MATLAB仿真GPS的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)開題報(bào)告1

1、matlab仿真gps的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)開題報(bào)告前言全球定位系統(tǒng)(gps)是新一代的精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。由于其全球性、全天候以及連續(xù)實(shí)時(shí)三維定位等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，gps導(dǎo)航和定位技術(shù)已向高精度、高動(dòng)態(tài)的方向發(fā)展。gps衛(wèi)星接收機(jī)屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的用戶設(shè)備，主要用于接收衛(wèi)星信號(hào)和電文，由無(wú)線電信號(hào)測(cè)定用戶至衛(wèi)星的距離，或多普勒頻移等觀測(cè)量；根據(jù)導(dǎo)航電文，計(jì)算觀測(cè)衛(wèi)星的位置和速度，根據(jù)觀測(cè)量和衛(wèi)星的位置、速度，解算出用戶的位置和速度。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)gps接收機(jī)都是在國(guó)外定位模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，但是隨著gps定位廣泛的應(yīng)用，要求我們?nèi)?/p>

2、透徹地研究gps定位系統(tǒng)，為我國(guó)的定位導(dǎo)航應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。為了滿足更加高的定位要求，獲得更加高的可靠性，對(duì)gps接收機(jī)來(lái)說(shuō)，要能兼容各種定位導(dǎo)航系統(tǒng)而且考慮到算法改進(jìn)的成本問(wèn)題，相比較于現(xiàn)有的gps接收機(jī)需要更換硬件設(shè)備，gps軟件接收機(jī)只需改動(dòng)軟件，具有更強(qiáng)的靈活性和開放性。本文所做的工作是利用matlab軟件搭建gps仿真平臺(tái)。本文闡述了ca碼的生成原理與gps信號(hào)的生成原理，捕獲和跟蹤的原理，gps信號(hào)的捕獲和跟蹤。利用fft相關(guān)法進(jìn)行時(shí)間和頻率串行搜索，。然后，利用matlab仿真環(huán)境開發(fā)信號(hào)仿真平臺(tái)，并利用此仿真器實(shí)現(xiàn)gps信號(hào)的仿真，并對(duì)所提出的信號(hào)的捕獲和跟蹤算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)

3、果表明，所做的仿真達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo).目錄緒論1.1 gps系統(tǒng)概述1.2課題意義及研究方向1.3論文內(nèi)容安排第二章 gps的c/a碼捕獲2.1介紹2.2c/a碼起始點(diǎn)的精確性2.3 matlab仿真c/a碼的產(chǎn)生 2.3. 1最大長(zhǎng)度序列(mls)和g2的輸出及其延遲時(shí)間的檢驗(yàn)2.3.2 c/a碼的產(chǎn)生第三章gps衛(wèi)星信號(hào)的捕獲3.1概述3.2衛(wèi)星信號(hào)捕獲的考慮 3.2.1 捕獲時(shí)的最大電文長(zhǎng)度 3.2.2 捕獲中的頻率步長(zhǎng)3.3 gps衛(wèi)星信號(hào)的捕獲方法 3.3.1 傳統(tǒng)捕獲方法3.4 gps衛(wèi)星信號(hào)捕獲的例子 3.5 關(guān)于捕獲的一些子程序 3.5.1 隨機(jī)編碼過(guò)程仿真3.5.2 獲取導(dǎo)

4、航信息的仿真第四章 gps信號(hào)接收機(jī)仿真系統(tǒng)概述4.1 gps信號(hào)接收機(jī)4.1.1 gps信號(hào)接收機(jī)架構(gòu)4.1.2 gps信號(hào)接收機(jī)的工作原理4.2 gps載波相位測(cè)量定位 4.2.1 gps載波相位測(cè)量4.2.2 波數(shù)和整周跳變 4.2.3 表4-1 波數(shù)解算舉例 第五章 gps信號(hào)的跟蹤5.1 目的5.2 gps信號(hào)跟蹤5.2.1載波和碼元跟蹤5.2.2利用鎖相環(huán)跟蹤gps信號(hào)5.2.3二階鎖相環(huán)5.3跟蹤過(guò)程的高測(cè)時(shí)精度 5.3.1通過(guò)理想相關(guān)輸出獲得高測(cè)時(shí)精度5.3.2通過(guò)曲線擬合獲得高測(cè)時(shí)精度第六章 gps衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)定位6.1目的6.2幾何定位及架構(gòu)6.3. 衛(wèi)星數(shù)據(jù)gpssign

