本科畢業(yè)設(shè)計論文PAGEIV摘要GPS（GlobalPositioningSystem）是基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，被認(rèn)定是當(dāng)前定位導(dǎo)航設(shè)備中最重要的發(fā)展，在軍事和民用中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)GPS接收機基于專用硬件，具有較高的靈敏度和信號處理速度，但是靈活性差，定型后便無法改動。GPS軟件接收機是利用通用處理器，對實時采集的GPS信號進(jìn)行處理和計算。其優(yōu)點為具有高度的靈活性：可以方便地研究和實現(xiàn)新算法；也可以容易地對軟件進(jìn)行修改來適應(yīng)未來的GPS信號，節(jié)約硬件成本。因具有以上優(yōu)點，GPS軟件接收機的研發(fā)成為了當(dāng)今世界的熱門研究課題。而研究GPS軟件接收機的關(guān)鍵在于其接收設(shè)備的基帶處理單元，包括捕獲和跟蹤環(huán)路兩個部分。本文的重點就是在Matlab平臺上對捕獲進(jìn)行研究和實現(xiàn)。文中首先介紹了GPS系統(tǒng)的組成：GPS系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控系統(tǒng)、GPS接收機三部分組成。之后闡述了直接擴頻通信以及GPS信號的結(jié)構(gòu)與特性，接著在本文的主體部分，著重研究了GPS軟件接收機的信號捕獲技術(shù)。對串行時域捕獲算法，并行頻域捕獲算法，并行碼相位捕獲算法進(jìn)行了比較，并選擇并行碼相位捕獲算法實現(xiàn)軟件接收而串行實現(xiàn)硬件接收。由于文中所研究的接收機是靜態(tài)接收機，因此捕獲模塊的捕獲范圍是載波多普勒頻移5KHz，但由于C/A碼多普勒頻移非常小，故本仿真是忽略多普勒頻移。然后在Matlab軟件平臺上實現(xiàn)對GPS信號捕獲的仿真。關(guān)鍵字：Simulink，GPS信號捕獲，Matlab，C/A碼

ABSTRACTGPS(GlobaloptimisationtechniquesbasedonsatellitePositioningSystem)isthePositioningSystem,wasconsideredthecurrentorientationnavigationequipment,themostimportantdevelopmentinmilitaryandcivilianhasextensiveapplications.TraditionalGPSreceiverspecialhardware,basedonhighsensitivityandsignalprocessingspeed,butlowagility,finalizethedesignandcanchange.GPSsoftwarereceiverisusinggmtocollectreal-timeprocessor,theGPSsignalprocessingandcalculation.Itsadvantageforahighdegreeofflexibility:caneasilyresearchandtorealizethenewalgorithms;AlsocaneasilymodifyofsoftwaretoadapttofutureGPSsignal,managinghardwarecost.Becauseofitsadvantages,GPSsoftwarereceiverabovetheworlddevelopmentbecomethehotresearchtopic.AndthekeyresearchGPSsoftwarereceiverliesinitsreceivingequipment,includingthebasebandprocessingunitcaptureandtrackinglooptwoparts.ThispaperfocusesontheMatlabisstudiedandrealizationofcapture.ThispaperfirstlyintroducestheGPSsystemcomposition:GPSsystemconsistsofGPSsatellite,groundmonitoringsystem,GPSreceiverofthreeparts.ThenexpoundsthespreadspectrumcommunicationandGPSsignaldirectly,thenstructureandcharacteristicsofthemainbodypartinthisarticle,thispaperstudiestheGPSsoftwarereceiversignalcapturingtechnologies.Timedomaincaptureofserialalgorithm,andHangPindomaincapturealgorithm,parallelyardscomparesthephasecapturealgorithm,andselectparallelcodephasecapturealgorithmsoftwaretoacceptandserialrealizehardwareaccept.Becausethestudyisstaticreceiver,soreceivermodulecapturerangeiscapturedthedopplerfrequencymodulated5KHz,butbecauseC/Acodedopplerfrequencyisverysmall,sothesimulationistoignorethedopplerfrequency.TheninMatlabsoftwareplatformtoachievecapturedGPSsignalssimulation.KEYWORDS：Simulink,GPSsignalacquisition,Matlab,C/A目錄摘要 