GPS中伪随机码的捕获技术研究

摘要

全球定位系统(又称为GPS)是新一代的导航定位系统，它可以向广大用户提供精确的定时和定位服务。GPS卫星发射的信号，是将基带信息先经过伪随机码扩频，再对发射载波进行二进制相移键控(BPSK)而形成的。利用伪随机码进行扩频是GPS 信号形成中的关键所在。本文主要研究GPS中伪随机码的快速捕获技术。 在各种扩频通信系统中，伪随机码都起着至关重要的作用。对伪随机码捕获技术的研究由来已久，方法也是多种多样。GPS中用到了两种伪随机码，它们分别是C/A码(粗测码)和P(Y)码(精测码)。 C/A 码具有周期较短，复杂性较低的特点。由于载波多普勒频移的影响，所以对C/A 码的捕获是同时对伪码相位和载波频率进行二维搜索的过程。本文采取PMF-FFT 的方案来实现C/A码的快速捕获，此方案的主要思想是利用FFT变换来估计多普勒频移，然后用得到的频移估计值来调节载波 NCO (数控振荡器)，直至完成码相位和载波频率的捕获。该方法有效地利用了FFT的特性，将对码相位和载波频率的二维搜索变为仅对码相位的一维搜索，大大减少了捕获时间，提高了C/A码接收机的实时性。此外，FFT 前的PMF部分有效地降低了接收到的GPS数据的速率，使后面FFT 的点数成倍地降低，大大节约了硬件资源。但PMF带来的一个显著缺点是随着多普勒频移的增加，FFT 输出的相关峰值会出现下降，且下降的程度与PMF的长度x密切相关，而X的大小又直接影响着接下来FFT 的点数，因此，应按照具体的要求来设置X的值。FFT也有一个缺点是给相关结果带来了扇贝损失，本文选择了加汉宁窗的方法对其做了改善，取得了比较令人满意的结果。 GPS中的P码及其加密后生成的Y码比C/A码的码速率更快、精确度更高、反欺骗容限更强。它在设计之初并不是用于直接捕获，而是通过已经捕获到的C/A码的转换来实现。如果C/A失效，则直接捕获P(Y)码就成了唯一的选择。P(Y)码的最大特点是具有长达一周的周期，如果采用传统的方法对其捕获，将会消耗很长的时间，这对于实时接收机来说是不能接受的。采用硬件并行相关技术可以缩短捕获时间，但代价非常昂贵。本文采用的叠加平均法是对直接平均法的一种改进。它一方面采取了数据平均的方法，不仅可以实现P(Y)码的快速捕获，而且其小点数的FFI’让硬件的消耗大大降低，实现更加简单；另一方面，叠加平均法与直接平均法相比，最主要的改善就是它的相关峰值在一定范围内不受码相位偏移的影响，即使有噪声存在的情况下，它的这一特性仍然保持稳定。此外，作者又拿叠加平均法与一些经典的P(Y)码直接捕获方法的性能做了对比，发现它在某些方面的捕获性能要优于这些算法，如其抗噪声性能就优于XFAST算法，捕获时间短于直接法等等。本文详细分析了GPS中两种伪随机码各自的特点，介绍了几种常用的伪随机码捕获方法，对传统GPS接收机上惯用的滑动相关法的原理作了比较详细的讲解。针对C/A码而采用的PMF-FFT捕获方案，详细介绍了其工作原理，对其捕获性能也作了深入的讨论，尤其是分别对PMF和FFT缺点的改善方法做了认真细致的分析。文中用MATLAB对PMF-FFT捕获结构的结果进行了仿真，并在捕获性能上与传统的捕获方法作了对比，最后又给出了其DSP的实现方案。对实现P(Y)码直接捕获的叠加平均法，主要讲述了该方法的思想，从理论上说明了其与直接平均法相比，在捕获性能方面的改善。另外，还与其它方法在捕获性能的某些方面作了认真的对比。为了有效地验证叠加平均法的优点，本文在分析算法原理的同时又给出其MATLAB的仿真图，并且为了方便比较，还对一些重要的数据用表格进行了归纳。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 GPS卫星全球定位系统

1.1.1 GPS的发展历程

1.1.2 GPS的特点

1.1.3 GPS的目前应用状况和应用前景

1.2 GPS的组成

1.2.1空间部分

1.2.2控制部分

1.2.3用户部分

1.3本课题的意义

1.4本文的内容安排

第二章扩频通信及其在GPS中的应用

2.1扩频通信的原理

2.2伪随机序列

2.2.1 m序列

2.2.2 Gold序列

2.3 GPS的信号组成

2.3.1 C/A码

2.3.2 P码

2.3.3 C/A码和P码的波形图

2.3.4 GPS发射信号的调制模型

第三章一些常用的伪随机码捕获方法

3.1滑动相关法

3.1.1滑动相关法的工作原理

3.1.2滑动相关法的捕获时间分析

3.1.3滑动相关法捕获过程的仿真

3.1.4滑动相关法的特点

3.2序列估值法

3.3匹配滤波法

第四章C/A码的捕获方法及其DSP实现

4.1 C/A码的性能分析

4.2多普勒频移对伪码捕获的影响

4.3二维搜索算法捕获C/A码所需要的时间

4.4传统的基于FFT的扩频码的捕获方法

4.5基于PMF-FFT的捕获方案

4.5.1 PMF-FFT的结构

4.5.2 PMF-FFT的幅频响应

4.5.3 FFT的扇贝损失及补偿方法

4.5.4中频采样时的平均采样技术

4.5.5 PMF-FFT捕获方案的性能分析

4.6 PMF-FFT捕获方案的仿真验证

4.7 PMF-FFT结构的DSP实现

4.7.1 TMSC320C30的特点和功能

4.7.2 DSP部分的硬件模块构成

4.7.3 DSP的工作原理

第五章P(Y)码的直接捕获技术

5.1 P(Y)码的特性

5.2直接平均法

5.3叠加平均法

第六章总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文