全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的捕獲原理與單頻接收機(jī)實現(xiàn)

1、本科畢業(yè)論文題目全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的捕獲原理與單頻接收機(jī)實現(xiàn)學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 袁紅林 完成日期： 2015年5月29日 誠 信 承 諾 書本人承諾：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽 名： 日 期： 本論文使用授權(quán)說明本人完全了解南通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。（保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)

2、定）學(xué)生簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 南通大學(xué)畢業(yè)論文摘 要全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是一種利用地球軌道衛(wèi)星建立起來的覆蓋全球的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。它具有全天候、實時性和高精度的特點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。自美國的GPS投入運行以來，它對當(dāng)今世界的經(jīng)濟(jì)和軍事產(chǎn)生了重大影響，世界各國對它的依賴性不斷增強(qiáng)。與此同時，一些國家為了保障自身安全，避免受制于美國，紛紛研制自己的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。緊隨美國之后，俄羅斯建成了GLONASS系統(tǒng)，歐盟的伽利略(GALILEO)系統(tǒng)和中國的北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)也正在研制和部署。衛(wèi)星信號的捕獲是衛(wèi)星信號接收機(jī)的首要任務(wù)。只有完成衛(wèi)星信號的捕獲，才能開始后續(xù)處理過程，如跟蹤、定位導(dǎo)

3、航和觀測量提取。衛(wèi)星信號的捕獲實際上是一個二維搜索過程，即同時從偽隨機(jī)碼相位和載波多普勒頻移方向進(jìn)行搜索。這一搜索的目的是確定觀測到的衛(wèi)星，并估計出載波多普勒頻移和碼相位。本課題首先簡單介紹全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，對比四種導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的定位性能；然后研究GPS的定位原理、GPS信號的構(gòu)成以及單頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理；接著在掌握衛(wèi)星信號捕獲原理的基礎(chǔ)上，分析并研究了串行時域、并行頻域與快速碼相位捕獲算法；最后，采用MATLAB軟件在PC機(jī)上基于單頻接收機(jī)實現(xiàn)了GPS衛(wèi)星信號的快速碼相位捕獲算法，捕獲到7號衛(wèi)星信號，其多普勒頻移為7KHz，C/A碼初始相位為120度。關(guān)鍵詞：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；捕獲原理；單

4、頻接收機(jī) ABSTRACTGlobal navigation satellite system is a worldwide radio navigation system, which has been built up by using satellites orbiting the earth. It has the advantages of all-weather, real-time and high precision, so it has been widely used. Since American GPS put into operation, it has put an

5、 important impact on the economy and military worldwide, the dependence of the countries around the world for it grows increasingly. At the same time, in order to protect their own safety and avoid the subject to American, some countries have developed their own satellite navigation systems. Immedia

6、tely following America, Russian built GLONASS system, the European Unions Galileo (GALILEO) system and the Beidou 2nd generation navigation satellite system of China are also being developed and deployed. The acquisition of satellite signal is the primary task of the satellite signal receiver. Only

7、after the completion of the acquisition of satellite signal, we can start further processing, such as tracking, navigation and measurement extraction. The acquisition of satellite signal is actually a two-dimensional search process, namely, at the same time from the pseudo random code phase and Dopp

8、ler frequency shift of the carrier wave direction. This search was designed to determine the observed satellite, and estimate the Doppler frequency shift of the carrier wave and code phase.Firstly, this paper introduces the global navigation satellite system simply and compares the positioning perfo

9、rmances of four kinds of navigation satellite system; then, the positioning principle of the GPS, the structure of the GPS signal and the structure and principle of the single frequency receiver are studied; and then, on the basis of mastering the acquisition principle of the satellite signal, we an

10、alysis and study the time-domain serial acquisition algorithm, parallel frequency domain acquisition algorithm and fast code phase acquisition algorithm; finally, based on single frequency receiver on the PC, we realize fast code phase acquisition algorithm of the GPS satellite signal with MATLAB so

11、ftware, it is demonstrated that the No.7 satellite signal was captured, whose Doppler frequency shift was 7 KHz and the C/A code initial phase was 120 degree.Keywords: Global navigation satellite system, The acquisition principle, Single frequency receiver目 錄摘 要IABSTRACTII第一章 緒 論11.1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展概況11

12、.1.1 美國GPS發(fā)展現(xiàn)狀11.1.2 俄羅斯GLONASS發(fā)展現(xiàn)狀11.1.3 歐盟GALILEO發(fā)展現(xiàn)狀21.1.4 中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)21.2 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位性能對比分析21.2.1 GPS系統(tǒng)定位性能21.2.2 GALILEO系統(tǒng)定位性能31.2.3 GLONASS系統(tǒng)定位性能31.2.4 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)定位性能41.2.5 對比分析總結(jié)41.3本課題研究背景和意義51.4本課題研究內(nèi)容6第二章 GPS系統(tǒng)概述72.1 GPS系統(tǒng)原理72.1.1 GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)72.1.2 GPS定位原理82.2 GPS導(dǎo)航定位信號92.2.1 GPS載波信號92.2.2 GPS偽隨機(jī)噪

13、聲碼102.2.3 GPS導(dǎo)航電文122.3 GPS接收機(jī)132.3.1 GPS接收機(jī)分類132.3.2 GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)132.3.3 GPS接收機(jī)原理14第三章 GPS衛(wèi)星信號的捕獲163.1 多普勒效應(yīng)163.2 捕獲原理183.3 捕獲關(guān)鍵參數(shù)193.4 捕獲算法203.4.1 串行時域捕獲算法203.4.2 并行頻域捕獲算法213.4.3 快速碼相位捕獲算法223.5 捕獲算法性能23第四章 單頻接收機(jī)實現(xiàn)GPS衛(wèi)星信號捕獲254.1 偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生254.1.1 C/A碼仿真254.1.2 P碼仿真264.2 GPS信號的產(chǎn)生294.3 GPS信號的捕獲32第五章 總結(jié)與展望34參

