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gps信号发生器原理
GPS信号发生器是一种能够模拟和发射GPS信号的仪器，其原理主要基于GPS技术的定位原理。
GPS技术利用卫星向地球发射信号，地面接收器接收这些信号，从而获取地球上任意位置的精确定位信息。
GPS信号发生器通过模拟GPS卫星发射的信号，将这些信号发射出去，使地面上的GPS接收器能够接收到这些信号，进而实现精确定位。
GPS信号发生器主要由时钟系统、程序控制器、模拟信号产生器、调制器和放大器等部分组成。
其中，时钟系统提供精确的定时信号，确保信号的同步和定时准确；程序控制器负责控制整个GPS信号发生器的发射过程，根据用户需求生成不同类型的GPS信号；模拟信号产生器产生高精度的GPS信号，包括P码信号、C/A码信号等；调制器将模拟信号和载波信号进行调制，生成最终的GPS信号；放大器将信号强度增加到足够水平，确保信号能够到达接收设备。
GPS信号发生器可以广泛应用于航空、地理测量、军事和科学研究等领域。
它能够提供高精度的定位信号，帮助用户获取精确的位置信息。
同时，GPS信号发生器也存在一些缺点，如价格较高、能耗较大等。
但随着技术的不断发展，GPS信号发生器的性能和价格也在不断改进和优化，使其更加适用于各种应用场景。
GPS卫星信号的调制与解调一、卫星信号的调制gps卫星信号包含三种信号分量，它们是载波信号、测距码信号和数据码信号。
每颗卫星的数据码用模二相加叠加在C/A和P码上，然后再分别相变调制到L1载波和L2载波上。
前面已经提到，载波信号包括L1载波和L2载波，于是测距码信号包括叠加在L1载波上的C/A、P码以及L2载波上的P码。
所有这些信号都是在同一个基本频率f0＝10.23MHz的控制下产生的。
GPS信号取L波段的两种不同频率的电磁波作为信号载波，即L1载波f1＝154×f0＝1575.42MHz，λ1＝19.03cm；L2载波f2＝120×f0＝1227.60MHz，λ2＝24.42cm。
由上图可以看出，L1载波调制有C/A码、P码和数据码。
在L2载波上目前只调制P码和数据码。
拟议中的L5载波（第二民用频率）将同时加载C/A和P码，其频率预计为f5＝115×f0＝1176.45MHz，波长λ5＝25.48cm。
不管测距码还是数据码，都是通过调相技术调制在高频载波上的。
也就是说，当码值（调制信号）从1变成0，或从0变成1时，将使载波相位改变180°。
调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发。
二、卫星信号的解调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构造完全一样的复制码，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构造，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开展平方，由于处于±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到达解调的目的。
采用这种方法不需要知道测距码的构造，但该解调技术却去掉了测距码和导航电文，故而单独使用时不能用来实时导航。
第4章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1 GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）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、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，卫星电文又叫数据码（D码）。
他的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。
一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4,5子帧各有25个页面，共37500bit。
第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一次。
第4,5子帧的全部信息则需要750s才能够传送完毕。
即第4、5子帧是12.5min播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。
4.1.1 遥测码遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据状态。
遥测码的第1-8bit 是同步码，使用户便于解释导航电文；第9-23bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。
第23和第24bit是连接码；第25-30bit为奇偶检验码，它用于发现和纠正错误。
4.1.2 转换码转换码位于每个子帧的第二个字码。
其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。
Z计数实际上是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发的D码子帧数为单位，给出了一个子帧开始瞬间的GPS时间。
