简化型GPS信号捕获和跟踪的算法与实现

摘要

全球定位系统GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，GPS是当前最先进的精密卫星导航定位系统。本课题是项目“GPS接收机设计”的子部分，整个项目的最终目的是要设计出一款嵌入手表，用于精确授时的GPS Clock芯片，而如何创新出适用于此芯片，硬件易实现的，简化型捕获跟踪结构便成为了整个项目的核心。本课题将在对各种传统捕获跟踪算法研究的基础上，提出一种简化型捕获跟踪结构的算法，并验证其可行性。 本文首先阐述了GPS信号的生成和捕获跟踪的基本原理，随后，深入分析了三种传统捕获算法的性能，优缺点和跟踪环路的工作原理。在此基础上，提出了三种简化型实现方案，每种方案都能实现捕获跟踪，且每种方案较传统方案都具有创新点，通过对这几种方案优缺点的分析，进而改进，最终确定了一种性能最好，结构最简的新型捕获跟踪方案——基于相位跳变的导航电文识别方案。此方案算法较传统算法的创新点在于：首先，它避免使用FFT相关运算，使硬件易实现；第二，它将捕获跟踪两阶段统一起来，实现了捕获跟踪统一算法；第三，它采用固定的本振频率，在存在多普勒频移的条件下，通过判断相位的跳变情况来识别星历码元的跳变，从而达到解调导航电文的目的，大大降低了载波跟踪环路的硬件代价，提高了可靠性；最后，通过扩展，弥补了此算法对多普勒频移值的捕获存在局限性的问题，使其能够覆盖所有多普勒频移值，即能实现对满天星斗的捕获跟踪。 在确定了简化型GPS信号捕获跟踪算法后，利用Matlab对算法进行编程，借助仿真得到的GPS中频数字信号对此算法进行验证，证明其可行性。仿真结果表明，此算法能够正确捕获跟踪中频信号并解调出导航电文，达到了预期的设计目标。至此，简化型GPS信号捕获跟踪算法的正确性得到了验证。在本文的最后，还涉及了捕获跟踪的实现方式。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 引言

1.1 本课题研究的背景

1.1.1 GPS定位技术的发展

1.1.2 GPS定位系统的组成

1.2 本课题研究的意义

1.3 本论文工作的创新点

1.4 本文的内容和结构安排

2 GPS信号构成和接收原理

2.1 伪码扩频和码分多址技术的基本原理

2.1.1 伪随机噪声码的产生及其特性

2.1.2 伪随扩频

2.1.3 码分多址技术

2.2 GPS信号构成

2.2.1 C/A码的生成

2.2.2 导航电文

2.2.3 GPS信号的生成

2.3 GPS信号接收原理

2.3.1 GPS接收机结构

2.3.2 GPS信号捕获的原理

2.3.3 GPS信号跟踪的原理

3 传统GPS信号捕获跟踪算法

3.1 传统捕获算法及性能分析

3.1.1 时域串行捕获算法

3.1.2 频域并行捕获算法

3.1.3 基于FFT的并行码快速捕获算法

3.1.4 捕获算法总结

3.1.5 捕获的载波频率的微调

3.2 传统跟踪技术

3.2.1 解调原理

3.2.2 C/A码跟踪环路

3.2.3 载波跟踪环路

3.2.4 完整的跟踪环路

4 简化型GPS信号捕获和跟踪的算法与实现

4.1 扣频信号产生方法

4.1.1 导航信息

4.1.2 C/A码

4.1.3 载波

4.1.4 多普勒频移及延时

4.1.5 单颗卫星中频信号的生成

4.1.6 多颗卫星中频信号的生成

4.1.7 小结

4.2 简化型捕获跟踪算法仿真

4.2.1 避免采用FFT相关运算

4.2.2 捕获跟踪统一算法

4.2.3 直接计算精频法

4.2.4 基于相位跳变的导航电文识别算法

4.2.5 仿真验证

4.2.6 扩展

4.2.7 小结

4.3 导航电文解调

4.4 简化型捕获跟踪算法的实现

5 结论

5.1 全文总结

5.2 未来展望

参考文献

附录A 中频信号采样器开发板

作者简历