位技术，对静态测量精度可以达到毫米级，动态测量精度也可达到．厘米级。．3．实时性强。利用全球定位系统导航，可以实时确定目标的三维位置和三维速度，即可保障运动载体沿预定航线航行，也可实时监视和修J下航线，以及选择最佳航线。这对高动态载体如运载火箭、导弹的飞行弹道和卫星运行轨道的实时测量尤其重要，这是GPS用于武器制导和弹道测量的基础。4．应用广泛。随着GPS定位技术的发展，其用途越来越广泛。目前在导航方面，它不仅广泛用于海上、陆地、空中和空间目标的导航，而且，在运动目标的监控与管理等方便也获得了成功应用；在测量方面，GPS在大地测量、工程测量、工程与地壳变形检测、地形测量、航空摄影测量和海洋测绘等各个领域的应用，己甚为普遍。1．2课题意义及研究方向对于一个普通的GPS接收机来说，其对信号的捕获和追踪均是由硬件来处理的，主要是用ASIC(专用集成电路)来实现。3

南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论用ASIC的主要好处之一是它的有效性，能够对GPS信号进行有效处理。但是，它的缺点也显而易见：造价不菲。对于现在GPS技术还在高速发展的今天，各种算法还在不断研究，如果都用ASIC来实现，显然这个并不现实。而使用软件来模拟搭建GPS的接收系统，不但可以对现有的一些提出的算法进行方便的比较，而且也能快速的应用到实际中。在该系统中，用ADC(模数转换器)将输入的模拟信号数字化，然后交由软件接收机来处理。由此重构一个系统不仅花费变少，而且灵活多变，可以对各种算法测试，也可以适用于将来可能改变的GPS信号，如包括L5band的不同信号传输载波的频率。目前，TheMathWorks公司推出的数值型MATLAB语言计算软件已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件，其在数值分析和科学计算方面的工具能够用来进行算法的研究和比较。本文充分利用了MATLAB这一特点，对基于软件的GPS接收机本地系统进行研究。主要是研究GPS在MATLAB上的模拟仿真，以及在此基础上的对在捕获和追踪信号上的经典算法的进一步改进，从而为设计硬件GPS接收机提供算法支持和数据宽度等数据流信息。1．3论文内容安排本文介绍的GPS仿真平台设计包括中频信号生成、C／A码生成、量化、捕获、跟踪、解码、定位等几个函数。在完成前期工作后，对各个函数分别用MATLAB语言来实现，最后统一调试，在重要论述的地方给出仿真结果。在完成仿真后再进行GPS仿真系统的性能估计。整篇论文分为七章，具体安排如下：第一章：主要简要介绍了GPS系统，说明了本课题的意义并给出了研究方向。第二章：先简要介绍GPS信号接收机，然后对于一些在仿真系统必须用的的函数和参数进行说明，包括PN码生成函数，C／A码生成函数，GPS中频信号生成，解码基带报文比特等等。第三章：说明捕获过程的目的，然后介绍传统算法。再着重说明改进算法数学原理和思路，给出仿真结果。第四章：说明跟踪过程的目的，分别实现码跟踪和相位跟踪，最后给出仿真结果。第五章：给出几何定位主函数的具体框图并实现。第六章：给出整个仿真系统的实现，对其流程进行说明，并给出仿真参数。第七章：在一定仿真参数设置条件下，给出本文中GPS仿真系统的性能估计。对所做工作做总结并说明本课题的后续工作。4

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