I第一章緒論 11.1引言 11.11GPS的發(fā)展概況 11.2課題研究的意義和目的 21.3本文的內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu) 2第二章GPS系統(tǒng)原理概述 42.1GPS系統(tǒng)組成 42.2GPS信號的組成 52.2.1載波信號 52.2.2偽隨機碼信號 62.2.3導(dǎo)航電文 72.3GPS擴頻通信系統(tǒng)基本原理 82.4GPS信號的MATLAB仿真及實現(xiàn) 92.4.1數(shù)據(jù)碼產(chǎn)生器 92.4.2C/A碼產(chǎn)生器 102.4.3C/A碼互相關(guān)性和自相關(guān)性驗證 11第三章GPS信號的捕獲 133.1多普勒效應(yīng)對C/A碼相位和載波頻率的影響 133.2GPS信號的捕獲 143.2.1串行捕獲算法 153.2.2并行頻率捕獲算法 163.2.3并行碼相位捕獲算法 17并行碼相位捕獲算法，是在頻域里執(zhí)行循環(huán)卷積。原理圖如圖3-5 173.3GPS信號的捕獲的MATLAB仿真 193.3.1仿真參數(shù) 193.3.1串行捕獲算法 203.3.2并行頻率捕獲算法 203.3.3并行碼相位捕獲算法 213.3.4三種捕獲算法的比較和總結(jié) 22第四章總結(jié)與展望 244.1總結(jié) 244.2展望 24參考文獻(xiàn) 25致謝 27畢業(yè)設(shè)計小結(jié) 27本科畢業(yè)設(shè)計論文PAGE30第一章緒論1.1引言1.1.1GPS的發(fā)展概況全球定位系統(tǒng)（GPS，GlobalPositioningSystem）是美國從20世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS由3個區(qū)段組成:衛(wèi)星星座，地面控制/監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)和用戶接收設(shè)備。GPS衛(wèi)星星座由24顆分布于平均高度為20200km的6個軌道面的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星運行周期為n小時58分(12恒星時)。地面監(jiān)控系統(tǒng)由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站組成，用于跟蹤觀測GPS衛(wèi)星，計算衛(wèi)星星歷，監(jiān)測和控制衛(wèi)星的健康狀況，保持精確的GPS時間系統(tǒng)，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和控制命令。GPS用戶設(shè)備的核心是GPS接收機，其主要功能是接收并處理GPS衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航信號，計算出用戶接收機的位置、速度和時間信息。目前，由于GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，其商業(yè)方面的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最初的軍事應(yīng)用，除了被應(yīng)用在大地測量、地質(zhì)勘探、石油開采、地震及氣象監(jiān)測這些領(lǐng)域外，在車輛導(dǎo)航、交通監(jiān)控、車輛跟蹤監(jiān)控、移動計算機、蜂窩電話平臺和個人緊急呼救等領(lǐng)域也有了較大地發(fā)展。美國的GPS系統(tǒng)是現(xiàn)在全球定位系統(tǒng)中最為常見和最為成熟的，該系統(tǒng)是、美國歷時16年、耗資130億美元，由軍方控制并資助建成的。由24顆衛(wèi)組網(wǎng)。目前，全球眾多國家都在使用這個系統(tǒng)對地面的汽車、海上的船只和天空的飛行器以及衛(wèi)星、導(dǎo)彈進(jìn)行全天候的和實時的準(zhǔn)確定位，定位精度成10米。如今，GPS已經(jīng)是全運行的系統(tǒng)，而且滿足二十世紀(jì)六十年代提出的最佳定位標(biāo)準(zhǔn)。它能向有適當(dāng)接收設(shè)備的全球范圍用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息。而對于用戶來說，最重要的就是GPS接收機，接收機根據(jù)同時收到的4—8顆衛(wèi)星的位置信息，應(yīng)用差分定位原理，每隔1—3秒向用戶播報一次其位置(經(jīng)緯度)、速度、高度和時間信息，以供用戶或用戶的系統(tǒng)使用。GPS提供兩種類型的服務(wù):標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS，StandardPositionService)和精密定位服務(wù)(PPS，PrecisePositioningService)。SPS為全球普通用戶所使用。GPS提供的SPS服務(wù)精度為:水平面內(nèi)100m(2drms，95%)，垂直面內(nèi)156m(2drms，95%)。距離均方根值(或drms)是在導(dǎo)航中常用的測度。drms值兩倍也即2drms是一個圓的半徑，這個圓中至少包含在任何一個地方用一種系統(tǒng)(這里是PPS)所獲得的所有可能定位值的95%。的UTC傳送精度為340ns。使用GPS的SPS服務(wù)，只需有一臺GPS接收機即可。PPS為美國核準(zhǔn)的軍方用戶和選定的政府部門使用。GPS提供的PPS服務(wù)精度為:水平面內(nèi)22m(2drms，95%)，垂直面內(nèi)27.7m(2drms，95%)，UTC傳送精度為200ns。對PPS服務(wù)的控制是通過反欺詐(AS，AntiSpoofing)和選擇可用(SASelectiveAvailability)措施來實現(xiàn)的。