GPS接收機導航電文解調算法實現(xiàn)開題報告

1、畢業(yè)設計（論文）誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表和撰寫的研究成果，也不包含為獲得華東交通大學或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。如在文中涉及抄襲或剽竊行為，本人愿承擔由此而造成的一切后果及責任。本人簽名 導師簽名 年 月 日*大學畢業(yè)設計（論文）任務書姓名學號畢業(yè)屆別專業(yè)畢業(yè)設計（論文）題目 gps接收機導航電文解調算法實現(xiàn)指導教師學 歷職 稱1、要求（作為評分標準）：（1）基本要求：1）、掌握gps工作原理及matlab工具的使用；2）、熟悉icd-

2、gps-200，掌握導航電文的結構及特點； 3）、掌握偽距的測量原理；4）、用matlab完成導航電文位同步算法的仿真與實現(xiàn)；5）、在位同步的基礎上，用matlab仿真實現(xiàn)導航電文幀同步算法；6）、用 matlab仿真實現(xiàn)導航電文的解調；（2）創(chuàng)新性要求：在課題進展順利和時間允許的情況下, 1）在完成導航電文的解調的基礎上，完成原始觀測量的提取，并實現(xiàn)偽距的計算；2、進度安排：學習并掌握gps接收機的工作原理及matlab工具的運用；熟悉icd-gps-200，掌握導航電文的結構及特點，掌握偽距的測量原理；用matlab完成導航電文位同步算法的仿真與實現(xiàn)；在位同步的基礎上，用matlab仿真實

3、現(xiàn)導航電文的同步算法；仿真實現(xiàn)導航電文的解調；提取相應時間信息并結合提取的原始觀測量值實現(xiàn)偽距的計算；完成論文的撰寫； 指導教師簽字： 年月日 教研室意見：符合要求 教研室主任簽字： 日題目發(fā)出日期設計（論文）起止時間附注： 華東交通大學畢業(yè)設計（論文）開題報告書課題名稱gps接收機導航電文解調算法實現(xiàn)課題來源 橫向課題課題類型bx導 師學生姓名學 號專 業(yè)一、開題報告內容： 1、文獻綜述1.1 gps系統(tǒng)及gps軟件接收機1.1.1 gps系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)（global posit4ing system gps）是美國從本世紀 70 年代開始研制，以全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及

4、其獨具的定位導航、授時校頻、精密測量等多方面強大功能，已涉足眾多的應用領域，使 gps 衛(wèi)星導航系統(tǒng)成為繼蜂窩移動通信和互聯(lián)網之后的全球第三個 it經濟新增長點。 gps 系統(tǒng)包括三大部分：空間部分gps 衛(wèi)星星座；地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分gps 信號接收機。 gps 衛(wèi)星星座 由21顆工作衛(wèi)星和 3 顆在軌備用衛(wèi)星組成 gps 衛(wèi)星星座，記作（21+3）gps星座。24 顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內，軌道傾角為 55 度，各個軌道平面之間相距 60 度，即軌道的升交點赤經各相差 60 度。每個軌道平面內各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差 90 度，同一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平

5、面上的相應衛(wèi)星超前 30 度。 地面監(jiān)控系統(tǒng)gps 工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個測站主要的任務就是所有gps衛(wèi)星的星歷且保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準gps時間系統(tǒng)。 gps 信號接收機能夠捕獲一定衛(wèi)星高度的待測衛(wèi)星信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的信號，對所收到的gps信號進行變換、放大和處理，以便測量出gps信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出gps衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置。1.1.2 gps軟件接收機gps系統(tǒng)用戶部分的核心是gps軟件接收機。軟件接收機主要由兩部分組成：信號采集硬件電路和數(shù)據(jù)處理軟件。硬件細分為天線，射頻電路模塊，降頻模塊，串并轉

6、換模塊，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理軟件主要由基帶信號處理和導航解算兩部分組成，其中基帶信號處理部分主要包括對gps衛(wèi)星信號的二維搜索、捕獲、跟蹤、偽距計算、導航數(shù)據(jù)解碼等工作。導航解算部分主要包括根據(jù)導航數(shù)據(jù)中的星歷參數(shù)實時進行各可視衛(wèi)星位置計算；根據(jù)導航數(shù)據(jù)中各誤差參數(shù)進行星鐘誤差、相對論效應誤差、地球自轉影響、信號傳輸誤差(主要包括電離層實時傳輸誤差及對流層實時傳輸誤差)等各種實時誤差的計算，并將其從偽距中消除；根據(jù)上述結果進行接收機pvt（位置、速度、時間）的解算；對各精度因子(dop)進行實時計算和監(jiān)測以確定定位解的精度。圖1 軟件接收機系統(tǒng)框圖1.2 matlab工具簡單介紹matlab