5、al6.3.1衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析6.3.2衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析程序代碼第七章 總結(jié)和展望基于metlab的gps全球定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)仿真摘 要全球定位系統(tǒng)(gps)是新一代的精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。由于其全球性、全天候以及連續(xù)實(shí)時(shí)三維定位等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，gps導(dǎo)航和定位技術(shù)已向高精度、高動(dòng)態(tài)的方向發(fā)展。gps衛(wèi)星接收機(jī)屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的用戶設(shè)備，主要用于接收衛(wèi)星信號(hào)和電文，由無(wú)線電信號(hào)測(cè)定用戶至衛(wèi)星的距離，或多普勒頻移等觀測(cè)量；根據(jù)導(dǎo)航電文，根據(jù)觀測(cè)量和衛(wèi)星的位置、速度，解算出用戶的位置和速度。本文所做的工作是利用matlab軟件搭建gps仿真平臺(tái)。

6、本文闡述了ca碼的生成原理與gps信號(hào)的生成原理，捕獲和跟蹤的原理，gps信號(hào)的捕獲和跟蹤。然后，利用matlab仿真環(huán)境開發(fā)信號(hào)仿真平臺(tái)，并利用此仿真器實(shí)現(xiàn)gps信號(hào)的仿真，并對(duì)所提出的信號(hào)的捕獲和跟蹤算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，所做的仿真達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)【關(guān)鍵詞】gps導(dǎo)航 定位 捕獲 跟蹤 matlab仿真simulation of gps global positioning system key techniques based on the metlab abstractglobal positioning system (gps) is a new generation o

7、f satellite navigation and positioning systems. due to its global, around-the-clock and continuous real time three dimensional positioning and so on, has been widely used in the field of development in military and civilian. in recent years, with the development of science and technology, gps naviga

8、tion and positioning technology to high precision, high dynamic development. gps satellite receiver belonging to users of satellite navigation and positioning system devices, mainly used for reception of satellite signals and messages, determination of users by radio signals to a satellite distance,

9、 or doppler shift measurements under navigation message, according to the measurements and satellite location, speed, and calculate the position and speed of the user. this work is done by the use of matlab software to build gps simulation platform. this article expounded the ca principles of code g

10、eneration and the generation of gps signal theory, principles of acquisition and tracking, gps signal acquisition and tracking. then, using matlab simulation environment to develop signal simulation platform and simulation of gps signal using the emulator, and on the proposed signal acquisition and

11、tracking algorithms for the simulation. simulation results show that the design of the simulation to achieve the desired goal 【key words】gps navigation locate capture track matlab simulation 緒論gps目前處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，并滿足20世紀(jì)60年代所提出的最佳定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)系統(tǒng)向有適當(dāng)接收設(shè)備的全球范圍內(nèi)的用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息。 gps也向全球廣播世界協(xié)調(diào)時(shí)（utc）。組成衛(wèi)星星座的2

12、4顆衛(wèi)星被安排在6個(gè)軌道平面上，即每個(gè)平面上4顆。一個(gè)分布在全世界的地面控制/監(jiān)視網(wǎng)監(jiān)視著衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)。衛(wèi)星用叫做碼分多址（cdma）的技術(shù)在兩個(gè)頻率上廣播測(cè)距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。 也就是說(shuō)， 系統(tǒng)只使用兩個(gè)頻率， 稱為l1（1575.42 mhz）和l2(1227.6 mhz)。每顆衛(wèi)星都在這兩個(gè)頻率上發(fā)射，但所有的測(cè)距碼與其他衛(wèi)星所使用的不一樣。導(dǎo)航數(shù)據(jù)提供給接收機(jī)， 以確定衛(wèi)星在發(fā)射信號(hào)時(shí)的位置，而測(cè)距碼使用戶接收機(jī)能夠確定信號(hào)的傳輸延時(shí)，從而確定衛(wèi)星到用戶的距離。 這種技術(shù)要求用戶接收機(jī)也包含一個(gè)時(shí)鐘。利用這種技術(shù)來(lái)測(cè)量接收機(jī)的三維位置時(shí)，要求測(cè)量接收機(jī)到4顆衛(wèi)星的toa(信號(hào)到達(dá)時(shí)間)距

13、離，如果接收機(jī)時(shí)鐘已經(jīng)是與衛(wèi)星時(shí)鐘同步的，便需要3個(gè)距離測(cè)量值。因此，為測(cè)量用戶的緯度、經(jīng)度、高度和接收機(jī)相對(duì)于內(nèi)在系統(tǒng)時(shí)的偏移，需要有4個(gè)測(cè)量值。如果系統(tǒng)時(shí)或高度已準(zhǔn)確獲知， 便只需要4顆以下的衛(wèi)星。gps系統(tǒng)除定位服務(wù)外，同時(shí)也能利用gps衛(wèi)星具有的高穩(wěn)定性原子時(shí)鐘為用戶提供授時(shí)服務(wù)，由此用戶可以計(jì)算出自身的速度。 這些服務(wù)被稱為標(biāo)準(zhǔn)的pvt（位置、速度、時(shí)間的英文縮寫）服務(wù)。gps提供兩種精度不同的pvt測(cè)量： 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（sps）和精密定位服務(wù)（pps）。sps是為民用服務(wù)的， 而pps是為美國(guó)軍方用戶和特定的政府部門用戶服務(wù)的，兩者精度不同。1 課題意義及研究方向目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)g