SA已于2000年5月1日起停用，當(dāng)前美國的政策是保持其關(guān)閉狀態(tài)。1.2課題研究的意義和目的GPS系統(tǒng)采用的是直接序列擴頻通信體制，在兩個L波段上，分別用偽隨機噪聲碼P碼和C/A碼擴頻調(diào)制了導(dǎo)航電文D碼。L1的中心頻率為1575.42MHz，L2的中心頻率為1227.6MHz。載波信號L1上調(diào)制有P碼、C/A碼和D碼，而載波信號L2上只調(diào)制P碼和D碼。GPS系統(tǒng)中P碼的捕獲通常是利用C/A碼來完成的,用戶首先捕獲到C/A碼,然后利用C/A碼調(diào)制的導(dǎo)航電文中的握手字(HOW-handoverword)所提供的P碼信息對P碼進(jìn)行捕獲。由于P碼在戰(zhàn)爭中顯得十分重要,而且C/A碼在民用中也發(fā)揮了很重要的作用,所以研究并實現(xiàn)C/A碼具有一定的實際價值。本文就通過對捕獲方法的研究和討論，得到最優(yōu)的捕獲方案。1.3本文的內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)本文研究主要問題是基帶信號處理，主要是對GPS信號的捕獲，目的是得到GPS信號中的碼相位和頻率等信息。本文的組織結(jié)構(gòu)安排如下：緒論，介紹了GPS全球定位系統(tǒng)的概況，以及GPS軟件接收機的發(fā)展概況，概述了課題的背景、研究意義和目的、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。給出了本文的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。GPS系統(tǒng)原理概論，主要介紹了GPS系統(tǒng)的組成和GPS信號的組成，敘述了GPS擴頻通信的原理和特點，并使用Matlab對GPS信號產(chǎn)生和C/A碼的特性進(jìn)行了仿真和驗證。GPS信號的捕獲，本章是全文的重點，首先介紹GPS信號的多普勒效應(yīng)，再詳細(xì)介紹了串行捕獲，并行頻率捕獲和并行碼相位捕獲三種方法，最后使用Matlab對信號捕獲進(jìn)行了仿真和實現(xiàn)。第四章總結(jié)與展望，本章對本文的研究工作做了總結(jié)，并對今后的工作提出了展望。

第二章GPS系統(tǒng)原理概述2.1GPS系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)由三個部分組成:空間星座部分、地面控制部分和用戶設(shè)備部分。空間部分一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。24顆衛(wèi)均勻分布在6個軌道面內(nèi)，軌道面相對于赤道平面傾角約為55度，如圖2-1所示。于地面上觀測者來說，位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而不同，最少4顆最多11顆衛(wèi)星可見。衛(wèi)星上裝載有導(dǎo)航電文存儲器、高穩(wěn)定度原子頻標(biāo)、雙頻發(fā)射碼和偽碼發(fā)生器。其主要功能包括受地面監(jiān)控站控制并接收監(jiān)控站發(fā)來的導(dǎo)航信息，由原子時鐘提供精確時間標(biāo)準(zhǔn)并連續(xù)不斷的發(fā)射導(dǎo)航信息等。圖2-1GPS衛(wèi)星星座的分布圖2、地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng):地面控制部分是整個系統(tǒng)的中樞，主要由分布在球的5個地面站組成。根據(jù)作用的不同，地面站又被分為主控站、監(jiān)測站和注入站。地面監(jiān)控系統(tǒng)有兩方面的重要作用，一是提供GPS衛(wèi)星播發(fā)的星歷，二是保持各顆星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時間系統(tǒng)。GPS空間星座部分和地面監(jiān)控部分是用戶應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)。3、用戶設(shè)備部分:用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航定位工作。用戶設(shè)備主要由GPS接收機硬件、數(shù)據(jù)處理軟件微處理器及終端設(shè)備組成。2.2GPS信號的組成GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送的導(dǎo)航電文是一種碼率為50Hz的不歸零的二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼(D碼），包括衛(wèi)星星歷、工作狀態(tài)、時鐘改正、電離層時延改正、大氣折射改正等信息，D碼是導(dǎo)航和定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。GPS衛(wèi)星采用偽噪聲碼對D碼進(jìn)行二級調(diào)制，先將D碼調(diào)制成偽噪聲碼(P碼和C/A碼)，再將上述兩噪聲碼調(diào)制在L1和L2兩載波上，形成向用戶發(fā)射的GPS信號。這四種GPS信號的頻率皆源于10.23MHz(星載原子鐘的基頻)的基準(zhǔn)頻率。2.2.1載波信號可運載調(diào)制信號的高頻振蕩波稱為載波。由于它們均位于微波的L波段，故分別稱為Ll載波和L2載波，其中L1載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率（=10.23MHz)倍頻154倍后形成的，即=154×=1575.42MHz，波長為19.03cm；L2載波是由倍頻120倍后形成的，即=120×=1227.60MHz，其波長為24.42cm。