7、軟件是由美國mathworks公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學計算系統(tǒng)環(huán)境。matlab是英文mat3ix laboratory(短陣實驗室)的縮寫。matlab軟件集中了日常數(shù)學處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在matlab環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。1.3 國內外研究現(xiàn)狀1.3.1 國外gps導航的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢衛(wèi)星導航，是接收導航衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號，并以導航衛(wèi)星作為動態(tài)己知的點，實時的測定運動載體的在航位置和速度，進而完成導航。1958年美國就開始了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研究，它也開創(chuàng)了

8、衛(wèi)星應用的新領域。1963年，第一顆導航衛(wèi)星進入軌道，標志著人造衛(wèi)星導航正式登上歷史舞臺。1994年3月，第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)一一“gps衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)”的全面建成，不僅導致了無線電導航的一場變革，而且為大地測量學、地球動力學、地球物理學、天體力學、載人航天學、全球海洋學和全球氣象學提供了一種高精度和全天候的測量新技術。今天，衛(wèi)星導航己經成為名副其實的跨專業(yè)、跨行業(yè)、廣用途、高效益的綜合性高新技術。目前應用中的衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要是美國的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(gps)以及俄羅斯的（glonass）衛(wèi)星導航系統(tǒng)、中國的北斗一l衛(wèi)星導航系統(tǒng)。正在建設開發(fā)中的有歐盟的伽利略(galllco)衛(wèi)星導航系統(tǒng)，印

9、度的印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng) (irnss)，日本的準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(qzss)。我國也在積極推進北斗二代(bd-2)衛(wèi)星導航系統(tǒng)的開發(fā)工作。在未來的20到30年內，衛(wèi)星導航發(fā)展的主要趨勢是:(1)發(fā)展全球、全天候、高精度、連續(xù)、實時的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng);(2)發(fā)展由多種導航設備組合到一起的組合導航系統(tǒng);(3)發(fā)展集通信、導航、指揮等功能于一體的綜合導航系統(tǒng);(4)發(fā)展時間基準波束掃描微波著陸以及利用gps等進行精密著陸的開發(fā)。導航設備實現(xiàn)小型化、微型化、數(shù)字化和自動化，進而無人值守?？偟膩碚f，以衛(wèi)星導航為基準的相對單一的無線電導航系統(tǒng)將是人類在和平時期的發(fā)展主流。1.3.2 國內gps導航的研究現(xiàn)狀

10、我國衛(wèi)星導航技術研究起始于60年代末的691計劃，70年代后期以來，國內開展了適合國情的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)研究，先后提出了單星、雙星、三星和3-5星的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)方案，以及多星的全球系統(tǒng)設想，并考慮到了導航定位與通信等綜合運用問題。2000年10月31日和12月21日我國相繼成功發(fā)射了第一顆和第二顆導航定位試驗衛(wèi)星，自行建立了第一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)“北斗導航系統(tǒng)”(也稱雙星系統(tǒng))。這個系統(tǒng)建成后，主要為公路交通、鐵路運輸、海上作業(yè)等領域提供導航服務，對我國國民經濟建設將起到積極推動作用。“北斗”由兩個經度上相距600的地球靜止衛(wèi)星 (geo)對用戶雙向測距，由一個配有電子高程圖的地面中心站

11、定位，另有幾十個分布全國的參考標校站和大量用戶機。1.4 論文關鍵部分介紹1.4.1 gps信號的解調在對信號完成捕獲以后，得到的載波頻率和c/a碼相位只是對gps信號的粗略估計。跟蹤部分的主要目的就是得到更精確的載波頻率和c/a碼相位，保持對信號的跟蹤和解調出特定衛(wèi)星的導航數(shù)據(jù)。圖2 解調原理框圖 圖中給出了從輸入信號中解調出導航信息的基本原理。首先，輸入信號和一個載波信號相乘，相乘后可以消除輸入信號中的載波。然后將消除載波后的信號和c/a碼相乘，相乘后輸出導航信息。由以上過程可以看出，跟蹤模塊必須產生載波信號和c/a碼信號來完成準確的跟蹤和衛(wèi)星信號的解調。1.4.2 同步和導航電文的提取對