14、ps接收機(jī)都是在國(guó)外定位模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，但是隨著gps定位廣泛的應(yīng)用，要求我們?nèi)嫱笍氐匮芯縢ps定位系統(tǒng)，為我國(guó)的定位導(dǎo)航應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。為了滿足更加高的定位要求，獲得更加高的可靠性，對(duì)gps接收機(jī)來(lái)說(shuō)，要能兼容各種定位導(dǎo)航系統(tǒng)而且考慮到算法改進(jìn)的成本問(wèn)題，相比較于現(xiàn)有的gps接收機(jī)需要更換硬件設(shè)備，gps軟件接收機(jī)只需改動(dòng)軟件，具有更強(qiáng)的靈活性和開放性。1.1 航空領(lǐng)域的應(yīng)用gps在航空領(lǐng)域的應(yīng)用推動(dòng)著全球衛(wèi)星系統(tǒng)(gnss)的發(fā)展， 它可以提供從航路直到精密飛行軌道階段（起飛、 降落）的引導(dǎo)。 1.1.2 空間運(yùn)載引導(dǎo)從1992年起，gps接收機(jī)便被用于topex/poseido

15、n衛(wèi)星上， 這種衛(wèi)星是用于研究海洋環(huán)境的。 1.1.3 海洋應(yīng)用 商業(yè)和娛樂海事企業(yè)都已在利用gnss。從洋面旅行到內(nèi)河航路，尤其是艱險(xiǎn)的水域，所有船舶的導(dǎo)航都得到了提高。 1.1.4 陸用gps 測(cè)繪行業(yè)依靠差分gps已經(jīng)獲得毫米級(jí)的測(cè)量精度。鐵路部門利用類似的技術(shù)獲得相對(duì)于附近的鐵軌組的火車位置。 gps是智能交通系統(tǒng)(its)的關(guān)鍵組成部分。 1.2 論文內(nèi)容安排本文所做的工作是利用matlab軟件搭建gps仿真平臺(tái)。本文闡述了ca碼的生成原理與gps信號(hào)的生成原理，捕獲和跟蹤的原理，gps信號(hào)的捕獲和跟蹤。利用fft相關(guān)法進(jìn)行時(shí)間和頻率串行搜索，。然后，利用matlab仿真環(huán)境開發(fā)信號(hào)

16、仿真平臺(tái)，并利用此仿真器實(shí)現(xiàn)gps信號(hào)的仿真，并對(duì)所提出的信號(hào)的捕獲和跟蹤算法進(jìn)行了仿真。2 gps的c/a碼捕獲2.1 介紹c/a碼（coarse acquisition code）是用于粗測(cè)距和捕獲gps衛(wèi)星信號(hào)的偽隨機(jī)碼。它是由兩個(gè)10級(jí)反饋移位寄存器組合產(chǎn)生的，其產(chǎn)生原理如圖2-1所示。圖2-1 c/a碼發(fā)生器2.2 c/a碼起始點(diǎn)的精確性輸入信號(hào)以5 mhz的頻率數(shù)字化，或者說(shuō)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)相隔200 ns。這樣的時(shí)間分辨率，與之相應(yīng)的距離分辨率大約是60 m（310820010-9），這個(gè)數(shù)值對(duì)確定用戶位置來(lái)說(shuō)不夠精確。由于gps信號(hào)與接收機(jī)數(shù)字時(shí)鐘不同步，所以某個(gè)特定數(shù)據(jù)點(diǎn)不可能完

17、全匹配c/a碼起始點(diǎn)。在最壞情況下，即c/a碼的起始點(diǎn)落在兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中間，c/a碼的數(shù)字化起始點(diǎn)與真實(shí)值相差100 ns。捕獲過(guò)程只能在數(shù)字頻率下測(cè)量出c/a碼起始點(diǎn)的精確性，而我們需要的是測(cè)得c/a碼起始點(diǎn)極其精確。 傳統(tǒng)跟蹤環(huán)，本地生成c/a碼每毫秒更新一次。更新的目的是生成c/a碼來(lái)匹配輸入信號(hào)的c/a碼， 并且生成一個(gè)載波頻率來(lái)匹配輸入信號(hào)的載波頻率。這里僅討論c/a碼的匹配問(wèn)題。例如，如果實(shí)際的c/a碼的起始點(diǎn)準(zhǔn)確落在兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間，完全可以產(chǎn)生一個(gè)本地c/a碼，準(zhǔn)確地匹配這一點(diǎn)。但是，由于噪聲的影響，本地生成的c/a碼只能接近目標(biāo)值，不會(huì)完全達(dá)到目標(biāo)值。在bass方法跟蹤過(guò)程中，本

