基于圆周移位捕获算法的GPS软件接收机

发布时间：2019-09-17 05:38

【摘要】：随着GNSS的迅猛发展，研究新的导航接收机逐渐成为行业内的趋势。而GNSS软件接收机因其数据处理功能的易重配性以及信号处理的易完成性，成为国内外近年来的研究重点和热点。GPS导航系统作为GNSS中最早发展、技术最成熟的系统，研究软件接收机具有得天独厚的优势。本文从软硬件两方面详细介绍了与软件接收机配套使用的数据采集实验平台。软件接收机中采用了基于圆周移位的捕获算法，针对传统FFT捕获算法运算量较大的缺点，利用时域载波剥离与频域圆周移位等价的原理，通过对输入信号频谱序列进行圆周移位操作，替换在不同载波Doppler搜索单元下对输入信号的重复载波剥离和FFT操作。该方法从减少捕获过程中FFT运算的出发，大幅度提升了捕获效率；在跟踪方案中使用的是码跟踪使用早晚码延迟锁相环，，载波跟踪使用Costas环进行。全文分析了GPS定位的基本原理及软件接收机的基本结构，设计了基于USB2.0的GPS数据采集系统，研究了基于圆周移位的软件接收机捕获算法，分析了软件接收机跟踪环路算法，设计完成了适用于本文系统的软件程序。最后通过实际测量，对系统的可靠性及软件的可用性进行了检测，为卫星导航接收机新算法的开发与研究提供了方便使用的平台。
【图文】：

卫星信号,产生原理

载波、伪码以及数据码，共同组成了 GPS 卫星信号。首先是对数据码进扩频，所谓的扩频就是讲频率进行拓宽，这里采用的方法即由伪码异或数据接着用组合信号对载波信号进行调制，这里采用的是双向移位键控(BPSK)的制方法。卫星在发射信号时，C/A 码iG 将与 PRN 编号为 i 的卫星信号异或相使得 C/A 码被数据码调制。每一个比特在调制后都会生成 20 个周期相对应C/A 码或者是反向值的组合码，也就是扩频调制到码率为 50bps。然后，将载波通过组合码进行 BPSK 调制，通过卫星以 L1 为中心频率将 C/A 码信号射出去。接下来就是 GPS 接收机的任务了，有调制便有解调，卫星信号的解便首当其冲。解调的目的就是将 C/A 码要剥离出来，得到只含数据码的信于是将信号的中心频率由 L1 到零，即下变频。然后再将收到的信号一边与接机本地保存的 C/A 码iG 做自相关运算，获得数据码，一边由相关函数的主峰置确定 C/A 码的相位，经过运算得出卫星与接收机的距离测量值。GPS 信号由式(2.1)表示，其中C (t )为扩频码，d (t )为导航电文，L1f为 L1 波段的载频( ) 2 ( ) ( )cos( 2 ) 2 ( ) ( )cos( 2 )s t = P C t d t φ + π f t + P C t d t φ +πf t

搜索过程,二维,本地载波

图 2.2 二维 C/A 码搜索过程所谓软件接收机，即捕获跟踪等过程全部使用的是软件。首先根据射频前端（本文使用的是基于 Sige 公司的 SE4110L 芯片研制）所采用的采样率及载波频率等，由软件生成相适应的载波信号和 C/A 码。而本地载波的复现，就是将正余弦函数同本地 NCO 合成；混频后的信号包 I、Q 两项信号，将这两路信号同与超前（early）、即时（prompt）以及滞后（late）进行软相关，得到的本地载波 NCO 则由软件实现的载波跟踪环来控制，通过不同的跟踪方案实现信号的跟踪。在软件跟踪环中采用 1 位采样，以一维数组中 0 表示-1，以 1 表示+1。而软件生成的本地 C/A 码，使用二维数组代表符号与幅值，分别存放及调取使用。表 2.1 为本地载波信号的实际采样值，而表 2.2 则代表本地 C/A 码的实际采样值。表 2.1 本地载波信号符号位幅值位值
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（国家授时中心）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P228.4

【参考文献】