12、接收到的gps信號進行捕獲和跟蹤等處理后，得到導航數(shù)據(jù)信息、碼相位和多普勒頻率等觀測量。對解調出的導航數(shù)據(jù)信息進行進一步的同步和奇偶校驗處理，可以提取出gps定位需要的導航電文。在衛(wèi)星發(fā)送的導航電文中包含衛(wèi)星軌道攝動參數(shù)、時間參數(shù)和開普勒參數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計算出衛(wèi)星的瞬時位置和gps接收機與衛(wèi)星之間的偽距，進而計算出gps接收機的位置。圖3 gps導航定位過程位同步：因為從跟蹤環(huán)輸出的信號是 1000bps的導航數(shù)據(jù)信息，所以在對導航數(shù)據(jù)解碼前，要將 1000bps的導航數(shù)據(jù)信息轉化為實際的50bps導航數(shù)據(jù)，也是就要將20個連續(xù)的值用1個值來代替，這個轉換過程即為位同步。進行位同

13、步，首先要找到導航信息序列中數(shù)據(jù)位跳變的時刻，然后再將1000bps的導航數(shù)據(jù)信息轉換為50bps的導航數(shù)據(jù)。在 gps軟件接收機采用“直方圖”算法來實現(xiàn)，獲取不同衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)的同步位信息，并將1000bps導航數(shù)據(jù)信息轉化為實際的50bps導航數(shù)據(jù)。子幀同步和奇偶校驗：在實現(xiàn)位同步以后，可以得到同步位信息和50bps導航數(shù)據(jù)。要提取導航數(shù)據(jù)中所包含的導航電文信息，首先要找到導航數(shù)據(jù)中各個子幀在50bps導航數(shù)據(jù)中的相對位置，所以要對所獲得的50bps導航數(shù)據(jù)進行子幀同步。然后在子幀同步完成以后，要對導航數(shù)據(jù)進行奇偶校驗。經過上述兩個過程后，就可以對gps導航電文中導航信息提取了。 提取導航電

14、文信息：奇偶校驗通過后，就可以按照導航電文的編碼格式得到電文中提供的參數(shù)了。例如導航電文第一數(shù)據(jù)塊中的電離層時延改正參數(shù)位于子幀1的第197位開始的8個數(shù)據(jù)位中，將這8個數(shù)據(jù)位的數(shù)轉化為十進制數(shù)，然后乘以縮放因子2-3，即可得到導航電文中真實的電離層時延改正參數(shù)信息。提取出的導航電文信息還包括軌道攝動參數(shù)、時間參數(shù)、開普勒參數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計算出衛(wèi)星的位置、接收機和衛(wèi)星之間的偽距，進而計算出接收機的位置。1.4.3 偽距的計算gps是基于時間測距原理來定位的，需要測量信號傳播時間，即從位置己知的衛(wèi)星發(fā)射時刻的信號到達用戶接受機經歷的時間，然后乘以光速得到衛(wèi)星和接收機的距離。接收機測

15、量的距離中包含了衛(wèi)星時鐘接收機時鐘不同步，傳播過程中由于電離層、對流層的影響而帶來的誤差，所以不同于真實距離，故稱之為偽距.gps系統(tǒng)涉及到的時間有鐘面時和gps系統(tǒng)時,其中鐘面時包括衛(wèi)星鐘面時和接收機鐘面時設衛(wèi)星發(fā)送gps信號的衛(wèi)星鐘面時為t1、gps系統(tǒng)時為t2;接收機接收到該信號的接收機鐘面為t3、gps系統(tǒng)時為t3。則衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差分別為:t1= t1-t2,t3= t3-t3 (1)信號傳播時間、衛(wèi)星至接收機的距離分別為:= t3-t2,r = c(t3-t2) (2)其中c為真空中的光速。實際上只能測得gps信號發(fā)射時刻的衛(wèi)星鐘面時t1和接收該信號的接收機鐘面時,所得觀測量為

