基于matlab的gps信号仿真-毕业论文

基于matlab的gps信号仿真-毕业论文内容摘要：

图 GPS 信号的产生框图 GPS 信号的调制波，是卫星导航电文和伪码的组合码。 GPS 卫星向广大用户发送的导航电文，是一种不归零二进制码组成的编码脉冲串， 称之为数据码，记作 D(t)，其速率为 50bit/s。 换言之， D 码的速率 fd=50Hz。 对于距离地面 20 000km 之遥，而电能紧张的 GPS 卫星，扩频技术能够有效地很低码率的导航电文发送给用户。 其方法是，用很低码率的数据码作二级调制（扩频）：第一级，用 50Hz 的 D 码调制一个为噪声码，例如调制一个被叫做 P 码的伪噪声码，它的码率高达。 D 码调制 P 码的结果，便形成一个组合码 — P(t)D(t)，致使 D 码信号的频带宽度从 50Hz 扩展到 ，即GPS 卫星从原来发送 50bit/s 的 D 码，转变为发送 (t)D(t)。 在 D 码调制伪噪声码以后，再用 它们的组合码去调制 L 波段的载波，实现 D 码的第二级调制，而形成向广大用户发送的已调波。 L1 载波 △ ɸ=90o C/A码 P 码 L2 载波 卫星时钟 f= 调制 模二和 导航电文 模二和 调制 调制 信号 合成 信号 合成 7 图 卫星信号的频率构成 从图 可以看出， GPS 信号虽然有几种分量（ C/A 易捕获码、 P 精确码和 D 导航数据码），但是它们均来源于一个公共的 的基准频率（见图 11）。 它们的频率不仅与基准频率有一定的比例关系，而且相互之间也存在一定的比例关系，详细如表 41 所示。 这既有利于 GPS 卫星发送信号，又便于广大用户接收和测量 GPS 信 号。 从表 41 中可以看出，在 D 码的一个码元内，将有 20 460 个 C/A 码码元， 204 600 个 P码码元， 31 508 400 个 L1 周期和 24 552 000 个 L2 周期。 表 GPS 信号的频率关系 相关频率 基频 F 载频 fL1 载频 fL2 基准频率 F 154F 120F C/A码的码频 fg F/10 fL1/1540 fL2/1200 P 码的码频 fp F fL1/154 fL2/120 D 码的码频 fd F/204600 fL2/31508400 fL2/24552020 载波 GPS 卫星所发射的信号从结构上可分为三个层次：载波、伪码和数据码。 在这三个层次中，伪码和数据码一起先通过调制而依附在正弦波形式的载波上，然后卫星将调制后的载波信号播发出去。 因此，载波可以视为 GPS 卫星信号中的最底层。 GPS 卫星发送的 GPS 卫星信号采用 L 波段的两种载频作载波， 分别被称作 L1 的8 主频率和 L2 的次频率。 这两个载波频率均属于特高频（ UHF）波段，而特高频波段在电磁波频谱中的位置见图。 对于任一载波，它的频率 f 与波长 λ 存在以下关系： λ =c/f () 式中 c——光在真空中的速率。 图 电磁波频谱 这些载波频率由扩频码（每一颗卫星均有专门的伪随机序列）和导航电文所调制。 所有卫星均在这两个相同的载波频率上发射，但由于伪随机码调制不同，因此无明显的相互干扰。 GPS 使用 L 频段的两种载频为（其中 f0是卫星信号发生器的基准频率）： L1 载波： fL1 = MHz，波长 λ 1= cm； L2 载波： fL2 =，波长 λ 2= cm。 卫星中的核心设备是原子 钟，而由此原子钟所提供的基准频率 f0为。 这个卫星时钟基准频率与上述两个载波频率在数值上存在如下关系： fL1=154f0 （ ） 9 fL2=120f0 （ ） GPS 之所以选择如此大小的这两个载波频率值，是基于多方面的条件、因素考虑的，而这其中主要包含以下几点： (1）地球表面的电特性、地貌和电离层等因素对不同频率的电磁波传播有着不同的影响。 