基于圓周移位捕獲算法的GPS軟件接收機
發(fā)布時間：2019-09-17 05:38
【摘要】：隨著GNSS的迅猛發(fā)展，研究新的導航接收機逐漸成為行業(yè)內(nèi)的趨勢。而GNSS軟件接收機因其數(shù)據(jù)處理功能的易重配性以及信號處理的易完成性，成為國內(nèi)外近年來的研究重點和熱點。GPS導航系統(tǒng)作為GNSS中最早發(fā)展、技術(shù)最成熟的系統(tǒng)，研究軟件接收機具有得天獨厚的優(yōu)勢。 本文從軟硬件兩方面詳細介紹了與軟件接收機配套使用的數(shù)據(jù)采集實驗平臺。軟件接收機中采用了基于圓周移位的捕獲算法，針對傳統(tǒng)FFT捕獲算法運算量較大的缺點，利用時域載波剝離與頻域圓周移位等價的原理，通過對輸入信號頻譜序列進行圓周移位操作，替換在不同載波Doppler搜索單元下對輸入信號的重復載波剝離和FFT操作。該方法從減少捕獲過程中FFT運算的出發(fā)，大幅度提升了捕獲效率；在跟蹤方案中使用的是碼跟蹤使用早晚碼延遲鎖相環(huán)，，載波跟蹤使用Costas環(huán)進行。 全文分析了GPS定位的基本原理及軟件接收機的基本結(jié)構(gòu)，設計了基于USB2.0的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究了基于圓周移位的軟件接收機捕獲算法，分析了軟件接收機跟蹤環(huán)路算法，設計完成了適用于本文系統(tǒng)的軟件程序。最后通過實際測量，對系統(tǒng)的可靠性及軟件的可用性進行了檢測，為衛(wèi)星導航接收機新算法的開發(fā)與研究提供了方便使用的平臺。
【圖文】：
載波、偽碼以及數(shù)據(jù)碼，共同組成了 GPS 衛(wèi)星信號。首先是對數(shù)據(jù)碼進擴頻，所謂的擴頻就是講頻率進行拓寬，這里采用的方法即由偽碼異或數(shù)據(jù)接著用組合信號對載波信號進行調(diào)制，這里采用的是雙向移位鍵控(BPSK)的制方法。衛(wèi)星在發(fā)射信號時，C/A 碼iG 將與 PRN 編號為 i 的衛(wèi)星信號異或相使得 C/A 碼被數(shù)據(jù)碼調(diào)制。每一個比特在調(diào)制后都會生成 20 個周期相對應C/A 碼或者是反向值的組合碼，也就是擴頻調(diào)制到碼率為 50bps。然后，將載波通過組合碼進行 BPSK 調(diào)制，通過衛(wèi)星以 L1 為中心頻率將 C/A 碼信號射出去。接下來就是 GPS 接收機的任務了，有調(diào)制便有解調(diào)，衛(wèi)星信號的解便首當其沖。解調(diào)的目的就是將 C/A 碼要剝離出來，得到只含數(shù)據(jù)碼的信于是將信號的中心頻率由 L1 到零，即下變頻。然后再將收到的信號一邊與接機本地保存的 C/A 碼iG 做自相關(guān)運算，獲得數(shù)據(jù)碼，一邊由相關(guān)函數(shù)的主峰置確定 C/A 碼的相位，經(jīng)過運算得出衛(wèi)星與接收機的距離測量值。GPS 信號由式(2.1)表示，其中C (t )為擴頻碼，d (t )為導航電文，L1f為 L1 波段的載頻( ) 2 ( ) ( )cos( 2 ) 2 ( ) ( )cos( 2 )s t = P C t d t φ + π f t + P C t d t φ +πf t
圖 2.2 二維 C/A 碼搜索過程所謂軟件接收機，即捕獲跟蹤等過程全部使用的是軟件。首先根據(jù)射頻前端（本文使用的是基于 Sige 公司的 SE4110L 芯片研制）所采用的采樣率及載波頻率等，由軟件生成相適應的載波信號和 C/A 碼。而本地載波的復現(xiàn)，就是將正余弦函數(shù)同本地 NCO 合成；混頻后的信號包 I、Q 兩項信號，將這兩路信號同與超前（early）、即時（prompt）以及滯后（late）進行軟相關(guān)，得到的本地載波 NCO 則由軟件實現(xiàn)的載波跟蹤環(huán)來控制，通過不同的跟蹤方案實現(xiàn)信號的跟蹤。在軟件跟蹤環(huán)中采用 1 位采樣，以一維數(shù)組中 0 表示-1，以 1 表示+1。而軟件生成的本地 C/A 碼，使用二維數(shù)組代表符號與幅值，分別存放及調(diào)取使用。表 2.1 為本地載波信號的實際采樣值，而表 2.2 則代表本地 C/A 碼的實際采樣值。表 2.1 本地載波信號符號位 幅值位 值