由于每一子帧持续时间为6s，所以下一个子帧开始的时间为6xZ s，用户可以据此将接收机时钟精确对准GPS时，并快速捕获P码。
4.1.3 第一数据块第1子帧第3-10字码，主要内容：①标识码，时延差改正②星期序号③卫星的健康情况④数据龄期⑤卫星时钟改正系数等。
4.1.4第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。
1、GPS卫星信号是由_载波_ , _测距码_和_导航电文_三部分组成的。
2、GPS卫星信号调制采用_二进制相位调制_法，当信号为“0”时载波的相位_相位不变化_,当信号为“1”时载波的相位_相位变化180度_。
3、利用IGS 精密星历进行单点定位时，所求得的站坐标属ITRF 坐标系。
4、GPS 观测值在卫星间求差后，可消除接收机种差。
1、载波相位观测值和用C/A码测定的伪距观测值所受到的对流层延迟__是相同的。
2、GPS观测值在接收机间求差后可消除__卫星钟差_3. GPS测量中，卫星钟和接收机钟采用的是GPS时时间系统4. WGS－84 系属于协议地球坐标系5. 载波相位测量值在历元间求差后可消去整周未知数1. 目前正在运行的全球卫星导航定位系统有GPS 和GLONASS 。
我国组建的第一代卫星导航定位系统称为北斗卫星导航定位系统，欧盟计划组建的卫星导航定位系统称为GALILEO。
4. L1载波的波长约为19 厘米，L2载波的波长约为24 厘米。
7. 对流层延迟改正模型中的大气折射指数N与温度、气压、湿度等因素有关。
12.PDOP代表空间位置图形强度因子14.用GPS定位的方法大致有四类：多普勒法、伪距法、射电干涉测量法、载波相位测量法。
目前在测量工作中应用的主要方法是静态定位中的伪距法和载波相位测量法。
5.在使用GPS软件进行平差计算时，需要选择横轴墨卡托投影投影方式5．VDOP代表垂直分量精度因子2．HDOP代表水平分量精度因子10．GPS定位的实质就是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采取空间距离后方交会的方法，确定待定点的空间位置。
6．广域差分可纠正的误差种类包括（星历误差）、（大气延时误差）和（卫星钟差误差）。
4．根据测距的原理，可将GPS定位的方法分为伪距法定位、载波相位测量定位、差分GPS 定位三种。
7．单站差分GPS按基准站发送的信息方式来分，可分为位置差分、伪距差分和相位差分。
gps-sdr-sim原理GPS-SDR-SIM是一种基于软件定义无线电（SDR）技术的GPS信号模拟器。
它可以生成模拟真实GPS卫星信号的GPS基带信号，用于测试和研究GPS接收机的性能。
GPS-SDR-SIM的工作原理如下：1. GPS信号结构，GPS信号由多个卫星发射，每个卫星都有一个唯一的伪随机码（PRN码）和导航消息。
PRN码用于区分不同卫星的信号，导航消息包含有关卫星轨道和时钟校准的信息。
2. 伪随机码生成，GPS-SDR-SIM使用一个伪随机码生成器来生成模拟的PRN码。
这些码用于模拟卫星信号的到达时间和相位。
3. 信道模型，GPS信号在传输过程中受到多径效应、噪声和干扰等影响。
GPS-SDR-SIM通过引入信道模型来模拟这些影响。
常用的信道模型包括AWGN（加性白噪声信道）和Rayleigh衰落信道。
4. 导航消息生成，GPS-SDR-SIM使用导航消息生成器来生成模拟的导航消息。
这些消息包含有关卫星轨道和时钟校准的信息。
5. 信号合成，通过将生成的PRN码与导航消息相乘，GPS-SDR-SIM可以合成每个卫星的GPS基带信号。
这些信号包含了卫星的导航消息和伪随机码。
6. 信号调制，合成的GPS基带信号经过调制处理，将其转换为射频信号。
常用的调制方式是二进制相移键控（BPSK）调制。
7. 信号输出，调制后的射频信号可以通过SDR硬件进行发射，或者保存为文件用于后续的离线分析和处理。
通过以上步骤，GPS-SDR-SIM可以生成模拟真实GPS卫星信号的GPS基带信号。
这样，研究人员和工程师可以使用这些信号来测试GPS接收机的性能、验证算法的正确性，以及进行GPS相关研究和开发。
GPS课程设计实验报告（1）学院姓名LSC班级学号指导教员一、试验名称：GPS信号调制二、试验目的：1. 熟悉传统GPS信号调制的基本流程；2. 掌握PRN序列的产生方法及其基本特性；3. 掌握DSSS调制和BPSK调制的基本原理和实现方法；4. 训练由MATLAB编程进行仿真的能力。
三、试验内容1. 用MATLAB编程产生一段随机的二进制比特流，作为原始的导航电文数据。
2. 对以上导航电文数据进行DSSS调制，所用PRN序列自选（需编写PRN 序列产生子程序，并画出该PRN序列的自相关函数和互相关函数。
编写出GPS C/A 码产生子程序）。
3. 对DSSS调制后的序列进行BPSK调制，频率自定。
画出调制后信号的波形。
四、试验原理：4.1 C/A码C/A码（Coarse Acquisition Code）是Gold码，用于粗测距和捕获GPS 卫星信号。
它是由两个10级反馈移位寄存器组合产生的，其序列长度为1023（基数码）。
因为C/A码的基码速率是 1.023MHz，因此伪随机序列的重复周期是1023/1.023*106或1ms。
图1描述了GPS C/A码发生器的结构方案。