18、地產(chǎn)生的c/a碼是固定的，第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)通常從c/a碼的起始點(diǎn)開始，且這個(gè)碼元將一直使用。 在最糟情況下，本地產(chǎn)生的c/a碼和數(shù)字輸入之間相差100 ns。 可以采用兩種方法，以較高的測(cè)時(shí)精度來(lái)找出輸入信號(hào)中c/a碼的起始點(diǎn)。一個(gè)方法是利用三種信號(hào)：即時(shí)碼、超前碼和滯后碼。 本地產(chǎn)生的c/a碼看做即時(shí)碼。利用這個(gè)信號(hào)以固定間隔產(chǎn)生超前碼和滯后碼。 c/a碼以5 mhz的頻率生成即時(shí)碼。c/a碼為1 ms長(zhǎng)，產(chǎn)生5000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，超前碼和滯后碼通過(guò)平移即時(shí)碼獲得。 圖69示意了即時(shí)碼，數(shù)據(jù)點(diǎn)從1到5000，任意選擇平移兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，向前平移兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)得到超前碼，即4999,5000,1,2,4998

19、; 向后平移兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到滯后碼， 次序?yàn)?,4,5000,1,2。 產(chǎn)生的這三個(gè)碼都與輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。 另一個(gè)方法是利用五種信號(hào)：一個(gè)即時(shí)碼， 兩個(gè)超前碼和兩個(gè)滯后碼。 將即時(shí)碼移動(dòng)四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)產(chǎn)生附加的一個(gè)超前碼和滯后碼。 2.2 matlab仿真c/a碼的產(chǎn)生及調(diào)制2.3 matlab仿真c/a碼的產(chǎn)生 2.3.1 最大長(zhǎng)度序列(mls)和g2的輸出及其延遲時(shí)間的檢驗(yàn)該仿真程序的原理性描述見圖4-5， 運(yùn)行結(jié)果見圖4-9。 其完整的m程序代碼如下： %產(chǎn)生c/a碼的方法一%k1=2; k2=6; delay=5; %將10號(hào)寄存器的 reg=-ones(1,10); %定義參數(shù)k1

20、、 k2以及延遲%定義寄存器110的初始值都為-1%通過(guò)循環(huán)產(chǎn)生長(zhǎng)度為1024的mls序列以及g2序列for j=1:1023;mls(j)=reg(10); %將10號(hào)寄存器的輸出作為 mls 輸出 modulo=reg(2)*reg(3)*reg(6)*reg(8)*reg(9)*reg(10);reg(2:10)=reg(1:9);reg(1)=modulo;g2(j)=reg(k1)*reg(k2); %將參數(shù)k1和k2所代表的寄存器模二相加后作為g2 輸出end%將g2與mls進(jìn)行延遲檢驗(yàn)if mlsg2(delay:1023 1:delay-1) disp(ok)elsedisp(

21、not match)end%在g2序列中找出-1并轉(zhuǎn)換為0， 找出1并轉(zhuǎn)換為1 ind1=find(g2-1);ind2=find(g21);g2(ind1)=ones(1,length(ind1);g2(ind2)=zeros(1,length(ind2);temp=g2(1:120);x(1)=0;show(1)=temp(1);p=2;%下面的循環(huán)是為了將結(jié)果顯示成方波形式for i=2:length(temp) if (temp(i)=temp(i-1) x(p)=i-1; show(p)=temp(i-1); x(p+1)=i-1+0.01; show(p+1)=temp(i); p

22、=p+2; else show(p)=temp(i); x(p)=i; p=p+1; endend%畫出仿真結(jié)果圖plot(x,show);axis(0 length(x)-60 -0.1 1.1); grid; 圖2-3 最大長(zhǎng)度序列(mls)和g2的輸出2.3.2 c/a碼的產(chǎn)生 該程序?qū)/a碼的產(chǎn)生進(jìn)行了仿真，運(yùn)行結(jié)果顯示了第4顆衛(wèi)星產(chǎn)生的c/a碼，如圖4-10所示。仿真程序完整的m程序代碼如下：2.3.3 程序代碼%產(chǎn)生c/a碼的方法二%本程序要求輸入衛(wèi)星的編號(hào)， 在圖4-10中顯示的是第4顆衛(wèi)星產(chǎn)生的c/a碼， 即輸入為4svnum=input(enter the satellit

23、e number = );g2s = 5;6;7;8;17;18;139;140;141;251;252;254;255;256;257;258;469;470;471; .472;473;474;509;512;513;514;515;516;859;860;861;862;g2shift=g2s(svnum,1); reg =-1*ones(1,10); %將110號(hào)寄存器的初始值設(shè)為-1%將10號(hào)寄存器的輸出作為g1碼%并將10號(hào)寄存器與3號(hào)寄存器輸出模二相加后反饋給1號(hào)寄存器for i = 1:1023,g1(i) = reg(10);slave1 = reg(3)*reg(10);r