14、考文獻(xiàn)35致 謝36IV第一章 緒 論1.1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展概況1.1.1 美國GPS發(fā)展現(xiàn)狀美國政府于20世紀(jì)70年代初正式提出了GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的研制計劃，之后經(jīng)過20多年的實驗和研究，至20世紀(jì)90年代初，構(gòu)建完成了幾乎覆蓋全球的GPS體系衛(wèi)星星座。該系統(tǒng)于1995年建成并正式開始投入運行，其研制最初的目的是服務(wù)于美國的作戰(zhàn)部隊，為其提供戰(zhàn)術(shù)性導(dǎo)航定位服務(wù)，主要用途在于軍事方面，如核爆監(jiān)測，應(yīng)急通信以及信息收集等。美國GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)是其獨霸全球戰(zhàn)略中的重要組成部分，也是美國歷史上第三大國家級的航天規(guī)劃。簡單地說，GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是一個由24顆地球軌道衛(wèi)星構(gòu)成的全球性

15、的衛(wèi)星導(dǎo)航體系，截止到2009年底，美國共發(fā)射了4種類型的GPS衛(wèi)星。GPS是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中第一個投入運行和應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)是1999年以來唯一的一個一直穩(wěn)定運營的系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)為了確保其在軌衛(wèi)星能夠收集到目標(biāo)觀測點的精確位置信息，以實現(xiàn)系統(tǒng)的定位、導(dǎo)航和授時等功能，要求其衛(wèi)星星座的構(gòu)建能夠滿足在地球上任何位置都能實時觀測到四顆或四顆以上的GPS在軌衛(wèi)星。1.1.2 俄羅斯GLONASS發(fā)展現(xiàn)狀俄羅斯GLONASS系統(tǒng)于上世紀(jì)七十年代由蘇聯(lián)國防部獨立控制和研發(fā)，與美國GPS系統(tǒng)的研發(fā)幾乎是同時起步，主要用于應(yīng)對美國GPS的壟斷。在應(yīng)用方面與美國GPS系統(tǒng)較為相似的是，俄羅斯GL

16、ONASS系統(tǒng)也建立了完善的民用渠道，可供民間、國防使用，并且不計劃對用戶收費。與之不同的是，GLONASS系統(tǒng)不附帶任何使用限制，也在早期聲明中強(qiáng)調(diào)不引入會降低定位精度的可用性選擇。蘇聯(lián)在上世紀(jì)八十年代末分兩次公布了GLONASS系統(tǒng)的界面控制文件，這在很大程度上促進(jìn)了GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航定位業(yè)務(wù)的推廣。由于二十世紀(jì)九十年代俄羅斯經(jīng)濟(jì)的衰退，GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展相對滯后，其衛(wèi)星星座的建設(shè)進(jìn)度也遠(yuǎn)落后于GPS系統(tǒng)，體系的衛(wèi)星無法得到有效的維護(hù)和補充，甚至其在軌衛(wèi)星數(shù)量出現(xiàn)過大量減少的狀況，導(dǎo)致體系星座完整度遭到嚴(yán)重破壞，致使其可用性大大降低。近年來隨著導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中戰(zhàn)略性地位的

17、提升以及俄經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，俄羅斯政府加快了GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)代化步伐，使其得到了快速發(fā)展，并逐漸成為可以與GPS相媲美的全球第二大導(dǎo)航系統(tǒng)。在全球性衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展過程中，GLONASS系統(tǒng)自從出現(xiàn)就開始了向GPS系統(tǒng)的壟斷地位發(fā)起挑戰(zhàn)，它極大促進(jìn)了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的服務(wù)政策向用戶傾斜。1.1.3 歐盟GALILEO發(fā)展現(xiàn)狀GALILEO系統(tǒng)是歐盟正在研發(fā)建設(shè)中的全球性衛(wèi)星定位系統(tǒng)，實際上，也是繼GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)之后，第三個可以提供民用窗口的全球性導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。GALILEO系統(tǒng)于2010年開始運營，它是全球第一個既具有商業(yè)性質(zhì)又完全向民用開放的定位系統(tǒng)。歐盟研發(fā)本土衛(wèi)星定位系統(tǒng)

18、的主要目的是增強(qiáng)衛(wèi)星定位信號對高緯度國家和地區(qū)的覆蓋（如芬蘭、瑞典等國家），減少對美國GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，打破美國GPS系統(tǒng)一家獨大的局面，增強(qiáng)歐盟的凝聚力，提高歐盟的科技實力和國際地位，為全球用戶提供更高質(zhì)量的定位服務(wù)。歐盟希望GALILEO導(dǎo)航系統(tǒng)既能為軍方和政府提供更高安全級別的加密信號，又能夠為民用個體提供更高精度的導(dǎo)航定位信號。2011年衛(wèi)星導(dǎo)航定位的驗證階段完成后，歐盟又發(fā)射其余的26顆衛(wèi)星完成了GALILEO系統(tǒng)衛(wèi)星星座的布設(shè)，預(yù)計在2018年前后形成一個可以面向全球開展服務(wù)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GALILEO導(dǎo)航系統(tǒng)在歐盟各國的大力支持下得到了快速發(fā)展，并以強(qiáng)勁的競爭力躋身全球?qū)Ш?/p>

19、衛(wèi)星系統(tǒng)市場，并與其他的全球性衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)兼容，能夠為用戶提供高質(zhì)量和高可靠性的導(dǎo)航定位服務(wù)，并在很大程度上加快了GNSS的現(xiàn)代化步伐。1.1.4 中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是繼GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)之后建立起來的第三個全球性衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也是由我國獨立研發(fā)和控制的面向全球用戶的定位系統(tǒng)。中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，在發(fā)展導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)時具有很大的市場潛力，同時導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在未來軍事中也將具有無可替代的地位。在海灣戰(zhàn)爭中，美國GPS系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中展現(xiàn)出其突出的戰(zhàn)略地位，無論是出于國家安全考慮還是政治經(jīng)濟(jì)利益的需要，建設(shè)研發(fā)自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)都迫在眉睫。我國北斗導(dǎo)航