如圖2-2所示，第一個載波駐留在L1波段中心頻率為1575.42MHz，第二個駐留在L2波段中心頻率為1227.6MHz，L1波段主要是民用包含了兩種代碼一個叫做粗捕獲碼C/A碼，另一個叫做精測距碼P碼；L2波段只用于軍用場合僅含有一個P碼。所有24個衛(wèi)星的L1信號均使用同樣的頻率但相互不發(fā)生干擾因為它們每一個都經(jīng)由覆蓋了2.046MHz波段的一個PRN代碼進(jìn)行了擴頻經(jīng)過PRN代碼擴頻后的GPS信號不僅能區(qū)別于其他信號還具有抗干擾能力。圖2-2駐留在L1和L2GPS信號波段上的P碼和C/A碼2.2.2偽隨機碼信號偽隨機噪聲碼（PseudoRandomNoise，PRN）主有兩種：P碼和C/A碼。P碼使用4個12位的移位寄存器，P碼序列長度為266.41位，約為38.058星期，a但這個長度被37等分為37個獨特的序列，這些序列在1個星期結(jié)束時被截斷。因此每個P碼序列長度為基碼，周期為7天，基碼速率為10.23MHz。由于P碼的反饋設(shè)計細(xì)節(jié)復(fù)雜，且嚴(yán)格保密，不提供民用，因此本文主要討論碼。C/A碼是GOLD碼序列，其序列長度為1023位(基碼)，基碼速率是l.023MHz，碼周期為lms。GPS衛(wèi)星L1頻率的傳輸帶寬大約為20MHz，因此，C/A碼含有主瓣以及很多旁瓣。C/A碼的產(chǎn)生是通過兩個10位的移位寄存器和，其中描述的多項式是，描述G2的多項式是。C/A碼是由的直接輸出和的延遲輸出異或的結(jié)果，是長度為1023的士1序列，其產(chǎn)生器如圖2-3所示。的時間延遲取決于選取的兩個點的位置，這兩個點的選取又和衛(wèi)星的ID是一一對應(yīng)的[1]。圖2-3CC/A碼的相關(guān)性：1.不同C/A碼的互相關(guān)性。第i顆和第j顆衛(wèi)星的C/A碼分別為和，它們的互相關(guān)函數(shù)為：(2-1)C/A碼的自相關(guān)性。第i顆衛(wèi)星C/A碼的自相關(guān)函數(shù)為：(2-2)可以看出，對于同一個衛(wèi)星，當(dāng)碼相位差為0時，相關(guān)性良好，當(dāng)碼相位差不為0時，幾乎不相關(guān)。圖2-4為C/A碼自相關(guān)和互相關(guān)特性圖。左圖為自相關(guān)圖，當(dāng)相位差為零時，相關(guān)值很大，相位差不為零時，相關(guān)值約為零。右圖為互相關(guān)圖，無論相位差為多少，相關(guān)值都約為零。圖2-4C/A碼的自相關(guān)和互相關(guān)特性C/A碼的自相關(guān)C/A碼的互相關(guān)特性C/A碼的相關(guān)性非常重要，GPS信號接收機就是利用這一特性使所接收的偽噪聲碼和機內(nèi)產(chǎn)生的偽噪聲碼達(dá)到對齊同步，進(jìn)而捕獲和識別來自不同GPS衛(wèi)星的偽噪聲碼，解譯出它們所傳送的導(dǎo)航電文，測定衛(wèi)星到接收機之間的距離等。2.2.3導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文是由GPS衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組包含衛(wèi)星在空間的位置、衛(wèi)星狀態(tài)、衛(wèi)星時鐘的修正參數(shù)、Z計數(shù)等重要數(shù)據(jù)的二進(jìn)制代碼，它是用戶使用GPS進(jìn)行定位時必不可少的數(shù)據(jù)。導(dǎo)航電文的傳輸速率為50b/s，它以幀為單位向外發(fā)送，每個主幀1500bit，每幀30s。如圖2-5所示，每個主幀分為5個子幀，每個子幀包含300bit，長度為6s。每個子幀又可分為10個字，每個字又是由30bit組成的。其中第四子幀、第五子幀各有25個頁面，需要750s才能全部播發(fā)完畢，也就是每30s翻轉(zhuǎn)一頁，12.5min完整地播發(fā)一次，其內(nèi)容僅僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。第一子幀、第二子幀、第三子幀每隔30s重復(fù)一次，其內(nèi)容每小時更新一次，所以在衛(wèi)星定位后可以根據(jù)已有的導(dǎo)航電文預(yù)測下一段時間導(dǎo)航電文。圖2-5導(dǎo)航電文的組成2.3GPS擴頻通信系統(tǒng)基本原理擴展頻譜通信簡稱擴頻通信,是利用與傳輸數(shù)據(jù)(信息)無關(guān)的碼將要發(fā)送的信息擴展頻譜，使之所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于被傳送信息所必需的最小帶寬。在接收端，利用相同的擴頻碼對接收信號進(jìn)行同步相關(guān)處理，以解擴和恢復(fù)出傳送的信息數(shù)據(jù)，其原理如圖2-6所示。對于GPS系統(tǒng)而言，我們使用偽隨機序列C/A碼和P碼來進(jìn)行擴頻，來增強系統(tǒng)的抗干擾性和保密性[]。圖2-6GPS擴頻系統(tǒng)原理框圖由信源輸出的信號s(t)是碼元持續(xù)時間為T的信息流，偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼為Ci(t)，每一偽隨機碼碼元寬度為Tc。將信號s(t)與偽隨機碼Ci(t)進(jìn)行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用擴頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴頻調(diào)制的射頻信號。GPS信號被擴頻后，帶寬變寬，在空中傳播時，有用信號的功率很低，基本上是淹沒在噪聲中的。在接收端，接收到的擴頻信號經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)端同步的偽隨機序列對中頻的擴頻調(diào)制信號進(jìn)行相關(guān)解擴，將信號的頻帶恢復(fù)為信息序列s(t)的頻帶，即為中頻調(diào)制信號。