24、eg(1,2:10) = reg(1:1:9);reg(1) = slave1;end reg = -1*ones(1,10); %將110號(hào)寄存器的初始值設(shè)為-1%將10號(hào)寄存器的輸出作為g2碼%并將10、 9、 8、 6、 3、 2寄存器輸出模二相加后反饋給1號(hào)寄存器for i = 1:1023,g2(i) = reg(10);save2 = reg(2)*reg(3)*reg(6)*reg(8)*reg(9)*reg(10);reg(1,2:10) = reg(1:1:9);reg(1) = save2;endg2tmp(1,1:g2shift)=g2(1,1023-g2shift+1:

25、1023);g2tmp(1,g2shift+1:1023)=g2(1,1:1023-g2shift);g2 = g2tmp; %g1和g2卷積后得到c/a碼ss-ca = g1.*g2; ca = ss-ca;%在c/a碼的序列中找出-1并轉(zhuǎn)換為0， 找出1并轉(zhuǎn)換為1ind1=find(ca=-1);ind2=find(ca=1);ca(ind1)=ones(1,length(ind1);ca(ind2)=zeros(1,length(ind2);temp=ca(1:102) ;%下面的循環(huán)是為了將結(jié)果顯示成方波形式x(1)=0;show(1)=temp(1);p=2;for i=2:leng

26、th(temp) if (temp(i)=temp(i-1) x(p)=i; show(p)=temp(i-1);x(p+1)=i+0.01; show(p+1)=temp(i); p=p+2; else show(p)=temp(i); x(p)=i; p=p+1; endend%畫出仿真結(jié)果圖plot(x,show);axis(0 length(x)+5 -1 1.5); grid; 2.3.3 模擬產(chǎn)生代碼波形圖2-4 第4顆衛(wèi)星產(chǎn)生的c/a碼3 gps衛(wèi)星信號(hào)的捕獲3.1 概述為了跟蹤和解碼gps信號(hào), 首先要捕獲到gps信號(hào)。將捕獲到的gps信號(hào)的必要參數(shù)立刻傳遞給跟蹤過(guò)程，再通過(guò)跟

27、蹤過(guò)程便可得到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。gps衛(wèi)星處于高速運(yùn)動(dòng)中，因此，其頻率會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。為覆蓋高速衛(wèi)星預(yù)期中的所有多普勒頻率范圍，捕獲方法覆蓋的頻率范圍必須在10 khz之內(nèi)。針對(duì)某個(gè)特定的衛(wèi)星信號(hào)， 捕獲過(guò)程就是要找到c/a碼的起始點(diǎn)，并利用找到的起始點(diǎn)展開c/a碼頻譜，一旦復(fù)現(xiàn)了c/a碼的頻譜， 輸出信號(hào)將變成連續(xù)波（continuous wave， cw），于是便得到其載波頻率。也就是說(shuō)，捕獲過(guò)程就是要獲得輸入信號(hào)的c/a碼的起始點(diǎn)和載波頻率，然后傳遞給跟蹤過(guò)程。 3.2 衛(wèi)星信號(hào)捕獲的考慮 3.2.1 捕獲時(shí)的最大電文長(zhǎng)度 c/a碼長(zhǎng)1 ms，那么至少要用1ms的電文來(lái)捕獲，甚至只用1

28、ms的電文來(lái)捕獲時(shí)，都可能發(fā)生導(dǎo)航電文相位偏移。因此，為了保證捕獲電文中不含有數(shù)據(jù)偏移，需要用兩組連續(xù)的電文來(lái)捕獲， 這個(gè)電文最大長(zhǎng)度是10 ms。如果使用兩組連續(xù)的10 ms電文來(lái)捕獲， 就保證了在某一組電文中不含相位偏移。 限制電文長(zhǎng)度的第二個(gè)因素是c/a碼的多普勒效應(yīng)。3.2.2 捕獲中的頻率步長(zhǎng) 捕獲時(shí)的另一個(gè)考慮因素是捕獲中剝離載波所需的頻率。步進(jìn)頻率的大小與捕獲中的電文長(zhǎng)度緊密相關(guān)。如果輸入信號(hào)與本地混頻信號(hào)相距1個(gè)周期，它們兩者沒有相關(guān)性；如果兩者小于1個(gè)周期， 則它們有部分相關(guān)性。解決信號(hào)周期和步進(jìn)頻率問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是頻率相離與電文長(zhǎng)度成反向關(guān)系。 可得出如下結(jié)論：捕獲中的