16、:=t3-t1 (3)基于(1)(3)式,考慮電離層延遲、對流層延遲及多徑延遲等誤差,有:=t3-t3-(t2+t1)+t4+t6+t5 (4)pr=c=c(t3-t2)+ct3-ct1+ct4+ct6+ct5=r+ct3-ct1+ct4+ct6+ct5 (5)其中pr是含誤差的距離(衛(wèi)星與接收機)觀測量值,簡稱偽距;t1是衛(wèi)星鐘鐘差,其修正參數(shù)由衛(wèi)星發(fā)播的導航電文提供給用戶;t3是接收機鐘差,通過定位解算算法求得;t4是gps信號的電離層傳播延遲,通過導航電文提供的電離層模型的參數(shù)修正;t6是對流層傳播延遲,這部分誤差可修正其中的98%;t5是多徑效應引起的誤差,其與接收機所處環(huán)境有關,應另

17、作專題研究。綜上所述,式(5)中只有接收機的三維位置和t3為未知數(shù),因此,求解接收機的位置需要至少4顆以上的衛(wèi)星。1.5 立項可行性和必要性1.5.1 可行性分析本課題主要是研究gps接收機中軟件處理單元的解調環(huán)節(jié)，當跟蹤環(huán)節(jié)能夠穩(wěn)定的跟蹤衛(wèi)星信號的時候，跟蹤環(huán)節(jié)的i路輸出的數(shù)據(jù)比特組成的信號，我們將要從中提取出正確的導航電文并進行相應的解調和完成偽距的測量。從以下的方面可以分析出本課題研究的可行性：1) 課題組成員的基本情況：本課題的指導老師是信息與通信工程方面的專家，都曾參加過相關課題的研究，也曾在重要期刊上發(fā)表過一些優(yōu)秀論文。專家對我們的課題研究發(fā)揮良好的指導作用；2) 圍繞本課題所開展

18、的前期準備工作：在進行本課題研究之前，圍繞本課題做了大量的文獻搜集工作，查閱了大量的資料，并從網上下載了一批與gps導航電文提取與解調相關的文章，進行了學習研究；3) 完成研究任務的保障條件：學校圖書館館藏資源豐富，覆蓋面廣，學科體系完整館內擁有豐富的電子文獻資源，藏有各種電子出版物，先后引進中國期刊網等十多個國內外大型數(shù)據(jù)庫。因此，上述條件為研究資料的獲得提供了切實的保證。此外，我們的研究室具備一定的硬件和軟件條件，為研究的進行創(chuàng)造了良好的條件。1.5.1 必要性分析gps導航技術于20世紀80年代中期引入中國，迄今己在很多領域得到了一定程度的應用。1) 從國家安全方面看，由于現(xiàn)在是科技時代

19、，科技強則國家強，因此為了國家的安全必須大力發(fā)展gps技術，這已在北京奧運，汶川地震中得到體現(xiàn)，體現(xiàn)出國家對此的重視。2) 從社會影響方面看，gps技術已經廣泛應用于海陸空交通運輸，有線和無線通信，地質，資源調查，森林防火，醫(yī)療急救，海上搜救，精密測量，車輛監(jiān)控，目標監(jiān)控等領域。3) 從經濟效益方面看，它在軍事，交通，氣象，測繪，通信，治安，傳統(tǒng)產業(yè)改造等領域具有廣闊的發(fā)展前景。如果gps技術在各個領域都能得到推廣，那么它所創(chuàng)造出的價值會遠遠超出想象。但是目前gps在我國的應用還處于比較落后的狀態(tài)，主要體現(xiàn)在國內的gps應用產品市場上的大部分產品是進口的。在國產的產品中，絕大部分也都是利用進口

20、的gps接收機oem產品進行二次開發(fā)生產出來的。我國幾乎沒有獨立知識產權的gps芯片產品。由此可見，目前國內對gps的核心技術的研究還存在繼續(xù)深入的廣闊空間。目前，中國正在發(fā)展自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)，衛(wèi)星導航產業(yè)已經成為我國新的經濟增長點，同時，我國正加大力度發(fā)展我國集成電路產業(yè)，對于自主研發(fā)集成芯片的需求越來越大，而核心芯片是gps系統(tǒng)的關鍵部分之一，芯片技術直接關系到gps產品的技術指標和未來發(fā)展走向。所以對于gps導航技術的研究就很有必要性。2、參考文獻1 劉波. 接收機系統(tǒng)關鍵技術的研究與實現(xiàn). 哈爾濱工程大學.2006. 2 吳娟麗. gps軟件接收機的研究及matlab實現(xiàn).長安大學.2