然后再進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔(t)，從而完成信息的傳輸。對于干擾信號和噪聲而言，由于與偽隨機序列不相關(guān)，在相關(guān)解擴的作用下，相當(dāng)于進(jìn)行了一次擴頻。干擾信號和噪聲頻譜被擴展后，其譜密度降低，這樣就大大降低了進(jìn)入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率，相應(yīng)地增加了相關(guān)器輸出端的信號／干擾比，因而具有較強的抗干擾能力，擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力主要取決于系統(tǒng)的擴頻增益，或稱之為處理增益。對大多數(shù)人為干擾而言，擴頻系統(tǒng)都具有很強的對抗能力。2.4GPS信號的MATLAB仿真及實現(xiàn)2.4.1數(shù)據(jù)碼產(chǎn)生器圖2-7伯努利二進(jìn)制發(fā)生器如圖2-7所示，BernoulliBinaryGenerator模塊產(chǎn)生的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，在此將它作為GPS信號中數(shù)據(jù)碼（D碼）的發(fā)生器。并設(shè)其產(chǎn)生信號“0”的概率為0.5。根據(jù)導(dǎo)航電文的幀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生D碼，每幀電文長度為1500bit，傳送速率為50bit/s，所以播發(fā)一幀電文需要30s時間。每幀導(dǎo)航電文包括5個子幀，每個子幀含有10個字，每個字含30bit電文。圖2-8中顯示的是一秒鐘傳送的50bit的電文信息圖2-8GPS信號數(shù)據(jù)碼（D碼）2.4.2C/A碼產(chǎn)生器圖2-9C/A碼產(chǎn)生模塊如圖2-9所示，GoldSequenceGenerator模塊產(chǎn)生1.023Mbit/s的gold序列即GPS信號中的C/A碼。C/A碼是由兩個具有相同碼長及碼速率，但結(jié)構(gòu)不同的10級m序列優(yōu)選對相乘所得到的組合碼，即為Gold碼。圖2-10所示為一個周期的C/A碼序列，其碼長為1023bit,周期為1ms，數(shù)碼率為1.023Mbit/s。UnipolartoBipolarconverter模塊就是將單極性的Gold序列0、1數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為+1、-1的雙極性數(shù)據(jù)流。其輸出的雙極性信號波形如圖2-11所示。根據(jù)C/A碼的產(chǎn)生原理，將GOLD碼的兩個m序列的初始狀態(tài)都設(shè)為“全1”，其中一個m序列的反饋系數(shù)矩陣是[10010000001]，表示第3、10級的輸出相異或，所得到的結(jié)果反饋到第一級；另一個反饋系數(shù)矩陣是[10110010111]，表示第2、3、6、8、9、10級的輸出相異或，得到的結(jié)果反饋到第一級。圖2-10Gold碼序列圖2-11雙極性Gold碼序列2.4.3C/A碼互相關(guān)性和自相關(guān)性驗證把上文產(chǎn)生的C/A碼導(dǎo)入到workplace，用編程實現(xiàn)C/A碼的自相關(guān)性和互相關(guān)性驗證，其自相關(guān)性結(jié)果如圖2-11所示，當(dāng)相位差為零時，相關(guān)值為1023，相位差不為零時，相關(guān)值為63，-1和-65，相比1023，我們可以把它視為零，而互相關(guān)性結(jié)果如圖2-12所示，無論相位差為多少，相關(guān)值都為1，65和-63，約為零。圖2-11C/A碼自相關(guān)性圖2-12C

第三章GPS信號的捕獲3.1多普勒效應(yīng)對C/A碼相位和載波頻率的影響由于衛(wèi)星與接收機之間的相對運動導(dǎo)致接收到的信號頻率改變的現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)會對接收到的衛(wèi)星信號的頻率產(chǎn)生影響，經(jīng)過RF前端、A/D后輸出的中頻數(shù)字信號會出現(xiàn)多普勒頻移[為什么刪不掉]。為什么刪不掉如圖4-1所示，為衛(wèi)星的線速度，為衛(wèi)星面向用戶位置A的速度分量，多普勒頻移的產(chǎn)生就是由速度分量產(chǎn)生的。圖3-1多普勒頻移產(chǎn)生原理圖由于，當(dāng)時，=0；當(dāng)時，取到最大值，此時(3-1)故有，本地接收到的載波最大多普勒頻移為：(3-2)本地接收到的C/A碼的多普勒頻移為：(3-3)載波的多普勒頻移會造成在捕獲、跟蹤過程中，本地載波和接收到的載波頻率的差異，從而需要動態(tài)改變本地載波的頻率使其與接收到的信號的載波頻率相同。由式(3一2)可知，靜態(tài)接收機在捕獲過程中需要在范圍內(nèi)搜索，其中為中頻信號頻率。C/A碼的多普勒頻移很小，所以本文忽略多普勒頻移。C/A碼的碼長為1023，故捕獲范圍為(0—1023)碼相位。3.2GPS信號的捕獲一組輸入信號通常包含幾個衛(wèi)星的信號，每個信號都有不同的C/A碼和起始點以及載波多普勒頻率，捕獲的目的就是搜索信號中包含的可見衛(wèi)星，對每一個可見衛(wèi)星找到它的C/A碼的起始點相位和載波的頻率，也就是在可見衛(wèi)星、碼相位和載波多普勒頻率三維方向上進(jìn)行搜索。捕獲是利用偽隨機碼良好的相關(guān)特性，檢測本地C/A碼和偽隨機碼的相關(guān)輸出，對某一顆可見衛(wèi)星，當(dāng)本地C/A碼的碼相位、本地載波的頻率加多普勒頻率和輸入信號中的碼相位以及載波加多普勒頻率相匹配時，有最大的相關(guān)值，當(dāng)本地C/A碼的碼相位與輸入的信號中的碼相位在任何一邊的偏移超過一個碼元時，有最小的相關(guān)，檢測到最大相關(guān)值便達(dá)到了捕獲的目的。