GPS頻域捕獲實驗報告

1、 綜合課程設計報告 第 16 頁 共 16 頁 南 京 理 工 大 學綜合課程設計報告姓 名:劉南舢學 號：0810200227學院(系):自動化專 業(yè):自動化朱建良指導教師： 2011 年 06 月目錄1.設計要求32.GPS信號概要 2.1 GPS信號的構(gòu)成32.2 相關(guān)性3 2.3 多普勒頻移43. 捕獲 3.1 捕獲的目的4 3.2 串行搜索捕獲5 3.2.1 偽碼序列的產(chǎn)生6 3.2.2 載波的產(chǎn)生7 3.2.3 積分和平方7 3.2.4 圖像的篩選74.總結(jié)135.附件146.參考文獻16題目：GPS時域捕獲算法仿真1 設計要求GPS衛(wèi)星信號包括載波，導航電文，C/A碼三部分，GP

2、S接收機的信號捕獲過程就是去除載波，剝離C/A碼的過程，并且載波頻率和C/A碼的估計值必須小于載波環(huán)和碼環(huán)的遷入范圍。我們主要研究的GPS捕獲方法是串行時域捕獲法。2 GPS信號概要21 GPS信號的構(gòu)成GPS信號由以下三部分組成：（1）載波，（2）導航數(shù)據(jù)，（3）擴頻序列。2.1.1 載波GPS信號是利用兩個UHF頻段的載波進行傳輸?shù)?，UHF的頻率范圍為500MHz-3GHz。兩個載頻L1和L2可以由相同的頻率=10.23MHz產(chǎn)生，具體方法如下： =154f0=1575.42MHz =120f0=1227.60MHz以或為載波。2.1.2 導航數(shù)據(jù)導航數(shù)據(jù)包含衛(wèi)星軌道的相關(guān)信息。GPS控制

3、段中的地面站負責把這些信息上傳到所有的衛(wèi)星。導航數(shù)據(jù)的比特率為50b/s。2.1.3 擴頻序列每個衛(wèi)星都有兩個唯一的擴頻序列或擴頻碼。第一個是粗捕獲碼（C/A），另外個是加密精確碼（P(Y)）。C/A碼是一個1023碼片的序列（一個碼片對應1bit，稱之為碼片是強調(diào)它不包含任何信息），其周期為1ms，碼速為1.023MHz。P碼的長度更長，碼速率為10.23MHz，且在每次GPS周開始時重復。C/A碼只在L1載波上調(diào)制。22 相關(guān)特性C/A碼的兩個重要相關(guān)特性如下：2.2.1 幾乎沒有互相關(guān)性所有的C/A碼互相之間幾乎沒有相關(guān)性。也就是說衛(wèi)星i和衛(wèi)星k的兩個碼Ci和Ck的互相關(guān)性如下： 2.2

4、.2 除了零延時外，幾乎沒有自相關(guān)性 所有的C/A碼幾乎和自己都沒有相關(guān)性， 除了零延時。這一特性使我們很容易找出什么時候兩個碼是嚴格對齊的。衛(wèi)星K的自相關(guān)性特性如下： 23 多普勒頻移在GPS中，會遇到由發(fā)射機（衛(wèi)星）相對接收機運動所產(chǎn)生的多普勒頻移，多普勒頻移會影響到GPS信號的捕獲和跟蹤。對靜止的GPS接收機來說，在L1頻率上最大的多普勒頻移約為 5kHZ,對高速移動的GPS接收機，可以假定最大的多普勒頻移為10KHz由于C/A碼的碼率低，其多普勒頻移非常小。C/A碼的碼率為1.023MHz，是L1載波頻率的1 /1054。因此，對靜止接收機和高速接收機C/A碼的多普勒頻移分別為3.2M

5、Hz和6.4MHz。3 捕獲捕獲的目的是確定可見衛(wèi)星及衛(wèi)星信號的載波頻率，碼相位的粗略值。31 捕獲的目的衛(wèi)星由32個不同的PRN碼進行區(qū)分。第二個參數(shù)是碼相位，指的是偽隨機碼在當前數(shù)據(jù)塊中的時間同步信息。為產(chǎn)生與接受信號偽碼相位完全對齊的本地偽碼，需要知道碼相位，此時則可從信號中去除偽碼。兩個偽碼只有在時延為零的時候才能得到最大相關(guān)值，也就是說，兩個信號必須完全對齊才能去除接收信號中的偽碼。第三個參數(shù)是載波頻率，在下變頻的情況下指的是中頻。接收到的L1頻點1575.42MHz射頻信號，在下變頻器中經(jīng)過混頻后可得到中頻信號。但是，接受信號的頻率可能偏離預期值。在視距范圍內(nèi)的衛(wèi)星速度（相對于接收