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（國家授時中心）
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P228.4
本文編號：2536667
【圖文】：
載波、偽碼以及數(shù)據(jù)碼，共同組成了 GPS 衛(wèi)星信號。首先是對數(shù)據(jù)碼進擴頻，所謂的擴頻就是講頻率進行拓寬，這里采用的方法即由偽碼異或數(shù)據(jù)接著用組合信號對載波信號進行調(diào)制，這里采用的是雙向移位鍵控(BPSK)的制方法。衛(wèi)星在發(fā)射信號時，C/A 碼iG 將與 PRN 編號為 i 的衛(wèi)星信號異或相使得 C/A 碼被數(shù)據(jù)碼調(diào)制。每一個比特在調(diào)制后都會生成 20 個周期相對應C/A 碼或者是反向值的組合碼，也就是擴頻調(diào)制到碼率為 50bps。然后，將載波通過組合碼進行 BPSK 調(diào)制，通過衛(wèi)星以 L1 為中心頻率將 C/A 碼信號射出去。接下來就是 GPS 接收機的任務了，有調(diào)制便有解調(diào)，衛(wèi)星信號的解便首當其沖。解調(diào)的目的就是將 C/A 碼要剝離出來，得到只含數(shù)據(jù)碼的信于是將信號的中心頻率由 L1 到零，即下變頻。然后再將收到的信號一邊與接機本地保存的 C/A 碼iG 做自相關(guān)運算，獲得數(shù)據(jù)碼，一邊由相關(guān)函數(shù)的主峰置確定 C/A 碼的相位，經(jīng)過運算得出衛(wèi)星與接收機的距離測量值。GPS 信號由式(2.1)表示，其中C (t )為擴頻碼，d (t )為導航電文，L1f為 L1 波段的載頻( ) 2 ( ) ( )cos( 2 ) 2 ( ) ( )cos( 2 )s t = P C t d t φ + π f t + P C t d t φ +πf t
圖 2.2 二維 C/A 碼搜索過程所謂軟件接收機，即捕獲跟蹤等過程全部使用的是軟件。首先根據(jù)射頻前端（本文使用的是基于 Sige 公司的 SE4110L 芯片研制）所采用的采樣率及載波頻率等，由軟件生成相適應的載波信號和 C/A 碼。而本地載波的復現(xiàn)，就是將正余弦函數(shù)同本地 NCO 合成；混頻后的信號包 I、Q 兩項信號，將這兩路信號同與超前（early）、即時（prompt）以及滯后（late）進行軟相關(guān)，得到的本地載波 NCO 則由軟件實現(xiàn)的載波跟蹤環(huán)來控制，通過不同的跟蹤方案實現(xiàn)信號的跟蹤。在軟件跟蹤環(huán)中采用 1 位采樣，以一維數(shù)組中 0 表示-1，以 1 表示+1。而軟件生成的本地 C/A 碼，使用二維數(shù)組代表符號與幅值，分別存放及調(diào)取使用。表 2.1 為本地載波信號的實際采樣值，而表 2.2 則代表本地 C/A 碼的實際采樣值。表 2.1 本地載波信號符號位 幅值位 值
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（國家授時中心）
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P228.4
【參考文獻】
相關(guān)期刊論文 前5條
1 李豹;曹可勁;馬建國;;GPS軟件接收機跟蹤環(huán)路設計[J];電子設計工程;2010年02期
2 陳俊宇;茍鵬飛;趙文軍;王進祥;;基于Matlab/C的GPS軟件接收機跟蹤算法[J];計算機工程;2009年14期
3 胡叢瑋;李曉玲;安雷;;一種改進的GPS微弱信號捕獲方法[J];武漢大學學報(信息科學版);2008年08期
4 徐曉蘇;范金洋;;GPS軟件接收機捕獲算法[J];中國慣性技術(shù)學報;2009年02期
5 盧婧;金競;;GPS軟件接收機跟蹤模塊的實現(xiàn)[J];科技咨詢導報;2007年25期
本文編號：2536667
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