大体上讲，频率较 低的电磁波能沿着弯曲的地表以地波形势传播很长的距离，但它很容易收到干扰，不适合数字通信；高频电磁波以天波形式传播，即电磁波被电离层挡住而反射回来后又继续向前传播，因而高频电磁波也能传播很长的距离，但是它遭电离层反射的具体情况很难被预测；特高频和更高频率的电磁波以直射波形式传播，能穿透电离层和建筑物，受噪声干扰影响小，适合数字与卫星通信，但它的缺点可体现在以下两方面：一是地球表面的弯曲度限制了其直线传播的距离；二是系统损耗会随着其工作频率的升高而增大。 (2）作为电磁波频谱的一部分，无线电波的频带是有限的 宝贵资源。 为了有效地利用频谱资源和减少无线电波之间的相互干扰，国际上和各国均设立了相应的组织、机构来管理频谱资源的分配和使用。 所以， GPS 载波频率的选择也必须遵守这一规范。 (3）因为伪码信号会被用来调制载波信号，所以这要求载波频率必须远远高于伪码频宽。 伪码 既 40 年代末期，信息论的奠基人香农首先指出，白噪声形式的信号是一种实现有效通讯的最佳信号，但因产生、加工、控制和复制白噪声的困难，香农的假设未能实现。 制导 20 世纪 60 年代中期，伪随机机噪声编码技术的问世，噪声通讯才获得了实际的应用，并随 即扩展到了雷达和导航等技术领域。 GPS 中的测距 码 也就是 伪随机噪声码 ， 简称 PRN 码，是一个具有一定周期的取值0 和 1 的离散符号串。 它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。 它是周期性的、可人工复制的码序列。 GPS 信号中使用了伪随机码编码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。 GPS 从根本上讲是一个基于码分多址（ CDMA）的扩频（ SS）通信系统，而这个码正是指伪码，它是 GPS 信号结构中位于载波之上的第二个层次。 只有理解了伪码的特性和功能，我们才有可能真正懂得 GPS。 GPS 中的用于定位计算的伪码主要有两种 :C/A 码和 P 码，其产生方式的大致框图如图 所示。 对于伪码的详细 内容，本文将在 节进行详细的介绍。 10 图 GPS 伪码发生器简单框图 导航电文 C/A 码 (或 P 码 )是 GPS 信号中最重要的一层，其目的之一是用来实现码分多址，目的之二是用来测距，但这种结构固定的伪码必然不能传递任何导航电文数据信息。 数据码是 GPS 信号中的第三个层次，它是一列载有导航电文的二进制码 ,是用户用来定位和导航的数据基础。 它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、 工作状 态信息及 C/A 码转换到捕获 P 码的信息、全部卫星的概略星历。 GPS 卫星的导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。 导航电文的基本单位是一个主帧，每个主帧长度为 1500 bit，由 5 个子帧组成。 每个子帧分别含有 10 个字， 每个字含 30 bit 电文，故每一子帧共含 300 bit 电文。 为了记载多达 25 颗 GPS 卫星的星历，规定 5 子帧各有 25 个页面。 子帧 3 与子帧 5 的每一页均构成一帧电文。 每 25 帧导航电文组成一个主帧。 在每一帧电文中， 2 子帧的内容每 30s 重复一次，每小时更新一次，而子帧 5 的内 容在给卫星注入新的导航数据后才能得以更新。 11 图 导航电文的组成格式 电文的传输速率是 50 b/s， 产生主峰频宽为 100Hz 的数据脉冲信号 ， 而一子帧电文的持续播发时间为 6 s， 所以播发一帧电文需要 30 s， 而传输包含 25 个页面的整个导航数据需要 分钟。 导航数据的格式如图 所示。 图 各帧导航电文的内容 导航电文的各个子帧都从 TLM 和 HOW 这两个字开始。 第 3 子帧播放该卫星的广播星历及卫星时钟的修正参数。 第 5 子帧播放所有空中 GPS 卫星的历书（卫星的概略坐标），完整的历书占 25 帧。 各帧导航电文的内容如图 所示。 数据码的码率为 50 比特每秒（即 50 bps），它采用不归零制的二进制编码方式，产12 生主峰频宽为 100Hz 的数据脉冲信号。 50bps 的数据码码宽 TD为 20ms,相当于长约 6000m。 