29、操作執(zhí)行次數(shù)與總的數(shù)據(jù)點(diǎn)并不是成線性比例關(guān)系，當(dāng)電文長(zhǎng)度從1 ms上升到10 ms時(shí)，電文長(zhǎng)度上升10倍，頻率點(diǎn)數(shù)目也上升了10倍， 捕獲所需的操作次數(shù)上升了不止10倍。因此，實(shí)際捕獲時(shí)， 如果強(qiáng)調(diào)捕獲的速度的話，電文長(zhǎng)度需保持在最小值。 執(zhí)行次數(shù)的增加，取決于實(shí)際捕獲所用的方法，下面將討論具體的捕獲方法。 3.3 gps衛(wèi)星信號(hào)的捕獲方法 3.3.1 傳統(tǒng)捕獲方法捕獲的基本思想就是展開輸入信號(hào)，找到載波頻率。如果相位正確的c/a碼與輸入信號(hào)相乘，輸入信號(hào)將如圖4-1中所示變成一個(gè)連續(xù)信號(hào)。圖3-1中最上端是輸入信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是c/a碼編碼的射頻信號(hào)相位。中間的圖表示c/a碼，其值在1之間。

30、最下端的圖是連續(xù)信號(hào)，代表輸入信號(hào)與c/a碼的乘積，是一個(gè)連續(xù)信號(hào)，這個(gè)過(guò)程有時(shí)稱做輸入信號(hào)的c/a碼剝離。 圖3-1c/a編碼的輸入信號(hào)與本地c/a碼相乘3.3.2 c/a碼數(shù)值分析一旦輸入變成連續(xù)信號(hào)，通過(guò)傅立葉變換可以知曉其頻率?？梢栽O(shè)置一個(gè)閾值，即一個(gè)門限來(lái)判斷一個(gè)頻率分量是否足夠大。高于這個(gè)門限的最高頻率分量就是我們要找的頻率。 由于輸入信號(hào)中c/a碼的起始點(diǎn)還未知，因此，必須先找到這個(gè)點(diǎn)。為了找到這個(gè)點(diǎn)，我們產(chǎn)生本地的一個(gè)c/a碼，將其數(shù)字化為5000個(gè)點(diǎn)，且與輸入信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，對(duì)此乘積的結(jié)果進(jìn)行fft或dft，可以找到其頻率。通過(guò)這種方法，可以用時(shí)間分辨率為200 ns(1/5

31、 mhz)和1 khz的頻率分辨率找出c/a碼的起始點(diǎn)。 如果使用10 ms的電文，因?yàn)樾盘?hào)只需要卷積1 ms，因此需要5000次操作。每次操作包含50 000個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)乘積和50 000次fft，總共有1.25108(500025 000)個(gè)輸出結(jié)果。3.4 gps衛(wèi)星信號(hào)捕獲的例子 程序中所用到的輸入電文在時(shí)域內(nèi)的情形如圖3-2所示。 輸入信號(hào)看起來(lái)像噪聲，其頻率描繪可通過(guò)fft求得，如圖3-3所示。正如預(yù)料的，fft變換后帶寬是2.5 mhz，其頻譜形狀與射頻鏈的濾波器形狀相似，通過(guò)循環(huán)相關(guān)后如圖3-4所示， 其中給出了6號(hào)衛(wèi)星的c/a碼起始點(diǎn)，其起始點(diǎn)在2884。圖3-5給出了相距1 k

32、hz的21個(gè)頻率分量，最高值發(fā)生在k=7處。從圖3-6和3-7我們可以輕易地看出c/a碼的起始點(diǎn)和頻率。由于輸入電文是實(shí)際收集到的數(shù)據(jù)，精頻的精確度就難以測(cè)定， 因?yàn)槠涠嗥绽疹l率未知。精頻還取決于在下變頻中用到的本地振蕩器的頻率精確性和采樣頻率的精確性。圖3-2 5000個(gè)輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)圖3-3 輸入信號(hào)的快速傅立葉變換圖 3-4 6號(hào)衛(wèi)星的c/a碼起始點(diǎn)圖3-5衛(wèi)星6的展開的各個(gè)頻率分量對(duì)弱信號(hào)（24號(hào)衛(wèi)星）執(zhí)行捕獲，如圖4-6和圖4-7所示。從圖中我們很難判斷c/a 碼的起始點(diǎn)和頻率是否為正確值，需要通過(guò)另外的相關(guān)運(yùn)算才能找出它們圖3-6 24號(hào)衛(wèi)星的c/a碼起始點(diǎn)圖3-7 24號(hào)衛(wèi)星的展開信

33、號(hào)的頻率分量3.5 關(guān)于捕獲的一些子程序 3.5.1 隨機(jī)編碼過(guò)程仿真打開matlab，新建一個(gè)mfile，輸入以下的文本，保存為generatecode.m，并調(diào)試運(yùn)行?？梢詥尾交蚨嗖竭\(yùn)行m文件。%該程序仿真產(chǎn)生三組偽隨機(jī)數(shù)， 模擬隨機(jī)編碼過(guò)程close all;clear;clc;t=0:5:1000; %時(shí)間變量為1 s， 步長(zhǎng)5 ms%x1=rand(1,length(t); %生成一組1*length(t)維的偽隨機(jī)數(shù)x1=round(x1); %將x1數(shù)組中的元素轉(zhuǎn)換到與其最近的整數(shù)index1=find(x1=0); %找出x1數(shù)組中為0的元素x1(index1)=-ones(1