GPS接收機的捕獲模塊實現(xiàn)對C/A碼相位和載波頻率的捕獲。再傳遞到跟蹤模塊和位同步模塊，得到數(shù)據(jù)碼。GPS接收機的捕獲實質(zhì)上是使接收機本地產(chǎn)生的載波和C/A碼與接收機所接收到的衛(wèi)星發(fā)射的載波和C/A碼同步。1ms的輸入信號包含載波和C/A碼。用與輸入信號中C/A碼同相位的本地C/A碼相乘，可得到載波信號。由于載波信號是連續(xù)信號，對其FFT后可以從其頻譜中得到載波頻率，本文的輸入信號是3.563MHz中頻數(shù)字信號（采樣頻率為11.999MHz），故本地載波的標(biāo)稱頻率為3.563MHz，載波的捕獲范圍是3.563MHz5KHz。由于采樣頻率為11.999MHz，C/A碼的周期為1ms，故C/A碼相位的捕獲范圍是0-11999個C/A碼采樣點.其中C/A碼相位是指當(dāng)前輸入的GPS信號數(shù)據(jù)中C/A碼的開始點。一般捕獲算法有三種：串行捕獲算法，并行頻域捕獲算法和并行碼相位捕獲算法。3.2.1串行捕獲算法順序搜索捕獲算法是最簡單和最常用的時域捕獲算法。時域捕獲原理圖如圖3-2所示。圖3-2時域捕獲原理圖時域捕獲算法如下:首先利用本地C/A碼CA[n+m]與輸入中頻信號x[n]進(jìn)行模二加，之后分別于本地載波的同相支路和正交支路進(jìn)行波形相乘，得到基帶信號:I路信號和Q路信號，在一個或多個周期(N)內(nèi)累加后，再平方，得到了I路和Q路的相關(guān)能量輸出，將兩路相關(guān)能量相加得到相關(guān)能量和，進(jìn)行K次這樣的運算，然后將K次相關(guān)能量相加，得到一個K次相關(guān)能量和，將這個值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較。對所有可能的碼相位和載波頻率進(jìn)行如上算法計算，當(dāng)?shù)玫降南嚓P(guān)能量和大于這個門限值時，捕獲成功，進(jìn)入跟蹤模塊。這時的碼相位和載波頻率即為本地的碼相位和載波頻率。圖3-2中，CA[n+m]為本地C/A碼，n表示對本地C/A碼的第n個采樣，m表示本地C/A碼的碼相位；x[n]表示輸入中頻信號，n表示對中頻信號的第n個采樣；中的L為一個C/A碼周期的采樣點數(shù)，N表示進(jìn)行N個周期的累加；相關(guān)能量和為：(3-4)通常情況下，順序搜索捕獲算法每個碼相位檢測后增加1/2個碼元，所以有2046(2×1023)個碼相位需要檢測。如果采用數(shù)字采樣信號，那么捕獲時可以每次移動一個采樣點或者多個采樣點，但對應(yīng)的碼元移動要少于1/2個碼元。對于Ll載波多普勒頻率搜索步長的設(shè)定，可以將頻率步長選取為捕獲所使用的數(shù)據(jù)長度的倒數(shù)，或者更小的頻率值。如果事先有關(guān)于載波或者碼相位的分布信息，可以利用這些信息來減小搜索范圍。如果M=1，即每次清零之間使碼相位移動一個采樣值，則需要通過移動L次本地碼采樣值和輸入信號的L個采樣值進(jìn)行相關(guān)計算。3.2.2并行頻率捕獲算法由上一小節(jié)的介紹可以看出，因為要順序搜索頻率和碼相位這兩個參數(shù)所有可能的值，串行搜索捕獲方法非常的耗時。如何能從搜索過程中消除對其中一個參數(shù)的搜索，或者能使對兩個參數(shù)的搜索同時進(jìn)行，算法性能將會大大提高。這節(jié)介紹的并行頻域搜索捕獲算法，就是對一個參數(shù)的搜索。這種方法利用了傅立葉變換將信號從時域變換到頻域。并行頻域搜索捕獲算法的原理圖如下圖3-3所示：圖3-3并行頻域搜索捕獲算法原理圖圖3-3中，輸入信號首先和本地產(chǎn)生的C／A碼序列相乘。對于一個特定的衛(wèi)星，C／A碼的相位介于0～1022個碼元之間。然后對相乘后的信號進(jìn)行傅里葉變換，使其變換到頻域。進(jìn)行傅里葉變換時，可以通過離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)。其中FFT比DFT的運算速度快，但是FFT要求輸入序列的長度等于2的正整數(shù)次冪。圖3-4C／上圖3-4是輸入信號和一個完全對齊的本地C／A碼序列相乘后的結(jié)果，相乘后得到的信號是一個連續(xù)波。只有當(dāng)本地C／A碼和輸入信號中的碼完全對齊時，才能得到上圖的結(jié)果。如果輸入信號包括其他衛(wèi)星的部分信號，作為C／A碼序列互相關(guān)特性的結(jié)果，這些信號將被最小化。在并行頻域搜索捕獲過程中，圖3-3中相乘后得到的信號在經(jīng)過傅立葉變換后，其輸出在幅值會有一個很清晰的尖峰。這個尖峰用來確定和連續(xù)波信號頻率相等的頻率值，也就是載波信號的頻率。串行搜索捕獲算法對所有可能的碼相位和載波頻率都進(jìn)行了搜索，而并行頻域搜索捕獲算法僅僅對1023個不同的碼相位進(jìn)行了搜索。但是并行頻域搜索捕獲方法在減少搜索量的同時，它又帶來了對和每個不同的碼相位相成后的信號進(jìn)行傅立葉變換時的時間消耗。和串行搜索捕獲相比，這種方法依靠了頻域變換，其更快速的實現(xiàn)應(yīng)該是可能的。像串行搜索捕獲方法一樣，并行頻域搜索方法的實現(xiàn)也是簡單直接的，它可以基于圖3-3直接實現(xiàn)。并行頻域搜索捕獲方法的第一步和串行搜索捕獲方法的第一步是相同的，也是輸入信號和本地C／A碼相乘。在和C／A碼相乘后，通過傅立葉變換將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域。在進(jìn)行傅立葉變換時，F(xiàn)FT是比較快速有效的方法。經(jīng)過FFT運算后，信號變成了復(fù)信號。如果第一步中本地C／A碼和輸入信號中的碼完全對齊，F(xiàn)FT運算后的結(jié)果會在中頻IF多普勒頻移處有一個大的尖峰。