20、衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)研發(fā)總體規(guī)劃分三步實施：第一步，到2000年前后服務(wù)范圍完全覆蓋本土；第二步，到2010年前后服務(wù)范圍覆蓋整個亞太地區(qū)；第三步，到2020年前后服務(wù)范圍覆蓋全球。中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在發(fā)展中將遵照 “自主、開放、漸進(jìn)、兼容”的原則，積極實現(xiàn)與其它全球性衛(wèi)星定位系統(tǒng)間的兼容，在國際上開展廣泛的交流與合作，逐步在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的國際舞臺上占有一席之地1。1.2 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位性能對比分析1.2.1 GPS系統(tǒng)定位性能GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星定位信號有兩種不同類型的偽隨機(jī)噪聲碼：精碼，即P碼，主要用于軍事方面的高精確度定位，加密后的精碼稱為Y碼，并且Y碼的使用需要經(jīng)過GPS授權(quán)；粗碼，

21、即C/A碼，主要用于民事用途2。利用GPS衛(wèi)星信號定位時，其定位精度受很多因素的影響，例如電離層對衛(wèi)星信號的干擾、在軌衛(wèi)星時鐘誤差和星歷誤差、衛(wèi)星信號接收機(jī)對導(dǎo)航信號的處理能力以及衛(wèi)星信號傳輸時延誤差等。GPS系統(tǒng)采用碼分多址復(fù)用的方式發(fā)送導(dǎo)航定位信號，并且每顆衛(wèi)星發(fā)送的偽隨機(jī)碼各不相同，因此，可以使用偽隨機(jī)噪聲碼進(jìn)行區(qū)分工作在相同頻率上的衛(wèi)星信號。美國在剛開始建設(shè)研制GPS定位系統(tǒng)時，其定位精度對于粗碼來說是100m，而對于精碼來說是10m。后來，隨著GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化步伐的加快以及衛(wèi)星信號接收機(jī)的迅速發(fā)展，GPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號的定位精度得到了大幅度提高。就目前來說，自從美國政府實施GPS現(xiàn)代化

22、政策以來，GPS系統(tǒng)衛(wèi)星星座得到進(jìn)一步完善，其在軌工作衛(wèi)星的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過之前的規(guī)劃數(shù)量，這在很大程度上降低了衛(wèi)星信號接收機(jī)的定位誤差。在實際上，一般民用的GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)在條件良好的情況下可達(dá)到5m以內(nèi)的定位精確度，而對于經(jīng)過加密處理的軍用導(dǎo)航定位信號而言，其定位精度甚至可以達(dá)到厘米級。1.2.2 GALILEO系統(tǒng)定位性能GALILEO系統(tǒng)為歐盟自主研發(fā)的多模式全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，能夠提供高可靠性和高精確度的導(dǎo)航定位服務(wù)，并且完全向民用開放。GALILEO系統(tǒng)正式投入運營后，用戶可以使用其獨特的多制式衛(wèi)星信號接收機(jī)處理相對較多的衛(wèi)星信號，這一舉措極大地提升了GALILEO系統(tǒng)的定位精度。G

23、ALILEO系統(tǒng)屬于完全商業(yè)管控運營的，它可以向全球用戶提供非?？煽康膶?dǎo)航定位服務(wù)1。與GPS系統(tǒng)一樣，GALILEO系統(tǒng)衛(wèi)星信號的編碼方式是CDMA，即碼分多址編碼方式，其衛(wèi)星信號調(diào)制頻段分為四種，即L1頻段、E6頻段、E5A頻段和E5B頻段。目前，GALILEO系統(tǒng)的每顆在軌衛(wèi)星均可廣播六種不相同的導(dǎo)航定位信號，編號分別是L1P、L1F、E5A、E6A、E5B及E6B。到目前為止，GALILEO系統(tǒng)能夠提供一種搜索援救服務(wù)和四種導(dǎo)航定位服務(wù)，其導(dǎo)航定位服務(wù)中包含三種付費的授權(quán)服務(wù)和一種無需付費的開放式服務(wù)，這些服務(wù)分別是：商業(yè)服務(wù)（CS）；公共管理業(yè)務(wù)（PRS）；生命安全服務(wù)（SOL）；搜

24、救業(yè)務(wù)（SAR）；開放服務(wù)（OS）1。GALILEO系統(tǒng)使用中軌道和高軌道衛(wèi)星完成星座組網(wǎng)，其衛(wèi)星星座的結(jié)構(gòu)與GLONASS系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致相同。與GLONASS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)不同之處在于，GALILEO系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃參與組網(wǎng)的衛(wèi)星為30顆，使得GALILEO系統(tǒng)星座結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步的改善，能夠為用戶提供更高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。歐盟在GALILEO系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃中提出，對獲得一般授權(quán)的商業(yè)用戶而言，GALILEO系統(tǒng)能夠提供定位精度在1m以內(nèi)的定位服務(wù)；對使用免費民用信號的普通用戶而言，其定位精度在5m左右。1.2.3 GLONASS系統(tǒng)定位性能GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號使用頻分多址的

25、編碼方式，這不同于其他GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星信號所使用的編碼方式。GLONASS系統(tǒng)區(qū)分不同的衛(wèi)星依靠的是其衛(wèi)星信號載波頻率上的變化，其設(shè)計研發(fā)的最初目的是為了有效提高導(dǎo)航定位系統(tǒng)抗干擾的能力，與GPS系統(tǒng)類似，GLONASS系統(tǒng)所有在軌衛(wèi)星都廣播2種不同載頻的導(dǎo)航定位信號，即L1信號與L2信號。根據(jù)俄羅斯的規(guī)劃，未來發(fā)射的GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星在保留原有的FDMA體制信號的同時，也將廣播CDMA體制的信號，這為GLONASS系統(tǒng)在未來的發(fā)展開辟了廣闊的道路。隨著俄羅斯經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)代化步伐不斷加快，現(xiàn)有的G-K衛(wèi)星已經(jīng)具備廣播CDMA體制信號的能力，這一措施將有效地提高GLONA

26、SS系統(tǒng)的測距范圍和定位精度，并能更好地與其它衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)兼容。近年來，隨著GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星星座的完善，其定位精度得到不斷提高，特別是在最近5年里，其定位精度驚人地提高了將近一個數(shù)量級，若是在地面設(shè)備的輔助下，其在俄羅斯本土的定位精度已達(dá)厘米級。實際上，隨著衛(wèi)星信號接收機(jī)和地面控制站的不斷升級和發(fā)展，GLONASS系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位精度已經(jīng)降低到1m左右，其性能并不亞于GPS系統(tǒng)。1.2.4 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)定位性能北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由30顆NGEO衛(wèi)星和5顆GEO衛(wèi)星（地球同步衛(wèi)星）構(gòu)成，它的非靜止軌道衛(wèi)星包括3顆IGEO衛(wèi)星和27顆MEO衛(wèi)星。IGEO衛(wèi)星軌道傾角