因为 C/A 码每 1ms 重复一周，而数据码一个比特持续 20ms，所以在每一数据比特期间 C/A 码重复 20 周。 伪码 m 序列 m 序列的生成 码分多址系统需要具有良好自相关特性的二进制数序列作为码，即要求码与其本身的平移正交。 为了减少噪声和其他码对一个的相运算的干扰，我 们要求码看上去最好是随机的。 伪随机噪声码 （ PRN）简称伪随机码或伪码 ，是一个具有一定周期的取值 0 和 1 的离散符号串。 它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则。 它是周期性的、可人工复制的码序列。 GPS 信号中使用了伪随机码编码技术，识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测距数据。 伪随机码的产生，不能用一般的移位寄存器，而必须采用一种具有特殊反馈电路的移位寄存器，称为最长线性移位寄存器（其反馈电路是线性的），或称为抽头式反馈移位寄存器，它所产生的伪噪声码也称为 m序列。 移位寄存器的寄 存器单元，一般采用 D型触发器，其工作特点是，输出状态等于现时刻的输入状态。 D 触发器就是在时钟脉冲的控制下将它的输入状态转移到输出状态，从而实现数据移位。 GPS 信号中的 C/A 码和 P 码，都是由 m序列 产生的伪随机测距码。 如图 所示表示一个四级最长线性移位寄存器，或曰四级 m 序列。 它包括四个 D 型触发器、模二和反馈电路和时钟脉冲产生器。 图中的置“ 1”脉冲，将使 m序列发生器的各个触发器之初始状态均为“ 1”。 {Xf}表示反馈到 D1 的序列，该反馈序列是触发器 D3D4 输出脉冲串的模二和。 所需要的 m序列 {X0}是从触发器 D4输出的。 13 图 四级反馈移位寄存器 所谓模二相加，是二进制数的一种加法运算，常用符号表示， 其运算规则如下： 0⊕ 0=0 1⊕ 0=1 1⊕ 1=0 （ ） m 序列 {X0}的产生过程如下所述。 当移位寄存器开始工作时，置“ 1‖脉冲使各级存储单元处于全“ 1‖状态。 当第一个脉冲来时， Di的“ 1”状态，将转移到 Di1(此处 i= 4)。 因为 D3D4两个触发器均处于“ 1”状态，它们的输出脉冲之模二和为“ 0”。 它被反馈到触发器 D1 的输入端。 当第二个时 钟脉冲来时， D1 的“ 0”状态被转移到触发器 D2, D2的状态从“ 1”变成“ 0”。 D3D4输出脉冲的模二和仍为“ 0”，它依然被反馈到 D1 的输入端，使 D1D2D3D4 的状态分别为 ， D2 的 ―0‖状态转移到 D3， D3D4输出脉冲的模二和还为“ 0”， D1还处在“ 0”状态， D1D2D3D4的状态分别为 0001 状态。 在第四个脉冲来到时， D1D2D3D4分别处在 1000 状态。 以此类推，到第十五歌脉冲来时，各触发器的状态有全为“ 1”。 在时钟脉冲的作用下，周而复始地重复着上述状态过程， 个寄存器状 态如表 所示。 因此， D4输出端便输出一个周期长度为 15bit 的 m序列： {X0}=1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 14 表 m 序列发生器的状态表 若 xi代表第 i 级寄存器的输出端，而 1（即 x0）代表加法器的输出端（即第一级寄存器的输入端），故图 所示的线性反馈移位为寄存器的特征多项式记作 F1(x)=1+x3+x4 () 如果对图 的反馈序列输出予以变化，由触发器的特征多项式 D1D2 抽头，则特征多项式为 F2(x)=1+x1+24 （ ） 由 D4输出序列为： {X0}=1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 由 此可见，四级反馈移位寄存器所产生的 m 序列，其一个周期可能包含的最大码元个数恰好等于 241 个。 m 序列的特性 状态编号 各 触发器状态 反馈 {Xf}=D3⊕ D4 输出 {X0}=D4 D1 D2 D3 D4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1。