GPS软件接收机的研究及Matlab实现

摘要

GPS即为全球定位系统，具有全球覆盖、全天候工作等特点。目前，GPS接收机在陆用、航空和海事等领域的应用越来越广泛，为用户定位和导航发挥着巨大的作用。随着GPS的升级和新的卫星导航系统的发展，相比较传统GPS接收机，GPS软件接收机具有的成本低、灵活性高等优点越来越突出。本文重点对GPS软件接收机的捕获和跟踪部分进行了研究，并在Matlab中进行了定位解算。 首先，本文介绍了GPS信号包含的主要内容。然后，在捕获部分讨论了时域滑动相关算法、并行频域搜索和并行码相位搜索捕获算法，并采用并行码相位搜索捕获算法对GPS数字信号进行捕获。在跟踪部分，码跟踪环路采用非相干延迟锁定环(DLL)，载波跟踪环路采用Costas环，并利用捕获得到的初始码相位和频率实现了对信号的跟踪。最后，本文对经过捕获和跟踪处理的GPS信号进行了同步和奇偶校验等处理，提取出了导航电文，并根据电文中的参数计算出了用户的位置坐标。 本文在捕获部分选用了在Matlab环境下执行时间短、性能高的并行码相位搜索捕获算法，提高了GPS软件接收机的定位速度和定位精度。载波跟踪环路采用了对180°相位转换不敏感的Costas环，保证了载波跟踪环路对信号的正确跟踪。码跟踪环路采用了性能良好的超前滞后能量差相位鉴别器。在码元差大于1/2码元时，环路依然能够保持对信号的跟踪。跟踪部分还将码跟踪环和载波跟踪环组合在一起，降低了跟踪环路的复杂度。另外在Matlab环境下，编写了捕获、跟踪和数据处理等程序，用软件方式实现了对用户的定位。这种实现方法节约了成本，并且可以根据环境设置不同的门限值和参数，还可以对程序进行更改用于接收处理其他卫星定位系统的信号，具有很大灵活性。

目录

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声明

第一章绪论

1.1 GPS发展概况

1.2 GPS的组成

1.2.1 GPS空间星座部分

1.2.2地面控制部分

1.2.3用户接收设备部分

1.3 GPS接收机的发展概况

1.4课题研究的意义

1.5本文的主要内容和组织结构

第二章GPS信号的产生和结构

2.1 GPS信号的产生

2.2 GPS信号的结构和内容

2.2.1载波信号

2.2.2 C/A码和P码

2.2.3导航数据

2.3本章小结

第三章GPS信号的捕获及Matlab实现

3.1 GPS信号捕获原理

3.2 GPS软件接收机捕获算法

3.2.1串行搜索捕获算法

3.2.2并行频域搜索捕获算法

3.2.3并行码相位搜索捕获算法

3.3 GPS信号捕获中有关参数的分析

3.3.1卫星搜索的数量

3.3.2捕获数据的长度

3.3.3执行时间

3.3.4捕获结果的精度

3.4并行码相位搜索捕获算法的Matlab实现

3.4.1捕获过程

3.4.2捕获结果

3.5本章小结

第四章 GPS信号的跟踪及Matlab实现

4.1解调过程

4.2锁相环原理

4.3载波跟踪

4.4码跟踪

4.5多径

4.5.1多径的特性

4.5.2多径对接收机性能的影响

4.5.3多径减轻技术

4.6完整的跟踪环及Matlab实现

4.6.1完整的跟踪环

4.6.2软件流程图

4.6.3跟踪结果

4.7本章小结

第五章GPS测量定位

5.1同步和导航电文的提取

5.1.1位同步

5.1.2子帧同步和奇偶校验

5.1.3提取导航电文信息

5.2卫星瞬时位置计算

5.3伪距计算

5.4接收机位置计算

5.4.1 ECEF坐标系下接收机的位置计算

5.4.2 ECEF坐标转换到大地坐标

5.5接收机定位结果

5.6本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