27、是，3顆衛(wèi)星均勻地分布在3個軌道面上，衛(wèi)星軌道高度是36000千米；MEO衛(wèi)星軌道傾角是，27顆衛(wèi)星均勻地分布在3個軌道面上，衛(wèi)星軌道高度是21500千米1。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在S和兩個頻段廣播導(dǎo)航定位信號，其中在L頻段三個頻段上提供授權(quán)和開放服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在應(yīng)用方面有五大特點：系統(tǒng)自主，特別適合關(guān)鍵特殊部門應(yīng)用，信號運用復(fù)雜保密算法進(jìn)行加密設(shè)計，穩(wěn)定、安全、可靠；適合多用戶大范圍監(jiān)管以及有數(shù)據(jù)傳送需求的用戶進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳送；具有獨立的定位、導(dǎo)航和通信功能，不需要其它通信設(shè)備的鋪助；覆蓋范圍廣，全天候服務(wù)，穩(wěn)定性高，實時傳輸；獨特的管理型接收機(jī)設(shè)計以及集中模式的導(dǎo)航定位處理，能夠同一時

28、間解決通信雙方的位置問題。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)具有三種獨特的功能：短報文通信服務(wù)，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星信號接收終端能夠進(jìn)行雙向短報文通信，用戶使用終端設(shè)備每次能夠發(fā)送50個漢字左右的報文；定位速度快，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)具有高精度、全天候、實時高效的導(dǎo)航定位性能；精確授時，北斗系統(tǒng)具備高精確度授時能力，能夠為用戶接收終端提供高達(dá)20納秒的時間同步精度2。1.2.5 對比分析總結(jié)GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、GAL ILEO系統(tǒng)及BD-2系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)對比如表1.1所示。表1.1 導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)對比類別BD-2GPSGLONASSGALILEO衛(wèi)星數(shù)目35242430軌道數(shù)目3633軌道面間隔1206

29、04512軌道傾角555564.856軌道高度/km21500201801910023616繞地球周期11H58Min11H58Min11H15Min14H21Min時鐘類型銣原子鐘銫和銣鐘銣原子鐘銣鐘和無源氫鐘軍用定位精度/m102101民用定位精度/m20203010GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號采用頻分多址的編碼方式，系統(tǒng)依據(jù)導(dǎo)航定位信號的載頻來分辨不同的衛(wèi)星，而調(diào)制在每種載率上的PRN碼是一樣的。不同的衛(wèi)星信號的載頻互不相同，使得系統(tǒng)能夠防止其廣播的衛(wèi)星信號被人為地干擾，因此GLONASS定位系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗干擾性能。而GPS系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號則使用碼分多址的編碼方式，不同衛(wèi)星的

30、導(dǎo)航定位信號的調(diào)制方式和載頻是一樣的，系統(tǒng)根據(jù)PRN碼來區(qū)別不同的GPS衛(wèi)星。與GPS系統(tǒng)相比較，GALILEO系統(tǒng)在近地空間或者地面位置的定位精度略高于GPS系統(tǒng)，其時間同步精度達(dá)到100ns，免費的民用衛(wèi)星信號的定位精度可達(dá)5米。GALILEO系統(tǒng)衛(wèi)星采用信號中繼的方式傳輸衛(wèi)星信號，即衛(wèi)星與用戶終端數(shù)據(jù)傳輸可以通過其他系統(tǒng)（如移動通信網(wǎng)）的中繼來實現(xiàn)，這一點不同于GPS系統(tǒng)。另外，GALILEO系統(tǒng)衛(wèi)星信號接收機(jī)既能夠接收本系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，也能夠接收GLONASS系統(tǒng)或者GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，即實現(xiàn)了與其他GNSS之間的兼容和互操作。GALILEO系統(tǒng)還能將移動電話功能與導(dǎo)航功能相合，與G

31、PS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)相比，可謂后來居上。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和覆蓋范圍暫時略遜于其他的全球性定位系統(tǒng)，但其起步晚，發(fā)展快，投資小，設(shè)備簡單，性價比高。相對于其他的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，短報文通信功能是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最突出的特點，其用戶接收設(shè)備能夠進(jìn)行雙向短報文通信。1.3 課題研究背景和意義衛(wèi)星定位技術(shù)自誕生以來便得到了迅速的發(fā)展，應(yīng)用范圍涉及諸多領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)的頭20年，由于世界經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展欠佳，在一定程度上制約著衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其發(fā)展速度與之前相比放緩，但相對于其他產(chǎn)業(yè)來說，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景和發(fā)展勢頭相對較好。在未來軍事領(lǐng)域的應(yīng)用中，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)將繼續(xù)

32、發(fā)揮著不可替代的作用，這使得對衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的研究變得更加重要。完成衛(wèi)星信號的捕獲是衛(wèi)星信號接收機(jī)的首要任務(wù)，只有完成衛(wèi)星信號的捕獲，才能開始跟蹤、定位、導(dǎo)航等后續(xù)處理過程3。PRN碼的捕獲技術(shù)隨著擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)的發(fā)展而在不斷進(jìn)行著更新和改進(jìn)。隨著我國自主研發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)向全球范圍內(nèi)推廣，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將逐漸成為國家重要的經(jīng)濟(jì)增長支柱，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)將會成為研究熱點，所以本課題對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)捕獲原理和單頻接收機(jī)技術(shù)的研究具有極其重要的現(xiàn)實意義。1.4 本課題研究內(nèi)容論文首先簡要介紹四種導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展概況，然后對比分析四種導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的定位性能。文章主要探究GPS的定位原理和GPS

