北斗卫星信号快速捕获方法研究本科毕业论文(编辑修改稿)

北斗卫星信号快速捕获方法研究本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

倍产生的。 卫星信号上调制有载波 ,伪码和数据码。 其中伪码包括民用的 C/A 码和军用码。 在 L1频率上调制有一路民用信号和一路军用信号。 在 L2 频率上调制有第二路的军用信号。 L5 频段是 GPS 现代化的一部分 ,属于民用信号。 对于北斗系统，要到 2021 年左右 ,所有 24 颗北斗卫星全部发射后才能正常提供服务 ,本文主要侧重于对 L1 频段上的民用信号进行研究。 图 21 是 GPS 卫 星信号生成框图 ,包括了 L1 和 L2 两个频段的信号。 北斗信号模型与之类似只不过发射频率有所不同。 在每颗北斗和 GPS 卫星上配备了高频率稳定度的铷原子钟和铯原子钟 ,可以保证稳定的时钟基准 ,产生时间上严格同步的导航信号 [5]。 太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文） 5 B P S K调 制 器B P S K调 制 器B P S K调 制 器P 码发 生 器C / A 码发 生 器X 1 2 0 6 d BX 1 5 49 0 176。 3 d B0120 f015 4 f开 关限 制 器247。 1 0247。 2 0数 据 发 生 器0f0fX 1 历 元 10/0fL 2 信 号L 1 信 号5 0 H z5 0 b p s 数 据P （ Y ） 码p 码 和 数 据C / A 码 和 数 据 图 21 GPS信号结构 C/A码是一种 Gold码序列 ,其序列长度为 1023位 (基码 ),码片 (chip)速率为 ,码周期为 1ms。 C/A 的产生是通过两个 10 位的移位寄存器 G1 和 G2, 由 G1的直接输出和 G2 的延迟输出结果异或得到的。 C/A 是一个长度为 1023 的二进制序列 ,其产生器如图 22 所示。 G2 的时间延迟取决于选取的两个点的位置 ,这两个点又和卫星的 ID 是一一对应的。 C/A 码具有特殊的自相关和互相关性质 ,这些性质及其重要 ,也是 GPS 信号解扩的关键。 C/A 码的自相关函数为 dttCtCR ii )()()( 1 0 2 30    （ 21） 式中 :Ci（ t）表示卫星的 C/A 码； τ为码相位延迟。 在式（ 21）中 ,只有当 τ=0 时 ,自相关函数才可以取得最大值 1023,而当 τ 为其它值时 ,自相关值为 65 ,l 或 63。 正因为 C/A 码的自相关函数具有如此性质 ,使本地 C/A 码和接收信号 C/A 码相位对齐 ,可获得很高的处理增益 ,将深埋在噪声中的信号检测出来。 不同卫星的 C/A 码近似正交 ,互相关值虽然不等于 0,但是非常小。 为了在强信号中检测中微弱信号 , 互相关峰值必须比弱信号 的自相关峰低 ,高自相关峰和低互相关峰可以为信号捕获提供高灵敏度 [6]。 太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文） 6 2 43 51 86 1 07 91 2 53 1 08 94 76复 位1 . 0 2 3 M时 钟1 0 2 3 译 码247。 2 0C / A 码G 1G 21 K H z5 0 H z相 位 选 择 器G 2 生 成 器G 1 生 成 器 图 22 C/A码的生成 太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文） 7 图 23 一周期 CA码波形 图 24 C/A码自相关仿真结果 卫星信号结构 北斗和 GPS 卫星信号主要由三部分组成：载波（ L1 和 L2）、用于测距的伪随机码（ Pseudo Random Noise Code,PRN）和导航电文数据。 太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文） 8 L 11 5 7 5 . 