GPS扩频码的捕获与跟踪技术研究

摘要

全球定位系统（GPS，Global Position System）是新一代的精密卫星定位系统。面对当前定位导航产品广阔的市场以及应用前景，研究GPS定位系统具有很大的现实及长远意义。另外，研究GPS导航系统还能为我国研究制定自己的军用导航定位系统标准提供一定的理论支持。 GPS系统扩频码的同步技术包括GPS扩频码的捕获技术和GPS扩频码的跟踪技术，即扩频码的粗同步与精同步技术。GPS系统的同步技术是GPS系统中的一项关键技术。同步性能的好坏直接对应于测距的精度的高低，同步技术的好坏在一定程度上直接决定了GPS性能的好坏。国内外很多专家对GPS系统扩频码的同步技术进行了深入的研究。 GPS扩频码的捕获过程就是对GPS扩频码在时间和频率上大范围的二维搜索过程。由于P码的速率高，序列周期长，所以对P码的直接捕获十分困难。对P码直接捕获技术的研究是现阶段GPS系统研究的难点，由于条件等限制，本文只对C/A码的捕获与跟踪研究。此外，在GPS系统中需要对捕获之后的扩频码进行跟踪，GPS扩频码的跟踪是通过科斯塔斯环与码同步环实现的。科斯塔斯环与码环能较快实现对信号的跟踪，本文针对上面两方面做了以下的一些工作： 本文对C/A码的捕获进行了深入的研究。基于对国内外相关文献中C/A码直捕方法的分析与对比，并且结合在实际工程中硬件资源需求的考虑，本文采用了一种基于FFT的循环相关捕获的方法。本方法利用FFT实现接收信号与本地C/A码的并行相关，同时完成频偏的搜索，将传统的二维搜索转换为并行的一维搜索，从而能快速实现C/A码捕获。该方法能利用较少的硬件资源实现对C/A码的直接捕获。并且在粗捕获后，对信号进行精捕获估计，从而得到合适跟踪环的精细频率。对长记录电文的相关处理，本文提出了一种基于重叠相加法及FFT快速捕获方法，在Matlab上仿真验证了其正确。此外，本文提出了一种改进的捕获弱信号的方法，相关积分与批式捕获相结合方法，此方法可以捕获信噪比最低为27db-Hz的信号，有效地提高了GPS软件接收机的捕获灵敏度。本文给出了C/A码捕获算法的相应的仿真结果。 本文在对GPS系统中的码环以及科斯塔斯环的原理、功能进行深入的分析基础上，给出了在工程中应用中实用的环路各部分相应的经验公式及数字码环的设计方法。利用Matlab实现了对码环和科斯塔斯环功能的仿真，表明该方法设计的码环具有较好的跟踪性能。

目录

文摘

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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 GPS扩频码同步技术研究动态

1.4本课题的意义

1.5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

2.4本章小结

第三章 GPS信号的捕获

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

3.4 C/A码的捕获方法

3.4.1 C/A码的性能分析

3.4.2多普勒频移对伪码捕获的影响

3.4.3二维搜索算法捕获C/A码所需要的时间

3.4.4循环相关捕获方法

3.4.5基于循环相关捕获方法仿真实验

3.4.6 GPS长记录电文的处理

3.4.7 GPS长记录电文的处理仿真实验

3.4.8 GPS微弱信号的捕获

3.4.7 GPS微弱信号的捕获仿真实验

3.5本章小结

第四章 GPS信号的跟踪

4.1锁相环工作原理

4.2码跟踪环

4.3载波跟踪环

4.4完整的跟踪环

4.5 GPS信号跟踪仿真

4.5.1码相位跟踪仿真

4.5.2载波跟踪仿真

4.5.3解调出的数据仿真

4.6本章小结

第五章 结论与展望

5.1论文总结

5.1未来研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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