21、009.3 曹夢成. 導航型軟件接收機技術研究. 中南大學.2007.4 曹意. gps 軟件接收機的實現(xiàn)與定位算法研究.上海交通大學，2009.5 張守信,gps衛(wèi)星測量定位理論與應用m.湖南:國防科技大學出版社,1996.6 孫禮,gps接收機系統(tǒng)的研究d.北京航空航天大學博士學位論文.1998.7 胡輝,高動態(tài)數(shù)字化gps接收機的研制d.上海航天局博士后工作站出站報告.20028 張孟陽,c/a碼gps定位誤差分析及改正方法研究 d.中國科學院電子學研究所博士學位論文.1997.9 趙少松，衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的算法研究.西北工業(yè)大學. 200710田炳麗 . gps軟件接收機導航電文提取的

22、研究. 國家海洋局第一海洋研究所.200911孫希延，紀元法，施滸立.gps軟件基帶信號處理與定位實現(xiàn)j.系統(tǒng)仿真學,2007,12趙昀，張其善.軟件gps接收機框架與捕獲算法實現(xiàn)j.北京航空航天大學學報13 borre k,akos d m,bertelsen n,et al.a software-defined gps and galileo receiver m. boston:birkhauser,2006;14 psiaki mark l.block acquisition of weak gps signal in a softeare receiverc/salt lake ci

23、ty:the institute of navigation,2001;15tsui j.fundamentals of global position system receiversm.new york:wiley inter-science,2000;16 basseville m.distance measures for signal processing and pattern recognitionj.signal processing,1989;17 saito n,coifman r.local discriminant basesc/laine a f, unser m a

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26、n aes.1987;22 d .natali. noise performance of a cross-product afc with decision feedback for dpsk signals j ieee t3ans. on comm.1986;課題類型：（1）a工程設計；b技術開發(fā)；c軟件工程；d理論研究； （2）x真實課題；y模擬課題；z虛擬課題 （1）、（2）均要填，如ay、bx等。華東交通大學畢業(yè)設計（論文）開題報告書二、方法及預期目的1、擬采用的研究方法及手段(1) 通過查閱文獻學習和了解國內外gps接收機的相關處理模塊與信號處理模塊的組成與基本原理，從而對gps

27、接收機建立起一定的概念；(2) 閱讀相關文獻了解gps的導航定位原理及相關的導航電文解算算法,并進行相關英文資料的翻譯；(3) 通過閱讀相關書籍熟悉icd-gps-200，掌握導航電文的結構及特點；(4) 通過已有的學位論文，并學習并掌握matabl軟件工具的使用，用matabl對gps導航電文位同步算法的仿真與實現(xiàn)，在位同步的基礎上，用matlab仿真實現(xiàn)導航電文幀同步算法；(5) 了解gps捕獲及跟蹤原理，掌握偽距的測量原理掌握從跟蹤鎖相環(huán)中輸出的數(shù)據(jù)解調到gps導航電文信息；根據(jù)導航電文的信息測得偽距.2、本課題要研究和待解決的問題及預期達到的目的1) 從跟蹤環(huán)路輸出的數(shù)據(jù)流中，首先搜索

28、前導字符，在進行子幀校驗邏輯檢查，確定這是同步頭后就可以進行導航電文的解調，包括星歷數(shù)據(jù)、歷書數(shù)據(jù)、電離層和對流層延遲矯正參數(shù)等；熟悉了解gps系統(tǒng)的三大組成部分和 gps的工作原理；2) gps系統(tǒng)涉及到的時間有鐘面時和gps系統(tǒng)時,其中鐘面時包括衛(wèi)星鐘面時和接收機鐘面時，所以我們要對gps信號進行位同步和幀同步處理；3) gps信號的位同步是確定數(shù)據(jù)位跳變邊沿、幀同步是確定子幀起始點的，根據(jù)位同步和幀同步來測量信號傳播的時間，測得相應的偽距；掌握偽距的測量原理及各種偽距的測量方法3、進度安排：20. 2010.12.25-2010.01.15 學習并掌握gps接收機的工作原理及matlab工具的運用；熟悉icd-gps-200，掌握導航電文的結構及特點，掌握偽距的測量 原理；2010.01.16-2010.02.10 用matlab完成導航電文位同步算法的仿真與實現(xiàn)；2010.02.11-2010.03.15 在位同步基礎上，用matlab仿真實現(xiàn)導航電文幀同步；2010.03.16-2010.05.16 仿真實現(xiàn)導航電文的解調；提取相應時間