33、信號的構(gòu)成和產(chǎn)生以及單頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，在掌握衛(wèi)星信號捕獲原理的前提下，分析研究常用的捕獲算法及其性能。最后，基于MATLAB仿真平臺，使用單頻接收機(jī)實現(xiàn)GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生和捕獲。第一章：首先闡述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展概況，接著對比分析四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位性能，并總結(jié)出論文的研究背景和意義，最后給出了論文的內(nèi)容和基本框架。第二章：本論文的理論基礎(chǔ)。首先闡述GPS系統(tǒng)原理，接著分析GPS衛(wèi)星定位信號的構(gòu)成和產(chǎn)生方法，最后分析研究GPS接收機(jī)。本章節(jié)所做的工作為后續(xù)的章節(jié)提供重要的理論依據(jù)。第三章：重點研究GPS衛(wèi)星信號的捕獲。首先簡單分析GPS衛(wèi)星信號的捕獲過程，接著分析衛(wèi)星信號捕獲的關(guān)鍵

34、參數(shù)，重點研究常用的捕獲算法，最后評估這些捕獲算法的性能。第四章：利用單頻軟件接收機(jī)實現(xiàn)GPS信號的捕獲，基于MATLAB軟件，仿真GPS信號的產(chǎn)生和捕獲。第五章：總結(jié)展望全文。概括本文所得成果，指出其中的不足，并展望下一步的研究方向。第二章 GPS系統(tǒng)概述2.1 GPS系統(tǒng)原理實現(xiàn)GPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號的傳輸和接收基于擴(kuò)展頻譜通信理論，所謂擴(kuò)頻是指將基帶信號的頻譜通過某種調(diào)制方式擴(kuò)展到占用很寬的帶寬。擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)在GPS系統(tǒng)中的應(yīng)用，簡單地說就是：在GPS衛(wèi)星信號發(fā)送端用高比特率的偽隨機(jī)序列去擴(kuò)展數(shù)據(jù)信息碼元的頻譜（用多個偽隨機(jī)碼代替一個信息碼元），整個過程分為偽隨機(jī)碼調(diào)制和載波調(diào)制兩個階段

35、；信號到達(dá)衛(wèi)星信號接收機(jī)則用同樣偽隨機(jī)序列進(jìn)行解擴(kuò)，獲得數(shù)據(jù)信息。擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)在GPS系統(tǒng)中的應(yīng)用具有兩大特點：偽隨機(jī)編碼調(diào)制和信號混頻濾波處理，使其具有抗干擾、抗多徑衰落、抗噪聲、保密性強(qiáng)等優(yōu)點，這是窄帶通信技術(shù)所不具備的。導(dǎo)航電文與偽隨機(jī)碼的組合碼信號經(jīng)過擴(kuò)展頻譜處理后成為寬帶信號，到達(dá)衛(wèi)星信號接收機(jī)經(jīng)過混頻濾波變成窄帶信號，最后解調(diào)出信息碼元數(shù)據(jù)，因此它不同于常見的窄帶通信方式。2.1.1 GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 完整的GPS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)由3個組成部分，即衛(wèi)星空間星座、地面監(jiān)測系統(tǒng)和用戶終端設(shè)備，三者的功能作用各自獨立，但是相對于整個體系來說，它們又是有機(jī)統(tǒng)一，缺一不可4。GPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如

36、圖2.1所示。圖2.1 GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1) 衛(wèi)星空間星座GPS系統(tǒng)衛(wèi)星星座是由3顆備用衛(wèi)星和21顆在軌運行衛(wèi)星構(gòu)成，具體來說，這二十四顆衛(wèi)星均勻地分布于六個衛(wèi)星軌道平面內(nèi)，且毗鄰的軌道平面夾角為，軌道傾角為，也就是說每個軌道平面上的GPS衛(wèi)星要滯后于其東邊最鄰近軌道平面上相對應(yīng)的衛(wèi)星4。GPS衛(wèi)星每日高于地平線的時間超過五個小時，而低于地平線的GPS衛(wèi)星數(shù)量因地而異，最多的時候達(dá)到11顆，最少的時候只有四顆。GPS衛(wèi)星上配備有多種專用的接收天線，其中全向遠(yuǎn)程遙測天線和定向多波束天線主要用于發(fā)送導(dǎo)航星歷數(shù)據(jù)、與地面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。GPS系統(tǒng)衛(wèi)星星座的空間布設(shè)，能夠確保在地球上任何時刻、任何地

37、點可以觀測到四顆或四顆以上的衛(wèi)星。(2) 地面監(jiān)測系統(tǒng)GPS衛(wèi)星地面監(jiān)控系統(tǒng)由五個監(jiān)控站(monitor station)、三個注入站(injection station)和一個主控站(master control station)組成，其中主控站位于美國科羅拉多州5。主控站除了負(fù)責(zé)監(jiān)視和控制地面監(jiān)控設(shè)施的工作情況，監(jiān)測其傳送給GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)以及檢測用戶終端是否收到衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)之外，還負(fù)責(zé)衛(wèi)星的日常調(diào)度，校正運行軌道?？偠灾骺卣镜闹饕蝿?wù)就是收集并處理監(jiān)測站和主控站接收的資料信息，編算時間系統(tǒng)以及各個衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，同時將估測的衛(wèi)星時鐘誤差、狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、大氣傳播相關(guān)

38、數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星星歷以導(dǎo)航電文的形式發(fā)送到注入站。(3) 用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備中最重要的部分就是衛(wèi)星信號接收機(jī)。GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)因其精度要求和工作環(huán)境不同而不同，但所有類型的衛(wèi)星信號接收機(jī)都具有接收來自GPS衛(wèi)星的信號和提供數(shù)據(jù)觀測量給用戶這些基本功能。用戶接收機(jī)提供給用戶的數(shù)據(jù)信息包括用于導(dǎo)航定位的速度、位置信息和衛(wèi)星信號的多普勒頻率偏移、載頻等。衛(wèi)星信號接收機(jī)類型眾多，但其結(jié)構(gòu)和基本功能大致相同，一般都包括5大功能模塊：前端射頻模塊、濾波放大模塊、頻率合成模塊、應(yīng)用處理模塊以及信號處理模塊5。2.1.2 GPS定位原理在軌運行的GPS衛(wèi)星連續(xù)不斷向地球表面發(fā)送導(dǎo)航定位信號，其中的導(dǎo)航電文數(shù)