4 2 M H zP 码1 0 . 2 3 M c h i p / sC / A 码1 . 0 2 3 M c h i p / sL 21 2 2 7 . 6 M H zP 码1 0 . 2 3 M c h i p / s数 据 码5 0 b i t / s数 据 码5 0 b i t / s基 本 频 率1 0 . 2 3 M H z 1 5 4 1 2 0247。 1 0247。 2 0 4 6 0 0 图 25 GPS卫星信号频率关系 在北斗和 GPS 接收机中 ，载波、 PRN 以及数据信息的再生都与 MHzf 紧密相关。 北斗和 GPS 卫星采用码分多址（ CDMA）技术在两个频率上广播测距码和导航数据，也就是说系统使用两个频率，采用双频的目的是测定电离层延迟。 L1频段和 L2频段上的载波频率均为 0f 的整数倍，关系如下： M H zffL *154 01  （ 22） M H zffL 27*12 0 02  （ 23） 北斗和 GPS 卫星采用两种伪随机码，每颗卫星产生一个称为粗码或 C/A 码的短码，和一个称为精码或 P(Y)码的长码。 伪随机码可用来区分不同的北斗和 GPS卫星，并可测量卫星信号的传播时间。 卫星发射的导航电 文包含有导航信息的数据码，其中数据码中包括卫星历书、卫星星历、卫星工作状态和时间等。 北斗和GPS卫星从 2020年起增加了三种新信号。 一个用两种不同码字调制的码信号 L2C，并附加在 L2频率上；新增码片速率为 的 L5 频率（ ）；并且在 L1 和 L2 上还叠加一种新的军用信号 M码 [8]。 卫星信号的调制解调 北斗和 GPS 的每颗卫星在 L 波段的两个载波频率（ MHzfL  ，MHzfL  ）上发射导航数据，两种载频之间的间隔为 ， L1 载太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文） 9 波同时被 C/A码、 P 码和数据码分别以同相和正交方式相位调制，其中 C/A 码信号比 P码信号滞后 90176。 ， L2 载波上只调制有 P码（或 Y码）和数据码 [9]。 分别以 )(1tSL 和 )(2tSL 表示载波经测距码和数据码调制后的信号，其信号结构为 )s i n()()()c o s ()()()( 11111 titctitpL ttDtCAttDtPAtS   （ 24） )c os ()()()( 222 titpL ttDtPBtS   (25) 式中， pA ， pB ， cA 分别为 P 码和 C/A 码振幅； )(tPt ， )(tCt 分别为第 i 颗卫星发射的 P码和 C/A码的码状态； )(tDi 为第 i 颗卫星发射的导航电文； 1 ， 2分别为载波 L1 和 L2 角频率； 1 ， 2 为载波 L1，和 L2 的初始相位。 调制码的码值只取 0或 l。 当码值取 0时，对应的码状态取 +1；而码值取 1 时，对应的码状态取 1。 载波和相应的码状态相乘后便实现了对载波的调制，也就是，当码值为0 时，调制后的载波相位不变，而当码值为 1 时，调制后载波 相位改变 180176。 所以当码值从 0到 l，或从 l 到 0 改变时，都将使载波相位改变 180176。 接收机是卫星信号解调的硬件设备。 它的主要工作是重建载波，提取测距码信号和导航电文。 信号解调的常用方式有两种，复制码相关技术和平方解调技术。 复制码相关技术。 当接收机复制出的与卫星的测距码信号结构完全相同的复制码，在同步的条件下与接收到的卫星信号相乘，即可去掉信号中的测距码信号分量。 这时，恢复的载波依然还含有数据码信号分量。 采用这种技术的条件，是必须掌握测距码的结构，否则将不能产生复制码。 平方解调技术。 将接收到的卫星信号进 行平方，由于处于177。 1状态的调制码，经过平方后均变为＋ 1，且＋ 1 不影响载波相位，所以信号经平方后便达到解调的目的。 采用这种方法不需要知道测距码的结构，但该解调技术却去掉了测距码和导航电文，故而不能用来实时导航。 