下载文档原格式
高灵敏度GPS软件接收机捕获算法魏玲玲;范胜林;王顺亮;刘建业【摘要】针对传统方法难以实现室内环境下GPS信号的捕获以及传统弱信号捕获算法的一系列弊端,介绍了一种新的捕获算法.由于数据段通过“先累加后相关”的方式进行相干积分可以减少运算量,以此方法改进的半位捕获法进行数据段选择可以避免导航数据位翻转,并且改进后的差分相干积分能够减小非相干积分造成的“平方损失”和改善信噪比.融合上述优点,提出了一种新的算法,为高灵敏度GPS软件接收机的实现提供了保证.仿真结果表明,此算法极大的提高了接收机的捕获性能,并且能够快速捕获到载噪比低至25dB/Hz的微弱信号.%Traditional method is difficult to achieve the acquisition of GPS signals in indoor environments, as well as the traditional weak signal acquisition algorithm for a series of problems, a new acquisition algorithm was introduced to solve this problem. Because the coherent integration which uses the data segments that use fusion of first summation then relevance idea can reduce the computational complexity, and the improving semi-bit acquisition method can avoid navigation data bit transition, the improving differential correlation method can reduce "square loss" which produced by non-coherent integration and improve the signal to noise ratio, a new algorithm was proposed which merges all the advantages. The new method can provide a basis for GPS receiving technology with high sensitivity. The experimental results showed that, the algorithm greatly improves the acquisition performance of the receiver and was able to acquire the GPS signal with carrier noise ratio down to 25 dB/Hz.【期刊名称】《指挥控制与仿真》【年(卷),期】2012(034)005【总页数】5页(P50-54)【关键词】先累加后相关;差分相干积分;载噪比;快速捕获【作者】魏玲玲;范胜林;王顺亮;刘建业【作者单位】南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016;南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016;南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016;南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TN976.1全球定位系统(GPS)作为目前世界上最完善的全球导航卫星系统,可为地球表面、近地表和地球外空任意地点用户提供全天候、实时、高精度的三维位置、速度以及精密的时间信息,在军事和民用领域已经得到了非常广泛应用[1]。
gps接收机实验报告
GPS接收机实验报告
一、实验目的
本次实验旨在通过对GPS接收机的实验，掌握GPS接收机的工作原理、使用方法和性能特点，以及了解GPS定位的基本原理和应用。
二、实验设备
1. GPS接收机
2. 笔记本电脑
3. GPS天线
4. GPS信号发生器
三、实验步骤
1. 连接GPS接收机和笔记本电脑，并安装驱动程序。
2. 在开阔的室外环境下，设置GPS天线并打开GPS接收机。
3. 打开GPS信号发生器，发送GPS信号。
4. 在笔记本电脑上打开GPS接收软件，接收并分析GPS信号。
四、实验结果
经过实验，我们成功地接收到了GPS信号，并且在软件上可以清晰地看到我们的位置信息和轨迹。
通过分析数据，我们还可以得出GPS接收机的定位精度、灵敏度等性能参数。
五、实验总结
通过本次实验，我们对GPS接收机的工作原理有了更深入的了解，掌握了GPS 接收机的使用方法，并且了解了GPS定位的基本原理和应用。
同时，我们也发
现了GPS接收机在室内环境下信号接收较差的问题，为今后的实际应用提供了一定的参考和思路。
六、实验建议
在今后的实验中，可以对GPS接收机在不同环境下的性能进行更深入的研究，以便更好地应用于实际生活中的定位导航、车辆监控等方面。
同时，也可以对GPS接收机的信号接收和处理算法进行进一步的优化和改进，提高其定位精度和稳定性。
通过本次实验，我们对GPS接收机有了更深入的了解，也为今后的研究和应用提供了一定的基础和参考。