為了找到可能的尖峰頻率，對所有的值都取了絕對值。3.2.3并行碼相位捕獲算法并行碼相位捕獲算法，是在頻域里執(zhí)行循環(huán)卷積。原理圖如圖3-5圖3-5并行碼相位捕獲原理圖捕獲的基本思想是解擴輸入信號，確定輸入頻率。如果相位對準(zhǔn)的C/A碼與輸入信號相乘，輸入信號就變成了連續(xù)的載波，這個過程可以稱為C/A碼的剝離。因為輸入數(shù)據(jù)的C/A碼起點相位未知，所以必須找到C/A起始點相位。如果lms輸入信號包含L個采樣點，那么需要對本地C/A碼先進(jìn)行L點的采樣，然后移動L次和輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行點對點的相乘，當(dāng)C/A碼的起始點和輸入C/A碼起始點對準(zhǔn)時就完成了C/A碼剝離。一旦C/A碼剝離后就得到了連續(xù)信號，如果lms輸入數(shù)據(jù)中包含L個采樣點，對這lms數(shù)據(jù)進(jìn)行L點DFT(離散時間傅立葉變換)運算，那么DFT的頻率分辨率就是1kHz，在所得L個頻率值中只有L/2點包含有用的信息。剩余的L/2點是前L/2的共軛復(fù)數(shù)，因此，DFT覆蓋的總的頻率范圍是L/2kHz，這是采樣頻率的一半。對于頻率的幅值，可以設(shè)定一個門限值來確定某個頻率幅值是否足夠強，超過門限的最大幅值的對應(yīng)的頻率就是所需要的頻率解。對于沒有完成C/A碼剝離的數(shù)據(jù)，如果多普勒頻率的范圍是-10～+l0kHz，那么只在其DFT輸出數(shù)據(jù)中最大幅值頻率兩邊的20個數(shù)據(jù)點中尋找頻率解就可以了，因此只需要使用DFT計算輸出的頻率間隔為1kHz的21個頻率值即可，這樣可以減少計算量，節(jié)省計算時間。C/A碼剝離后數(shù)據(jù)的頻譜這可以由FFT運算完成，因此，可以利用FFT運算在頻域中對信號進(jìn)行捕獲。捕獲運算中，可以進(jìn)行K次運算，每次運算中使用Nms的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運算，然后將K次的運算結(jié)果進(jìn)行累加，利用累加信號在頻域中進(jìn)行捕獲。如果使用lms數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，那么時間解的精度是1/(1000L)s，頻率解的精度為1kHz。如果使用Nms的數(shù)據(jù)，因為信號只需要對lms的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)，所以時間解的精度仍是l/(1000L)s，但是頻率解的精度提高到了1000/NHz，這是因為FFT輸出的頻率分辨率提高到了1000/NHz。頻域捕獲算法如下:輸入中頻信號x[n]先與本地載波的同相支路sin(n)和正交支路cos(n)進(jìn)行波形相乘得到基帶信號:I路信號和Q路信號輸出。將I路輸出作為實部，Q路輸出作為虛部，得到一個新的序列，對這個序列作FFT運算。同時對本地C/A碼也做FFT并求共扼，將上述所得兩個結(jié)果作乘法，所得結(jié)果再經(jīng)由IFFT后求其幅度值即為相關(guān)結(jié)果，進(jìn)行K次這樣的算法，將K次所得相關(guān)值累加，將這個值與預(yù)先設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，如果大于門限值，捕獲成功，進(jìn)入跟蹤模塊。頻域捕獲算法的推導(dǎo)如下:設(shè)兩個序列[n]和[n]，在頻域中為[k]和[k]，表示卷積，表示乘，DFT表示離散傅立葉變換，IDFT表示逆DFT，F(xiàn)FT表示快速傅里葉變換，IFFT表示逆FFT。它們滿足下列的關(guān)系:(3-7)(3-8)式（3-7）與式（3-8）等價。故相關(guān)過程可用如下表示：(3-9)對于頻域捕獲來說，相關(guān)值R[m]為：(3-10)3.3GPS信號的捕獲的MATLAB仿真3.3.1仿真參數(shù)衛(wèi)星編碼：01中頻：3.563MHz采樣頻率：11.999MHz碼相位:640多普勒頻偏：03.3.1串行捕獲算法對1ms輸入信號進(jìn)行串行捕獲，得到的結(jié)果如圖3-6圖3-7：圖3-6串行的頻率捕獲為3.563MHz圖3-7串行的碼相位捕獲為7507上圖中7507對應(yīng)的碼相位為640(7507*1023/11999=640)。3.3.2并行頻率捕獲算法我們對1ms輸入信號進(jìn)行串行捕獲，得到的結(jié)果如圖3-8圖3-9：圖3-8并行頻率算法的頻率捕獲3.56MHz圖3-9并行頻率算法的碼相位捕獲為6403.3.3并行碼相位捕獲算法我們對1ms輸入信號進(jìn)行并行碼相位捕獲，得到的結(jié)果如圖3-10圖3-11：圖3-1110并行碼相位算法的頻率捕獲為3.563MHz圖3-1011并行碼相位算法的碼相位捕獲為7507上圖中7507對應(yīng)的碼相位為640(7507*1023/11999=640)。3.3.4三種捕獲算法的比較和總結(jié)為了計算仿真的簡便，通過對采樣頻率為11.999MHz的輸入信號進(jìn)行捕獲仿真，對三種方法的計算時間和精度做了比較如表3-1，表3-2捕獲算法執(zhí)行時間(S)搜索次數(shù)性能串行搜索捕獲1341023*41低并行頻域捕獲561023中并行碼相位捕獲141高表3-1捕獲時間的比較捕獲算法頻率碼相位串行搜索捕獲3.5625MHz7507并行頻域捕獲3.563MHz640并行碼相位捕獲3.5625MHz7507表3-2捕獲精度的比較從計算量和處理時間來看，并行碼相位捕獲要優(yōu)于并行頻域捕獲和串行搜索捕獲，此算法縮減了運算量，增加了計算速度。從精度來看，并行碼相位捕獲和串行搜索捕獲一樣在頻率精度和碼相位精度上都是最高的，并行頻率捕獲精度則最低。但是串行搜索捕獲算法的靈活性最好，對碼相位、載波頻率進(jìn)行二維空間搜索實現(xiàn)容易，且可捕獲到高精度的碼相位和載波頻率。而且若進(jìn)行N個C/A碼周期累加時，串行搜索捕獲只需要存儲一個C/A碼周期的數(shù)據(jù)塊，而并行頻域捕獲和并行碼相位捕獲需存儲N個C/A碼周期的數(shù)據(jù)塊。綜上所述，并行碼相位捕獲方法最優(yōu)，但是他的設(shè)計較為復(fù)雜不適合作為硬件接收機捕獲方法，而只適合作為軟件接收機的捕獲方法。串行捕獲算法靈活性最好，對碼相位、載波頻率進(jìn)行二維空間搜索實現(xiàn)容易且精度不低，最適合應(yīng)用于硬件接收機。