34、,length(index1); %返回一個(gè)index1長(zhǎng)度的一維數(shù)組x2=rand(1,length(t);x2=round(x2);index1=find(x2=0);x2(index1)=-ones(1,length(index1); x3=rand(1,length(t);x3=round(x3);index1=find(x3=0);x3(index1)=-ones(1,length(index1); y1=zeros(1,1); y2=zeros(1,1); y3=zeros(1,1); %生成三個(gè)1*1的零矩陣，存放偽隨機(jī)值t1=zeros(1,1); t2=zeros(1,1);

35、 t3=zeros(1,1); %生成三個(gè)1*1的零矩陣，存放時(shí)間值%將生成的偽隨機(jī)值存放到對(duì)應(yīng)的矩陣中%y1(1)=x1(1); y2(1)=x2(1); y3(1)=x3(1);t1(1)=t(1);t2(1)=t(1);t3(1)=t(1);k=2;m=2;n=2;for i=2: length(t) if (x1(i)=x1(i-1) y1(k)=x1(i); t1(k)=t(i); k=k+1; else y1(k)=x1(i-1); y1(k+1)=x1(i); t1(k)=t(i); t1(k+1)=t(i)+0.01; %如果該時(shí)刻階躍變化， 則右移0.01來(lái)記錄 k=k+2;

36、 end if (x2(i)=x2(i-1) y2(m)=x2(i); t2(m)=t(i); m=m+1; else y2(m)=x2(i-1); y2(m+1)=x2(i); t2(m)=t(i); t2(m+1)=t(i)+0.01; m=m+2; end if (x3(i)=x3(i-1) y3(n)=x3(i); t3(n)=t(i); n=n+1; else y3(n)=x3(i-1); y3(n+1)=x3(i); t3(n)=t(i); t3(n+1)=t(i)+0.01; n=n+2; endend%畫圖說(shuō)明產(chǎn)生的三組偽隨機(jī)碼%subplot(3,1,1);plot(t1,y

37、1,y);grid on;axis(-1,1001,-1.5,1.5);subplot(3,1,2);plot(t2,y2,y);grid on;axis(-1,1001,-1.5,1.5);subplot(3,1,3);plot(t3,y3,y);grid on;axis(-1,1001,-1.5,1.5); whitebg(black);%將三組偽隨機(jī)值存放到新矩陣并傳送到workspace中， 方便以后調(diào)用數(shù)據(jù)%simin1=t1;y1;simin2=t2;y2;simin3=t3;y3; 輸入上面的文本后，運(yùn)行得到如圖5-29所示的偽隨機(jī)碼。 其結(jié)果還可以通過(guò)workspace查看，之

38、所以要傳送到workspace中， 是因?yàn)槲覀冊(cè)诤竺娴姆抡嬷羞€要用到這些偽隨機(jī)碼。 圖 3.8 模擬三組偽隨機(jī)碼的仿真示意圖3.5.2 獲取導(dǎo)航信息的仿真在這個(gè)仿真中，我們要得到衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，其中忽略了頻率偏移，且衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)據(jù)是基于前面章節(jié)中得到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，存放在gpssignal.mat文件中。在運(yùn)行程序之前， 我們必須將gpssignal.mat中的數(shù)據(jù)傳送到workspace中。 clear; %清除所有的變量clc; %關(guān)閉所有指令窗close all; %關(guān)閉所有未隱藏的窗口load gpssignal.mat %從gpssignal.mat中獲得所有變量到workspace中%

39、n=length(gpssignal);%svnum=12;%調(diào)用fgeneratecacode3.m文件， 獲得衛(wèi)星編號(hào)為12的c/a碼temp=fgeneratecacode3(svnum);index1=find(temp=0); %找出c/a碼中的低電平， 形成列向量存放在index1中temp(index1)=-ones(1,length(index1); %返回一個(gè)與index1相同長(zhǎng)度的一維數(shù)組 sinwave=sin(0:2*pi/8:2*pi*7/8); %產(chǎn)生一個(gè)步進(jìn)2*pi/8的正弦波sinwave=single(sinwave); %將sinwave矩陣轉(zhuǎn)換成單精度矩陣

40、gpsmatch=zeros(1,1); %生成一個(gè)1*1的零矩陣sinwave=sinwave sinwave sinwave sinwave sinwave; gpssignal.mat %生成一個(gè)5 ms的連續(xù)信號(hào) for i=1:length(temp) gpsmatch=gpsmatch temp(1,i)*sinwave; end gpsmatch=gpsmatch(2:length(gpsmatch); %生成本地匹配信號(hào)并去掉第一個(gè)元素n=length(gpsmatch);m=50000;for i=1:m res(i)=gpsmatch*gpssignal(1,i:i+n-1