图1 C/A码发生器两个移位寄存器于每星期日子夜零时，在置“1”脉冲作用下处于全“1”状态，同时在频率为f1=f/10=1.023MHz时钟脉冲驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为N=210-1=1023、周期为1ms的两个m序列G1(t)和G2(t)。
这时G2(t)序列的输出不是在该移位寄存器的最后一个存储单元，而是选择其中两个存储单元进行二进制相加后输出，由此得到一个与G2(t)平移等价的m序列G21（即与延时等价）。
再将其与G1(t)进行模二相加，将可能产生1023种不同结构的C/A码。
C/A码不是简单的m序列，而是由两个具有相同码长及数码率，但结构不同的m序列相乘所得到的组合码，称为戈尔德（Gold）序列。
采用不同的it0值，可能产生1023个G2(t)，再加上G1(t)和G2(t)本身，共可能产生1025种结构不同的C/A码供选用。
这些C/A码具有相同的码长N=210-1=1023bit，相同的码元宽tu =1/f1=0.98μs（相当于293.1 m）和相同的周期Tu =Ntu=1 ms。
从这些G(t)码中选择32个码以PRN1，PRN2，…，PRN32命名各种GPS卫星。
由于C/A码长很短，只有1023比特，易于捕获。
在GPS定位中，为了捕获C/A 码，以测定卫星信号的传播延时，通常需要对C/A码逐个进行搜索。
若以50个码元每秒的速度搜索，对于只有1023个码元的C/A码，搜索时间只要20.5 s。
通过C/A码捕获卫星后，即可获得导航电文，通过导航电文提供的信息，便可以很容易地捕获GPS的P码。
所以，C/A码除了作为粗测码外，还可作为GPS卫星信号P码的捕获码。
4.2 M序列M序列是线行反馈移位寄存器产生的周期最长的序列，是多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。
下面以一个四级反馈移位寄存器组成的m序列为例来说明，如图2所示。
在时钟脉冲的驱动下，每个存储单元的内容，都按次序由上一级单元转移到下一单元，而最后一个存储单元的内容便为输出。
同时，其中某两个存储单元，例如单元3和单元4的内容进行模二相加后，再反馈输入给第一个存储单元。
图2 四级反馈移位寄存器示意图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，此后在时钟脉冲的驱动下，移位寄存器经历15种不同的状态，然后再返回到“1”状态，从而完成一个周期（见表1）。
在四级反馈移位寄存器经历了上述15种状态的同时，其最末级存储单元输出了一个具有15个码元，且周期为15tu的二进制数码序列，称为m序列。
tu表示时钟脉冲的时间间隔，即码元的宽度。
表1 四级反馈移位寄存器状态序列状态编号各级状态模二加反馈末级输出的二进制数④③ ② ① ③⊕④1 1 1 1 1 0 12 1 1 1 0 0 13 1 1 0 0 0 14 1 0 0 0 1 15 0 0 0 1 0 06 0 0 1 0 0 07 0 1 0 0 1 08 1 0 0 1 1 19 0 0 1 1 0 0 10 0 1 1 0 1 0 11 1 1 0 1 0 1 12 1 0 1 0 1 1 13 0 1 0 1 1 0 14 1 0 1 1 1 1 15 01111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24-1个。
因此，一般来说，一个r 级移位寄存器所产生的m 序列，在一个周期内其码元的最大个数（1.2）与此相对应，这时m 序列的最大周期为：（1.3）式中，N u 也称为码长。
由于移位寄存器不容许出现全“0”状态，因此2r -1码元中，“1”的个数总比“0”的个数多一个。
这样，当两个周期相同的m 序列其对应码元完全对齐时，自相关系数R(t)=1，而在其他情况则有（1.4）当r 足够大时，就有R(t )≈0。
所以，伪随机噪声码与随机噪声码一样，具有良好的自相关性，而且是一种结构确定、可以复制的周期性序列。
GPS 信号接收机就是利用这一特征使所接收的伪随机噪声码和机内产生的伪随机噪声码达到对齐同步，进而捕获和识别来自不同GPS 卫星的伪随机噪声序列。
由于受GPS 卫星至用户GPS 接收机的路径信号传播延迟的影响，被接收的伪随机码和复制的伪随机码之间产生了平移；如果通过一个时间延迟器来对复制的伪随机码进行移动，使两者的相关函数值为1，则可以从时间延迟器中测出对齐码元12-=r u N (21)ru u u u T t N t =-=1211)(--=-=ru N t R所用的时间，从而可以较准确地确定由卫星到接收机的距离。
由此可知，伪随机序列的良好的自相关特性，对于利用GPS卫星的测距码进行精密测距是非常重要的。