第四章總結(jié)與展望4.1總結(jié)本文主要針對GPS系統(tǒng)的基本理論、概念、算法、模型展開研究，著重介紹C/A碼得產(chǎn)生和GPS信號捕獲方法和其Matlab仿真。本文主要完成了以下工作：(1)簡要介紹了GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在分析了GPS信號結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，論述了接收機信號捕獲基本原理和方法。(2)分析了C/A碼的基本原理:直接擴頻通信和GPS信號的結(jié)構(gòu)與特性。在Matlab的Simulink平臺上實現(xiàn)對GPS信號的仿真。(3)分析了傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星信號三種捕獲方法的優(yōu)缺點，用Matlab對三種算法進(jìn)行了仿真和驗證從而得出結(jié)論。4.2展望本論文探討并闡述了GPS接收機的設(shè)計原理,對中頻信號基帶處理方法做了一定的研究，在學(xué)習(xí)和探索的過程中走了不少彎路，由于時間有限，GPS捕獲還有待深入研究，具體可從以下幾個方面入手:(1)定位算法方面，本文的主要目的是進(jìn)行GPS基帶信號處理的研究，對定位方面研究較少，需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)利用偽距定位的基本原理原理。(2)硬件模塊方面，本文著重介紹GPS軟件接收機的軟件部分，對硬件部分中的射頻前端、A/D轉(zhuǎn)換、信號采集和傳輸都未進(jìn)行研究和介紹。(3)硬件實現(xiàn)方面，以后的學(xué)習(xí)研究中，需要利用FPGA設(shè)計方案對捕獲、跟蹤、位同步模塊進(jìn)行了硬件實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)[1]DineshManandhar,DevelopmentofL1-BandC/ACodeSoftware-basedGPSReceiver[D],TheUniversityofTokyo,2002[2]C.E.Shannon.Amathematicaltheoryofcryptography.BellTel.Lab,memo,1945[3]C.E.Shannon.Amathematicaltheoryofcommunication.Bell.Syst.Tech.，1948.27(7):379~423,July,(10):623~656[4]C.E.Shannon.Communicationtheoryofsecrecysystems.Bell.Syst.Tech.,1949.28(10):656~715[5]RobertA.Scholtz.TheOriginsofSpreadSpectrumCommunication,.IEEETrans.Commun.1982,(30).[6]劉慧超，GNSS軟件接收機關(guān)鍵算法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.[7]常薇.軟件GPS接收機的研究[D].太原：中北大學(xué)，2007.[8]鮑雍榮.GPS軟件接收機的C++/Matlab實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2007[9]段文娟.GPS接收機基帶處理器研究與設(shè)計[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.[10]劉俊成.GPS軟件接收機關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.[11]姜華.GPS接收機接收模塊的研究與VLSI實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.[12]沈超，裘正定.基于MatLab/Simulink的GPS系統(tǒng)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(7);1857-1860.[13]唐俊.GPS衛(wèi)星數(shù)字中頻信號的捕獲，跟蹤研究與仿真[D].北京：北京交通大學(xué),2006.[14]陳濤.GPS接收機基帶信號處理的研究和設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2009[15]邵玉斌，Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M]，清華大學(xué)出版社，2008.[16]張德豐，MATLAB/Simulink建模與仿真[M]，電子工業(yè)出版社，2009.[17]查光明，熊賢祚.擴頻通信[M]，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004[18]吳繼華，王誠．AlteraFPGA/CPLD設(shè)計(基礎(chǔ)篇)[M]．北京：人民郵電出版社，2005[19]吳繼華，王誠．AlteraFPGA/CPLD設(shè)計(高級篇)[M]．北京：人民郵電出版社，2005．[20]田明浩,馮永新,潘成勝.P一種基于P碼的頻域直接捕獲算