希望通过不断的实验和研究，能够进一步完善GPS 技术，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。
都市快轨交通・第19卷第3期2006年6月学术探讨URBAN RA P I D RA I L TRANS IT GPS 软件接收机信号仿真与算法验证杨晓娟 蔡伯根(北京交通大学 北京 100044)摘 要 卫星定位系统(GPS )是解决城市轨道交通中列车安全快速运行的有效手段。
采用Matlab /Si m ulink 软件,仿真GPS 中频数字信号,并将信号送入PC 机,编码实现捕获跟踪算法;通过该方法,验证捕获跟踪算法的可行性。
关键词 GPS 软件接收机 仿真 伪码 载波 捕获跟踪1 卫星定位系统概述交通拥堵日趋严重成为制约城市经济发展的一大障碍,建立以城市轨道交通为主的城市交通体系已成为解决城市交通拥堵的重要途径。
如何实现列车安全、快速、高效的运行是目前轨道交通领域亟待解决的根本性问题[1]。
采用卫星定位系统G PS 作为定位手段,卫星通信与G SM R 作为传输介质,实现列车与调度中心、列车与列车之间的通信,可保障列车安全、快速、高效的运行。
下一代G PS 卫星(B loc k ⅡR a nd ⅡF )将增加新的发射波段,同时,将在L1和L2频率上增加新的M 码,以提高G PS 的抗干扰能力。
对民间用户而言,将在L2频率上增加新的PRN 码或C /A 码,在L5频率上将发射两个PRN 测距码(同相I 5码和正交Q 5码)[2]。
现有的军事和民间G PS 设备由于与新的G PS 不兼容,必须改变原来的硬件结构才能适应,而将软件无线电技术应用于G PS ,只需通过改动G PS 接收机的软件和固件,即可增加G PS 新的频段功能,满足G PS 软收稿日期:20051027 修回日期:20060420作者简介:杨晓娟,女,在读硕士研究生,从事G PS 软件接收机理论与技术的研究,xi a o jua nya ng 1982@163.c om 蔡伯根,男,教授,硕士生导师。
基金项目:国家自然科学基金项目(60332020)件接收机的升级要求[3]。
当G PS 接收机的信号处理部分付诸实施时,需有一些数据来检验它的性能。
但是,为了完善信号处理算法,采用实际数据并不是最佳选择,主要是因为无法控制真实G PS 数据的所有属性。
解决这一问题的方法是使用仿真G PS 信号。
本文就是采用通过M a tla b /S i m u li nk 仿真G PS 信号,并将仿真信号传输到PC 机,编码实现捕获跟踪的方法来验证软件G PS 接收机中捕获跟踪算法的。
2 GPS 信号结构[4]G PS 信号包括三个信号分量:载波分量、两个伪随机噪声码(C /A 码和P 码)和数据码(D 码)。
2.1 载波G PS 卫星使用两种不同频率的载波L1和L2。
其中:载波L1由卫星中的原子钟所产生的基准频率倍频154倍而形成,中心频率为1575.42MHz;载波L2由基准频率倍频120倍而形成,中心频率为1227.6MHz 。
2.2 伪随机码G PS 信号C /A 码是长度为1023的G o l d 码(G 码)。
G 码由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选模2和构成,每改变两个m 序列相对位移就可得到一个新的G o ld 序列。
对于长度为N =2n -1的m 序列,每两个码可以产生N 个G 码。
C /A 码周期为1m s ,每个周期都包含1023个二进制码的低精度测,距码每个码持续时间(即码宽度)为1m s /1023,即0.97751711μs ,相应距离(即码元长度———光速与时间的乘积)为293m 。
C /A 码的码元长度为P 码的10倍,一般测距精度为码元长度的1%左右,因此C /A 码的测距精度比P 码低一个数量级,故称为粗码。
G PS 接收机可以很快捕获C /A 码。
码元长度小,可以提高测距精度,而P 码的码元长度只有2913m ,是C /A 码73都市快轨交通・第19卷第3期2006年6月 URBAN RA P I D RA I L TRANS IT的1/10,所以测距精度要比C /A 码高得多,故称为精码。
利用P 码进行测距并根据未降低精度的卫星星历来进行定位,称为精密定位服务。
捕获P 码需要花费很长时间,要在捕获C /A 码的基础上进行。
2.3 数据码导航电文是卫星以二进制码的形式发送给用户的导航定位数据,是永不归零的数据流。
导航电文按帧向外播送,每帧长度为1500b it .播送速度为50b it /s ,所以播送一帧电文历时30s 。
2.4 GP S 卫星信号的调制G PS 卫星信号的三种信号分量:载波、测距码(C /A 码、P 码)和数据码(D 码)都是在同一时钟频f 0=10.23M Hz 控制下产生的。
数据码和两种伪随机码分别以同相和正交的方式调制在L 1载波上,信号结构为S L 1(t )=A P P i (t )D i (t )c os (ωL 1t +φ1t )+ A C G i (t )D i (t )s i n (ωL 1t +φ1t )(1)而L 2由P 码和D 码进行调制,其信号结构为S L 2(t )=B P P i (t )D i (t )c os (ωL 2t +φ2t )(2)式中,A P 、A C 分别为载波L 1的振幅,B P 为L 2的振幅;P i (t )、G i (t )和D i (t )分别为第i 颗G PS 卫星的P 码、C /A 码和D 码;ωL 1和ωL 2分别为载波L 1和L 2的角频率;φ1和φ2分别为第一颗G PS 卫星的载波L 1、L 2的初相。