五、试验流程及运行结果5.1 Matlab设计流程：实验产生7位m序列，频率100Hz，模拟线性反馈移位寄存器序列，原理图如下：5.2 试验截图5.3 C/A码截图六、Matlab程序代码6.1 BPSK调制及M码自相关互相关程序clear all;clc;X1=0;X2=0;X3=1;m=350; %重复50遍的7位单极性m序列for i=1:mY3=X3; Y2=X2; Y1=X1;X3=Y2; X2=Y1; X1=xor(Y3,Y1);L(i)=Y1;endfor i=1:mM1(i)=1-2*L(i); %将单极性m序列变为双极性m序列endk=1:1:m;figure(1)subplot(2,1,1) %做m序列图stem(k-1,M1);axis([0,7,-1,1]);xlabel('k');ylabel('M1序列');title('移位寄存器产生的双极性7位M1序列') ; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%for i=1:mY3=X3; Y2=X2; Y1=X1;X3=Y2; X2=Y1; X1=xor(Y3,Y2);L(i)=Y2;endfor i=1:mM2(i)=1-2*L(i); %将单极性m序列变为双极性m序列endk=1:1:m;subplot(2,1,2) %做m序列图stem(k-1,M2);axis([0,7,-1,1]);xlabel('k');ylabel('M2序列');title('移位寄存器产生的双极性7位M2序列') ; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%[a,b]=xcorr(M1,'unbiased');figure(2)subplot(2,1,1) %求双极性M1序列自相关函数plot(b,a);axis([-20,20,-0.5,1.2]);title('双极性7位M1序列的自相关函数'); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%[a,b]=xcorr(M1,M2,'biased');subplot(2,1,2) %求双极性M序列互相关函数plot(b,a);axis([-20,20,-0.5,1.2]);title('双极性7位M序列的互相关函数'); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%生成的信息码频率为100/7Hz，利用m序列编码后，频率变为100Hz。
N=50;a=0;x_rand=rand(1,N); %产生50个0与1之间随机数for i=1:Nif x_rand(i)>=0.5 %大于等于0.5的取1，小于0.5的取0x(i)=1;a=a+1;else x(i)=0;endendt=0:N-1;figure(3) %做信息码图subplot(2,1,1)stem(t,x);title('扩频前待发送二进制信息序列');tt=0:349;subplot(2,1,2)l=1:7*N;y(l)=0;for i=1:Nk=7*i-6;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)=x(i);k=k+1;y(k)= x(i);ends(l)=0;for i=1:350 %扩频后，码率变为100/7*7=100Hzs(i)=xor(L(i),y(i));endtt=0:7*N-1;stem(tt,s);axis([0,350,0,1]);title('扩频后的待发送序列码'); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%BPSK调制采用2kHz信号cos(2*2000*t)作为载波figure(4)subplot(2,1,2)fs=2000;ts=0:0.00001:3.5-0.00001;%为了使信号看起来更光滑，作图时采样频率为100kHzs_b=rectpulse(s,1000); %将冲激信号补成矩形信号s_bpsk=(1-2.*s_b).*cos(2*pi*fs*ts);%扩频后信号BPSK调制时域波形plot(ts,s_bpsk);xlabel('s');axis([0.055,0.085,-1.2,1.2])title('扩频后bpsk信号时域波形');subplot(2,1,1)s_bb=rectpulse(x,7000);s_bpskb=(1-2.*s_bb).*cos(2*pi*fs*ts);%无扩频信号BPSK调制时域波形plot(ts,s_bpskb);xlabel('s');axis([0.055,0.085,-1.2,1.2]);title('扩频前bpsk信号时域波形')6.2 C/A码产生的程序以下为子程序，具体程序见试验2function CACode = Create_CA_Code(G1,G2,TapArray)%参数说明：% G1代表当前移位寄存器的状态% G2代表当前移位寄存器的状态% TapArray代表G2的抽头数G1=cast(G1, 'logical');G2=cast(G2, 'logical');tap1 = TapArray(1);tap2 = TapArray(2);%code=zeros(1,1023);for i=1:1023temp = xor(G2(tap1), G2(tap1)); %5号卫星，抽头1和9code(i)=xor(G1(10),temp);temp = xor(G1(3), G1(10));G1=[temp, G1(1:9)];temp = xor(G2(2), G2(3));temp = xor(temp, G2(6));temp = xor(temp, G2(8));temp = xor(temp, G2(9));temp = xor(temp, G2(10));G2=[temp, G2(1:9)];endcode=cast(code,'double');CACode=code;七、实验心得体会本次实验我进行了直接序列扩频系统的仿真工作，完成了基本的DSSS仿真，通过实验，我更详细地了解了直接序列扩频系统的工作原理。