39、據(jù)包含衛(wèi)星的相關(guān)信息，如衛(wèi)星在不同時刻的空間位置以及衛(wèi)星信號準(zhǔn)確的發(fā)送時間。用戶接收終端接收到GPS衛(wèi)星信號后，利用導(dǎo)航電文獲得衛(wèi)星空間位置信息，并根據(jù)衛(wèi)星的空間位置計算出接收機(jī)終端設(shè)備與衛(wèi)星之間的相對位置，最終確定衛(wèi)星信號接收機(jī)的位置。用戶接收機(jī)接收到導(dǎo)航定位信號后，要計算出衛(wèi)星與用戶接收終端之間的距離，則要求其時鐘和衛(wèi)星時鐘保持嚴(yán)格同步，這樣才可以精確測量出衛(wèi)星信號到達(dá)接收機(jī)終端的時間，得到了GPS信號的傳播時間和其傳播速度，便可以確定它們之間的距離。假設(shè)接收機(jī)與相應(yīng)衛(wèi)星之間的距離為R，(x，y，z)為衛(wèi)星信號接收終端的空間坐標(biāo)，(x1，y1，z1)為在軌衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，它們之間的關(guān)系是：

40、 (2.1)在式(2.1)中，衛(wèi)星的空間位置坐標(biāo)(x1，y1，z1)為已知量，即接收機(jī)已從衛(wèi)星信號的導(dǎo)航電文中得到，而用戶接收機(jī)的坐標(biāo)(x，y，z)為未知量，所以在衛(wèi)星時鐘與接收機(jī)時鐘沒有誤差的情況下至少需要測得3顆衛(wèi)星與目標(biāo)觀測點之間的距離，才能夠確定衛(wèi)星信號接收機(jī)的位置坐標(biāo)，即完成定位工作。但是，實際情況是接收機(jī)時鐘與衛(wèi)星時鐘存在誤差，即真實的時間與時鐘不一致，導(dǎo)致測量出來的距離并非接收機(jī)與衛(wèi)星之間的真實距離，它是帶有時鐘誤差的偽距，且由接收機(jī)與衛(wèi)星之間的時鐘誤差導(dǎo)致的測距誤差對所有衛(wèi)星的影響結(jié)果是一致的。設(shè)在導(dǎo)航定位信號到達(dá)接收機(jī)的瞬間，衛(wèi)星時鐘與接收機(jī)時鐘之間的誤差為，式(2.1)則變

41、成： (2.2)在式(2.2)中，c為無線電信號的傳播速度。綜上所述，這里有4個未知數(shù)，即x，y，z和，所以需要測出至少4顆衛(wèi)星與接收機(jī)之間的偽距才能求得時鐘誤差和衛(wèi)星信號接收機(jī)的空間坐標(biāo)。4個偽距方程如下所示： (2.3) (2.4) (2.5) (2.6)2.2 GPS導(dǎo)航定位信號GPS導(dǎo)航定位信號由導(dǎo)航電文、PRN碼和載波三部分組成，并且它們是在同一基準(zhǔn)頻率控制下的。GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航定位信號是偽隨機(jī)碼與導(dǎo)航電文的組合碼通過兩級調(diào)制形成的，其中，第1級調(diào)制是利用高比特率的擴(kuò)頻碼對導(dǎo)航電文進(jìn)行擴(kuò)展頻譜調(diào)制；第2級調(diào)制是將在第1級調(diào)制的基礎(chǔ)上將生成的偽隨機(jī)碼與導(dǎo)航電文的組合碼通過BPSK（

42、二進(jìn)制相移鍵控）的調(diào)制方式調(diào)制在L1或L2載波上，這就生成了GPS導(dǎo)航定位信號。2.2.1 GPS載波信號GPS系統(tǒng)衛(wèi)星使用兩種類型的載波信號，即L1和L2載波，其中L1載波的中心頻率為1575.42MHz，L2載波的中心頻率為1227.60MHz。另外，L1載波和L2載波都是同一基準(zhǔn)頻率(f0=10.23MHz)倍頻所得，它們的關(guān)系如下：L1載波頻率f1=154f0=1575.42MHz，其波長為L2載波頻率f2=154f0=1227.60MHz，其波長為傳送導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)和偽碼是GPS導(dǎo)航定位信號載波的基本作用，GPS系統(tǒng)利用兩個不同頻率的載波能夠進(jìn)行雙頻校正衛(wèi)星信號經(jīng)過電離層在時域產(chǎn)生的附

43、加延時。衛(wèi)星與接收終端之間存在著相對運動導(dǎo)致載波產(chǎn)生多普勒頻移（10KHz左右），而載波的多普勒頻移可以用于精確測量用戶接收機(jī)設(shè)備的移動速度。GPS載波信號頻率選用L波段的主要目的是：擴(kuò)頻易于在L波段進(jìn)行。GPS系統(tǒng)衛(wèi)星采用擴(kuò)頻通信技術(shù)發(fā)射衛(wèi)星信號，由于L波段占用率低，其更易于傳送衛(wèi)星信號；L波段不易擁擠。就目前來說，L頻段占用率與其他頻段相比較低，發(fā)生“撞車”的概率比較小；大氣吸收率小。L頻段載波可以大幅度減小大氣諧振的影響，使大氣吸收率減小，而且信號通過電離層的延遲也會減小，有利于提高衛(wèi)星信號接收機(jī)的定位精度。2.2.2 GPS偽隨機(jī)噪聲碼GPS系統(tǒng)衛(wèi)星采用偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻序列將導(dǎo)航電文信

44、號的頻譜展寬，提高了GPS衛(wèi)星信號的保密性和抗干擾性。由于GPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號使用碼分多址的編碼方式，其接收機(jī)對不同的偽隨機(jī)噪聲碼進(jìn)行相關(guān)運算，可以達(dá)到識別衛(wèi)星和測定衛(wèi)星與信號接收機(jī)之間距離的目的，因此偽隨機(jī)噪聲碼又稱為測距碼。GPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號中包含兩種不同的擴(kuò)頻序列，即C/A碼（粗碼）和P碼（精碼），這兩種偽隨機(jī)碼的碼長、精度和周期都不一樣。(1) C/A碼在本論文后面的仿真工作中主要用到C/A碼，C/A碼的碼長為1023位，周期是1毫秒，碼速率為1.023兆赫茲。如圖2.2所示，C/A碼是由同一頻率(1.023MHz)時鐘脈沖驅(qū)動2個10位的反饋移存器產(chǎn)生的，其中寄存器第一位的輸入值是其第