3 GPS 信号仿真实现3.1 接收系统组成G PS 软件接收机的组成结构如图1所示。
图1 GPS 软件接收机的组成结构G PS 原始信号由天线接收进来,在前端板下变频后,由模数转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号,最后将数字中频信号保存到能被软件M a tl ab 读取的文件中,送入PC 机中用M a tl ab 编码实现伪码捕获和跟踪。
3.2 GP S 仿真选择具有直观用户界面的软件S i m u li nk 来构建G PS 信号仿真器。
G PS 的C /A 码仿真如图2所示。
因P 码与捕获和跟踪算法无关,所以在仿真中用-1～1之间变换的方波脉冲来替代,频率与P 码的码片率对应,为10.23MHz 。
图2 C /A 码发生器导航电文由C /A 码仿真部分的计数器输出得到,因为它与后面的捕获和跟踪算法也没有关系,所以用变化的数字信号-1和1来模拟,其频率为50Hz 。
两路已调制的码分别作为正交和平行部分,结合成完整的G PS 信号,图3是用S i m u li nk 构建的仿真器。
图3 L1GPS 信号仿真器图4 GPS 信号仿真输出将仿真结果保存到能被M a tla b 软件读取的文件中,然后再由M a tla b 编码实现数据捕获和跟踪,就可以验证算法的可行与否(见图4)。
3.3 验证捕获C /A 码当检测到某个载波多普勒区间出现明显的相关峰83GPS 软件接收机信号仿真与算法验证URBAN RAP I D RA I L TRANS IT 图5 验证C /A 捕获结果时,即判定为捕到了卫星信号,这里验证的是采用平行码相位进行伪码捕获[56]。
通过实验,绘制载波SVN 22伪码捕获图形,如图5所示。
3.4 验证跟踪图6 同相码相关器的输出以下验证的是采用科思塔斯(C os ta s )载波跟踪环进行载波跟踪,以及非相干全时间超前滞后结构形式的延迟锁定环(DDL )作为码跟踪环进行伪码跟踪。
图6为码相关器输出,I 2P 、I 2L 、I 2E 分别是三个同相码相关器的输出;图7和图8为载波跟踪的输出。
4 结语采用M a tla b /S i m u link 软件仿真中频数字G PS 信号,用PC 机编码实现捕获跟踪,验证了平行码相位进行伪码捕获、科思塔斯(C os ta s )载波跟踪环进行载波跟踪、非相干全时间超前滞后结构形式的延迟锁定环(DDL )为码跟踪环进行伪码跟踪算法的可行性。
在今后的研究中,将把A /D 后的所有工作都交给PC 机来完成,达到节省硬件资源、降低成本、增强系统灵活性的目的,最终实现列车的安全快速运行。
参考文献[1]唐涛,燕飞,郜春海.轨道交通信号系统安全评估与认证体系研究[J ].都市快轨交通.2004,17(1):28.[2][美]Lennen G R,Daly P .GPS C /A 码数字接收机[J ].导航.1990:8287.[3]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M ].北京:电子工业出版社,2001:17.[4]Kap lan E D.GPS 原理与应用[M ].北京:电子工业出版社,2002.[5]曹庆华.扩频通信中伪随机序列的捕获[J ].电信快报.2001(8):2729.[6]Zarrabizadeh M H,S ousa E S .Analysis of a differentiallycoherent OS SS parallel acquisiti on receiver[C ]//1995I EEE 45thVehicular Technol ogy Conference,Vo1.1:271275. 责任编辑:郭洁S i gna l S i m u l a ti o nand A l go rithm Ve ri fi ca ti o n o f GP S So ft w a re R ece i ve rYang Xi ao j uan Ca i Bogen(B e ijing J i a o tong U n i ve rs ity,B e ijing 100044)Abstract:GPS (Gl obal Positi on Syste m )is an effective way e mp l oyed in urban rail transit syste m s t o guarantee the safe and fast running of trains .Adop ting Matlab /Si m ulink s oft w are t o si m ulate GPS signals and inputting these signals int o thePC,authors of the paper realized the acquisiti on and tracking algorith m and verified the algorith m.Key wo rd s:GPS s oft w arereceiver ;si m ulati on;p seudocode;carrierwave;acquisiti on;tracking天津站交通枢纽工程开工建设 令人瞩目的天津站交通枢纽工程主站房地下围护结构工程已开工建设,全部工程确保2008年奥运会前实现北京南站至天津站城际铁路通车试运行。