41、); %將本地生成匹配信號(hào)gpsmatch與gpssignal循環(huán)卷積 endplot(1:m,res); %圖示卷積的幅值%res2=abs(res);for i=1:100 %該循環(huán)目的是找出res中的最大值c i=max(res2);res2(1,i)=0;index(1,i)=i;end;%下面是要找到gps signal中的導(dǎo)航電文% %方法是檢驗(yàn)gps signal(已被c/a code調(diào)制過(guò))的每個(gè)最大值處是否具有相位偏移%w=length(gpsmatch);m=1;for i=index(1,1):w:(length(gpssignal)-w+1) navigationbit

42、(m)=(gpssignal(i:i+w-1)*gpsmatch)/w; m=m+1;endnavigationcode=zeros(1,1);navigationcode(1,1)=navigationbit(1,1);m=2;count=0; for i=2:length(navigationbit) if(navigationbit(1,i)=navigationbit(1,i-1) navigationcode(1,m)=navigationbit(1,i); m=m+1; count=0; else count=count+1; if(count=5) navigationcode(

43、1,m)=navigationbit(1,i); m=m+1; count=0; end endend %我們已得到導(dǎo)航碼navigationcode,下面將它轉(zhuǎn)化成數(shù)字%navigationcode=navigationcode./abs(navigationcode);index1=find(navigationcode0);navigationcode(index1)=zeros(1,length(index1);table1=0 0 0 0; 0 0 0 1; 0 0 1 0; 0 0 1 1; 0 1 0 0; 0 1 0 1; 0 1 1 0; 0 1 1 1; 1 0 0 0;

44、1 0 0 1; 1 0 1 0; 1 0 1 1; 1 1 0 0; 1 1 0 1; 1 1 1 0; 1 1 1 1; result=; for i=1:4:length(navigationcode) tt=navigationcode(i:i+3); matchtable=table1(:,1:4)-tt; tt; tt; tt; tt; tt;tt; tt; tt;tt; tt; tt;tt; tt; tt;tt; matchtable=sum(abs(matchtable); tempchar=0; bestmatch=find(matchtable=min(matchtable

45、); %用查表的方式將導(dǎo)航碼navigationcode轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù) switch (bestmatch) case 1 tempchar=0; case 2 tempchar=1; case 3 tempchar=2; case 4 tempchar=3; case 5 tempchar=4; case 6 tempchar=5; case 7 tempchar=6; case 8 tempchar=7; case 9 tempchar=8; case 10 tempchar=9; case 11 tempchar=a; case 12 tempchar=b; case 13 tempc

46、har=c; case 14 tempchar=d; case 15 tempchar=e; case 16 tempchar=f; otherwise end result=strcat(result, tempchar); %將result與tempchar兩行的字符連接到一起 end num1=hex2num(result(1:16); %將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，存放在num1中，值應(yīng)為10.23 num2=hex2num(result(17:32); %存放在num2中， 值應(yīng)為6.24 num3=hex2num(result(33:48); %存放在num3中， 值應(yīng)為17.8

47、圖3-9 本地生成信號(hào)與gps信號(hào)的卷積結(jié)果4 gps 信號(hào)接收機(jī)仿真系統(tǒng)概述4.1 gps信號(hào)接收機(jī)衛(wèi)星信號(hào)是通過(guò)天線接收到的，天線單元由接收天線和前置放大器組成。如果gps接收機(jī)只跟蹤l1波段上的c/a碼， 天線（和接收機(jī)）在飛機(jī)上傾向于使用薄剖面、低空氣阻力的片狀天線，而陸上運(yùn)載體（如汽車）可使用較大外形的天線選擇天線時(shí)需要考慮的參數(shù)有天線增益場(chǎng)形、可用的安裝面積、空氣動(dòng)力性能、多徑性能、無(wú)線電相位中心的穩(wěn)定度和抗干擾性等。而自適應(yīng)調(diào)零天線是電子可調(diào)的，在天線方向圖中，在干擾源方向上建立零點(diǎn)。接收單元包括信號(hào)通道單元、存儲(chǔ)單元、計(jì)算和顯示單元以及電源四部分。其中核心部分是信號(hào)通道單元，通常由硬件和軟件組成。在接收單元，gps射頻信號(hào)被下變頻到中頻（if），利用模/數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換器對(duì)if信號(hào)采樣和數(shù)字化?；鶐幚砥鲗?duì)接收機(jī)進(jìn)行控制，包括信號(hào)的截獲、信號(hào)跟蹤和數(shù)據(jù)采集。i/o端口是在gps接收機(jī)和用戶之間的接口。 i/o端口有兩種基本類型：整裝的和外置的。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，i/o端口是一個(gè)cdu（控制顯示單元）。cdu允許操作員進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，顯示出工作狀況和導(dǎo)航參數(shù)，還有許多導(dǎo)航功能，如輸入航路點(diǎn)、待航時(shí)間等。電源可能