45、三位和第十位進(jìn)行模2相加后的結(jié)果，寄存器的生成多項式表示為： (2.7)而寄存器第一位的輸入值是其第二位、第三位、第六位、第八位、第九位和第十位進(jìn)行模2相加后的結(jié)果，寄存器的生成多項式表示為： (2.8)圖2.2 C/A碼發(fā)生器原理圖在圖2.2中，兩個反饋移位寄存器總共能夠產(chǎn)生1023種類型Gold碼，而C/A碼是這1023種Gold碼中相關(guān)特性比較好的，即C/A碼幾乎沒有互相關(guān)性和自相關(guān)性（零延時）。這兩個反饋移位寄存器在系統(tǒng)時鐘脈沖的控制下產(chǎn)生周期為1ms，碼長為1023的m序列，即和。其中，序列通過相位選擇和譯碼后變成一個與序列在時序上平移的等價序列，所以C/A碼序列表達(dá)式為： (2.9

46、)(2) P碼P碼是由兩個偽隨機(jī)序列與相乘生成，其碼速為10.23MHz，碼元寬度為97.75ns，為C/A碼碼元寬度的十分之一。P碼的生成原理如圖2.3所示6。在圖2.3中，P碼的生成原理與C/A碼相似，是由2組分別包含著2個十二級反饋移存器組合生成的，并且圖2.3 P碼的生成原理圖其設(shè)計線路較C/A碼復(fù)雜。每個12級的反饋移存器可以生成碼元總數(shù)為4095的m序列，采用短截法對2個m序列進(jìn)行截短成為短截碼，其單周期碼元數(shù)目為素數(shù)。兩個偽隨機(jī)序列與的碼長分別為： (2.10) (2.11)由于P碼是由偽隨機(jī)序列和相乘生成的，所以P碼的碼元數(shù)目為： (2.12)由于P碼的碼長遠(yuǎn)大于C/A碼的碼長

47、，如果按照C/A碼的搜索方式以50bit/s的搜索速度逐碼元依次搜索，將無法實現(xiàn)P碼的捕獲。所以，通常首先捕獲碼長較短并且碼速較低的C/A碼，之后根據(jù)從導(dǎo)航電文中獲得的相關(guān)信息，最后再進(jìn)行P碼的捕獲。2.2.3 GPS導(dǎo)航電文GPS導(dǎo)航電文是GPS系統(tǒng)導(dǎo)航定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包含多種與導(dǎo)航定位相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如時鐘校驗數(shù)據(jù)信息、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀況信息、偽碼之間的轉(zhuǎn)換信息以及電離層延時校正信息。實際上，GPS衛(wèi)星信號的導(dǎo)航電文是二進(jìn)制非歸零的數(shù)據(jù)流，并且其基本單位是主幀，并且主幀的大小為1500比特，碼率為50bit/s6。GPS衛(wèi)星信號導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，每個主幀是由五個子幀組成，且

48、單個子幀的時間長度為6秒，包含300比特的數(shù)據(jù)信息，其前三個子幀分別包含10個字碼，單個字碼的長度為30比特，且這3個子幀包含了與衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星時鐘相關(guān)的數(shù)據(jù)，其內(nèi)容每小時更新一次。第4、5子幀包含衛(wèi)星星座歷書和電離層時延校驗信息，且當(dāng)系統(tǒng)給GPS衛(wèi)星發(fā)送新的導(dǎo)航電文之后，這兩個子幀的數(shù)據(jù)信息才會得到更新，其數(shù)據(jù)信息為連續(xù)播發(fā)，全部傳送完成需要經(jīng)過750秒，即經(jīng)過25幀。所以，一幀完整的導(dǎo)航電文共包含比特的數(shù)據(jù)信息，并且其傳送完成需要經(jīng)過。GPS衛(wèi)星信號導(dǎo)航電文的內(nèi)容由五部分組成，即遙測字、交接字以及3個數(shù)據(jù)塊。子幀的頭一個字一般稱為遙測字(TLW)，它在導(dǎo)航電文的捕獲中至關(guān)重要，其前8個比特

49、位稱為幀頭，用來標(biāo)記幀同步，其中包含的同步信號可以為其他子幀提供同步起點。每個子幀的第2個字為交接字，交接字的前18個比特位的數(shù)據(jù)稱為Z計數(shù)，用于幫助用戶捕獲P碼。Z計數(shù)是從周日子夜零時算起X1子碼的周期累計數(shù)，利用交接字Z計數(shù)的值，能夠?qū)崟r了解P碼在其周期中的瞬時位置，便于快速實現(xiàn)P碼的捕獲7。圖2.4 GPS導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)圖2.3 GPS接收機(jī)GPS接收機(jī)的主要作用是實現(xiàn)衛(wèi)星信號的捕獲，解調(diào)導(dǎo)航電文，并將導(dǎo)航電文中的數(shù)據(jù)信息提供給用戶，以便為用戶開展測速、導(dǎo)航以及定位服務(wù)8。根據(jù)對基帶信號處理方式的不同，可以把衛(wèi)星信號接收機(jī)分為軟件接收機(jī)和硬件接收機(jī)。GPS衛(wèi)星上配置有精確的原子時鐘，并且定

50、時受地面主控站調(diào)整，可以對地面天文觀測站以及無線電通信設(shè)備等進(jìn)行精確授時，因此衛(wèi)星信號接收機(jī)在移動設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。2.3.1 GPS接收機(jī)分類GPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號使用L波段的L1載波和L2載波，其中L1載波頻率為1575.42MHz，L2載波頻率為1227.60MHz。根據(jù)使用的載頻類型，GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)可以分為：(1) 單頻接收機(jī)：只使用L1載波作為調(diào)制波實現(xiàn)導(dǎo)航定位測量；(2) 雙頻接收機(jī)：同時使用L1載波和L2載波作為調(diào)制波實現(xiàn)導(dǎo)航定位測量。根據(jù)GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)在不同方面的應(yīng)用，其可以分為：(1) 定時型接收機(jī)：主要用于頻率控制和時間測定；(2) 測地型接收機(jī)：測量后進(jìn)行數(shù)據(jù)

