GPS软件接收机的仿真与实现剖析

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毕 业 论 文

GPS软件接收机的仿真与实现

学 院：地质工程与测绘学院

专 业：测绘工程

第 II 页 摘 要

随着GPS的升级和新的卫星导航系统的发展，相比较传统GPS接收机，GPS软件接收机具有的成本低、灵活性高等优点越来越突出。它使用软件方法和少量硬件即可实现信号接收处理，可以直接由运行在微处理器上的Matlab程序完成信号处理，因此具有良好的灵活性、可移植性及可扩展性。因此，研究GPS软件接收机的仿真平台具有重要意义。本文重点对GPS软件接收机的捕获和跟踪部分进行了研究，并在Matlab中进行了定位解算。

本文在掌握GPS软件接收机原理的基础上，实现了对信号的仿真、捕获、跟踪及定位。捕获部分为了提高GPS软件接收机的定位速度和定位精度，选用了在Matlab环境下执行时间短、性能高的并行码相位搜索捕获算法。跟踪部分将码跟踪环和载波跟踪环组合在一起，降低了跟踪环路的复杂度。载波跟踪环路则选用了对1800相位转换不敏感的Costas环，以保证载波跟踪环路对信号的正确跟踪。最后在Matlab环境下，编写了捕获、跟踪和数据处理等程序，用软件方式实现了对用户的定位，并对定位结果进行了分析概括，验证了所有算法的可行性，讨论了不足之处，为后续软件接收机的相关研究工作奠定了良好的基础。

关键词：GPS，软件接收机，仿真，捕获，跟踪，同步 第 III 页 目 录

摘 要 .................................................................................................................................... II

ABSTRACT ......................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章 绪论 ......................................................................................................................... 1

1.1 GPS发展概况与组成 .................................................................................................. 1

1.2 GPS的组成 .................................................................................................................. 1

1.2.1 GPS空间卫星星座部分 .................................................................................... 2

1.2.2 地面控制部分 ................................................................................................... 2

1.2.3 用户设备部分 ................................................................................................... 3

1.3 GPS接收机的发展概况 .............................................................................................. 3

1.4 软件接收机的特点及国内外研究现状 .................................................................... 4

1.4.1 软件接收机的结构特点 ................................................................................... 4

1.4.2 软件接收机的发展现状 ................................................................................. 6

1.5 课题研究的意义 ......................................................................................................... 6

1.6 论文研究的主要内容 ................................................................................................. 7

第二章 GPS信号的产生和结构 ......................................................................................... 8

2.1 GPS信号的产生 .......................................................................................................... 8

2.2 GPS信号结构 .............................................................................................................. 9

2.2.1 载波信号 ........................................................................................................... 9

2.2.2 C/A码和P码 .................................................................................................... 9

2.2.3 导航电文 ......................................................................................................... 12

2.2.4 GPS卫星信号的调制 ...................................................................................... 13

2.3 本章小结 ................................................................................................................... 13

第三章 GPS信号的捕获 ................................................................................................. 14

3.1 GPS信号捕获原理 .................................................................................................... 14

3.2 GPS软件接收机捕获算法 ........................................................................................ 14

3.2.1 串行搜索捕获算法 ......................................................................................... 14

3.2.2 并行频域搜索捕获算法 ................................................................................. 15

3.2.3 并行码相位搜索捕获算法 ............................................................................. 16

3.3 本章小结 ................................................................................................................... 18

第四章 GPS信号的跟踪 ................................................................................................... 19

4.1 解调过程 ................................................................................................................... 19

4.2 锁相环原理 ............................................................................................................... 20

4.3 载波跟踪 ................................................................................................................... 21

4.4 码跟踪 ....................................................................................................................... 22

4.5 本章小结 ................................................................................................................... 23