另外，该技术将使信号上的噪声平方，使得信噪比（ SNR）大大降低。 现在的平方解调技术一般用于 C/A 码接收机，用复制 C/A 码相关技术重建 L1 载波，用平方解调技术重建 L2 载波。 卫星信号导航电文 导航电文数据位是二相码，每个数据位 20ms 长。 在一个数据位中包括 20太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文） 10 个 C/A 码周期，所有 20 个周期的 C/A码都有相同的相位。 导航电文每个字由 30个数据位组成，每个数据位包含 20 个 C/A 码周期，总长度为 600ms；每 1 个子帧由 10 个字组成，长度为 6 秒；每 1 页由 5 个子帧组成，长度为 30 秒；每 25页组成 1组完整的 BD数据，总长度为 分钟，每 25页的数据被称为 1个超帧。 北斗时间以一周的秒数给出，这个值在每周的结束 /起始时刻复位一次。 在此时刻，不管在此之前哪个子帧是最后被发送的，从子帧 1 到子帧 5 的循环分页将从子帧 1 重新开始；不管在此之前哪个页是最后被发送的， 25 页的循环也将从每个子帧的第 1页重新开始。 因此 ，在子帧 4和子帧 5的新数据可以从这些子帧的 25 页中的任何一页开始传输 [10]。 二次编码分析 二次编码概述 全球导航卫星系统的应用越来越广，对卫星信号的捕获速度也提出了更高的要求，因此，现代的全球导航卫星系统在设计的时候采用了二次编码的方式。 北斗 B1 二次编码码长为 1800,周期 18s，码速率为 100bps，卫星 PRN 号对应为 163 的二次码由 11 位线性反馈移位寄存器产生的自然长度为 2047 的 m 序列截短得到，而 64210的二次编码由 Gold 码截短得到。 我们对 L1C 二次编码相关性进行分析，由于二次编码调制导频通道的主码，因此不需要考虑奇相关，只考虑它们的偶自相关和偶互相关性 [11]。 北斗 B2二次编码采用的是 NeumanHofman 码，简称为 NH码。 数据通道和导频通道分别用长度为 10 和 20 的 NH 码。 播发 L5C 信号的所有卫星采用的 NH码都是一样的，即 n(10)=(+1,+1,+1,+1,1,1,+1,1,+1,1)。 n(20)=(+1,+1,+1,+1,+1,1,+1,+1,1,1,+1,1,+1,1,+1,+1,1,1,1,+1) 二 次编码的作用 太原理工大学现代科技学院毕业设计（论文） 11 二次编码的第一个作用是改善了卫星信号之间的互相关特性，主要是使各卫星信号之间的互相关旁瓣峰下降。 当两颗卫星的信号完全对准时，二次编码的作用相互抵消，对互相关性没有多大的改善，但是完全对准的情况发生的概率很小。 L5C的二次编码能使不同信号间的互相关旁峰至少降低 3dB。 二次编码可以减小功率谱的线谱宽度，提高抗窄带干扰能力。 对于 L5C 信号， 主码周期为 1ms， 如果没有 NH 码，数据通道信号的功率谱是一些间隔 1kHz的谱线；而有了 NH 码，由于 NH码周期是 10ms，谱线间隔下降为 100Hz，当信号总 功率不变时， NH 码使每条谱线的功率谱密度也下降为原来的 1/10。 接收机对卫星信号进行接收时，数据同步是一个薄弱环节。 要确定每个数据字符的起始时刻和结束时刻，可以采用在每个字符宽度内增加一些事先已知的相位渡越方法来实现。 E5b 数据通道的数据字符宽度为 4ms，二次编码的基码宽度为 1ms，周期为 4ms，因此 E5b 数据通道的二次编码使在一个字符宽度内增加了多次相位渡越。 这样，用二次编码全相关的办法便可以实现自动字符同步 [11]。 二次编码设计准则 在总结了二次编码的作用后，可以据于此来选取具有良好 性能的二次编码。 1) 周期不宜过长，自身有良好自相关性。 采用二次编码带来的相关性能的改善程度比不上直接增加主码码长，二次编码是在捕获复杂度和相关特性折中考虑的结果。 2) 易于实现数据字符同步。 如果设计的二次编码周期较长，不仅自身要有很好的整体相关性，局部也要有很好的相关性。 L1C 的二次编码长度为 1800，整。