51、處理，定位精度可以達(dá)到厘米級； (3) 導(dǎo)航型接收機(jī)：實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理，定位精度可以達(dá)到米級8。2.3.2 GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)的結(jié)構(gòu)一般包括天線、射頻前端模塊、應(yīng)用處理模塊和信號處理模塊6。傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，圖中的射頻模塊是GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)工作的基礎(chǔ)，一般定義天線與信號處理模塊之間的部件為射頻模塊。GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)的應(yīng)用處理模塊主要依靠接收機(jī)處理器來實現(xiàn)，對于L1信號來說，其到達(dá)用戶接收機(jī)天線時的信號功率約為-160dBW，而相同條件下熱噪聲的功率為-114 dBW，衛(wèi)星信號深埋于噪聲之中，所以射頻前端模塊需要將信號放大到一定程度后才能

52、被信號處理模塊所處理。射頻(RF)電路還需要對射頻信號進(jìn)行混頻濾波處理變成中頻信號(IF)。一般來說，實現(xiàn)射頻信號到中頻信號的變換需要通過多級的下變頻，GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號大部分采用多級下變頻的方式。接收機(jī)采用多級下變頻的方式主要是因為多級濾波器能夠提高其抗干擾性能，并且其增益穩(wěn)定性也會提高。隨著DSP技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)基于硬件平臺的衛(wèi)星信號接收機(jī)正逐漸被淘汰，GPS衛(wèi)星信號接收愈來愈傾向于使用軟件的方法實現(xiàn)，而軟件方法突出的特點主要在于其方便靈活、成本低、便于擴(kuò)展。LAN信號處理模塊混頻、濾波、放大電路參考晶振頻率合成器器ADC多通道相關(guān)器處理器應(yīng)用處理模塊射頻前端

53、模塊圖2.5 GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)結(jié)構(gòu)2.3.3 GPS接收機(jī)原理除了射頻前端和A/D模塊為硬件之外，軟件接收機(jī)的信號處理模塊的功能被計算機(jī)軟件所代替。實現(xiàn)衛(wèi)星信號的捕獲就是要獲得信號的載頻以及C/A碼的初始相位，實現(xiàn)捕獲是進(jìn)行跟蹤的前提條件，而跟蹤過程則是利用偽隨機(jī)噪聲碼和衛(wèi)星信號載波實現(xiàn)本地與輸入的精確同步，使得相關(guān)值一直保持最大。待衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤完成后，即可進(jìn)行衛(wèi)星信號的解調(diào)與解擴(kuò)，從而獲得導(dǎo)航電文，然后根據(jù)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)使用不同的方式進(jìn)行定位解算求得目標(biāo)數(shù)據(jù)9。隨著電子制造業(yè)的快速發(fā)展，軟件技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展空間，GPS軟件接收機(jī)正在成為一個衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的熱門研究方向。實際上，軟

54、件接收機(jī)的概念還很難界定，但是業(yè)界普遍認(rèn)為軟件接收機(jī)將軟件無線電設(shè)計概念融入其中。軟件無線電設(shè)計概念主要是使A/D轉(zhuǎn)換模塊盡量靠近天線前端，把盡可能多的工作交給計算機(jī)軟件來完成。與逐漸被淘汰的硬件接收機(jī)相比較，GPS軟件接收機(jī)有明顯的不同之處，其通用處理器功能涵蓋硬件接收機(jī)的信號處理模塊，可以通過計算機(jī)軟件來實現(xiàn)對輸入信號處理。所以，軟件接收機(jī)的硬件部分只是一個實現(xiàn)信號下變頻采樣的單元，然后由計算機(jī)軟件完成對數(shù)字中頻信號的處理。總的來說，GPS軟件接收機(jī)著重將其功能最大程度的軟件化，當(dāng)然最基礎(chǔ)的硬件平臺也是必不可少的。GPS軟件接收機(jī)使用計算機(jī)軟件完成大部分信號處理過程，使其具備傳統(tǒng)接收機(jī)所不

55、具備的靈活性和可擴(kuò)展性。例如，在對新的信號處理算法進(jìn)行測試與實驗時，只需在軟件平臺上完成修改。GPS軟件接收機(jī)使用多通道處理不同的衛(wèi)星信號，而且每個通道都包含衛(wèi)星的捕獲和跟蹤兩個過程。第三章 GPS衛(wèi)星信號的捕獲捕獲的最終目的是獲得載波頻率和C/A碼的起始位這兩個重要參數(shù)，只有在完成GPS信號的捕獲的基礎(chǔ)上，才能開展后續(xù)的跟蹤解碼工作，接收機(jī)完成捕獲過程后，將獲得的重要參數(shù)傳遞給接收機(jī)跟蹤模塊，然后由跟蹤過程獲得導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)信息。由于GPS在軌衛(wèi)星高速運動會產(chǎn)生多普勒頻移，所以需要搜索的頻率范圍必須在以內(nèi)才能覆蓋目標(biāo)衛(wèi)星信號的多普勒頻移。3.1 多普勒效應(yīng)當(dāng)在軌衛(wèi)星與接收機(jī)之間存在相對運動時，到達(dá)接收終端的衛(wèi)星信號頻率與在軌衛(wèi)星所發(fā)送的衛(wèi)星信號頻率存在差異，這就是多普勒效應(yīng)10。在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，當(dāng)飛行器飛向衛(wèi)星時，接收信號頻率將會變高，而背離衛(wèi)星時，接收信號頻率將會變低，又由于飛行器的速度很快，所以在衛(wèi)星移動通信中不能忽略多普勒效應(yīng)的影響。接收機(jī)終端設(shè)備與在軌衛(wèi)星相對運動所引起的多普勒效應(yīng)使得GPS信號中心頻率發(fā)生一定程度的偏移，且影響C/A碼多普勒頻率偏移的主要因素是衛(wèi)星運動速度分量和接收機(jī)終端設(shè)備指向衛(wèi)星方向的運動速度分量11。已知GPS系