6、機）引起的多普勒頻移可導致接收信號頻率的升高或降低。在最壞的情況下，頻差有可能打到10kHz。產(chǎn)生本地載波信號的前提是必須知道接受信號的頻率，其目的是用于去除接收信號載波。在通常情況下，搜索得到的最大頻率誤差為500Hz是可以接受的。32 串行搜索捕獲串行搜索捕獲方法是碼分多址系統(tǒng)（CDMA）中經(jīng)常采用的一種捕獲方法。GPS就是一種CDMA系統(tǒng)。圖3_1顯示的是串行搜索算法的框圖。 圖3_1 串行搜索法框圖從圖3_1可以看出，該方法基于接受信號與本地產(chǎn)生偽碼序列及本地載波的乘積。偽碼發(fā)生器產(chǎn)生一個對應于某一特定衛(wèi)星的衛(wèi)星的偽碼序列，該序列有一個特定的碼相位，0到1022碼片。接受信號首先與本地

7、產(chǎn)生的偽碼序列相乘，然后與本地產(chǎn)生的載波相乘。與本地產(chǎn)生載波相乘之后，產(chǎn)生同相I之路信號，與本地產(chǎn)生載波的90度相移信號相移信號相乘之后產(chǎn)生正交Q之路信號。I，Q支路信號分別經(jīng)過1ms，即C/A碼周期的時間積分后，平方相加，理想情況下，由于C/A碼僅調(diào)制于I支路信號，所以信號功率應集中在I支路，但是，在這種情況下，衛(wèi)星產(chǎn)生的I支路信號與解調(diào)后的I支路信號并不需要一一對應，這是因為接受信號的相位是未知的。因此，為了確定是否檢測到接受信號，需要同時對I支路和Q支路信號進行研究。輸出為接受信號與本地產(chǎn)生信號的相關(guān)值。如果得到的相關(guān)值超過了預先設定的門限，即可確定本地產(chǎn)生信號的載波和碼相位參數(shù)是正確的

8、，轉(zhuǎn)入跟蹤過程。3.2.1 偽碼序列的產(chǎn)生圖3_1顯示，串行搜索捕獲方法的首要任務是接受信號與本地產(chǎn)生偽碼序列相乘，因此需要產(chǎn)生本地偽碼，所有可能的偽碼序列均離線產(chǎn)生，而不是在信號捕獲過程中產(chǎn)生。在本次的課程設計中，本地的偽碼序列由GetCACode.m產(chǎn)生的，本來偽碼發(fā)生器是利用二進制數(shù)據(jù)0，1實現(xiàn)的，但是在實際處理中用的是-1和1。每個衛(wèi)星產(chǎn)生4096個數(shù)，部分截圖如下： 圖3_2 部分本地偽碼序列3.2.2 載波的產(chǎn)生捕獲的第二步是與本地載波相乘。載波發(fā)生器需要產(chǎn)生相位差為90度的兩路載波信號，即余弦波和正弦波信號。在本次課程設計中，我們是通過 carrier = exp(1i*2*pi

9、*(0:Len-1)*(fc+dopplor)/fs)產(chǎn)生的，其中Len為gpsdata的長度，fc為0.42MHz，fc為信號中心頻率，dopplor為多普勒頻移，剛開始設置為-4000，增量為200。fs為8.184MHz，fs為信號采樣頻率。然后在加一部信號的強化： for k=1:floor(length(gpsdata_ddc)/Q) gpsdata_ddc_CIC(k) = sum(gpsdata_ddc(k-1)*Q+1:k*Q); end接著利用如下程序分出正弦和余弦波： sine=real(gpsdata_ddc_CIC); %虛部 cosine=imag(gpsdata_d

10、dc_CIC); %實部3.2.3 積分和平方串行搜索捕獲方法的最后一部分是與正弦和余弦信號分別相乘后進行積分和平方。平方主要是為了獲得信號功率。積分則是將對應于處理數(shù)據(jù)長度的所有38192個點的值相加。平方在積分過程之后進行。最后一步是將I支路和Q支路的兩個平方值相加，然后在開方。如果本地偽碼與接受信號偽碼完全對齊，同時本地產(chǎn)生載波頻率與接收信號頻率相匹配，則得到的輸出值比不滿足這些條件的結(jié)果要大得多。 for q=1:1023 for k=1:1023 %積分 Comp1(q)=Comp1(q)+LoCAcode(q-1+k)*sine(k); Comp2(q)=Comp2(q)+LoCA

11、code(q-1+k)*cosine(k); end Comp(q)=sqrt(Comp1(q)*Comp1(q)+Comp2(q)* Comp2(q); %平方和，開方 end首先程序?qū)⒈镜貍未a序列與載波信號逐位進行相乘并相加，即卷積。然后本地的偽碼序列從第2位開始與載波的第一位相乘，以此類推，這就相當于本地偽碼序列循環(huán)左移了一位。循環(huán)卷積1023次后就可算出1023個相關(guān)值。然后令多普勒頻移加200，再進行循環(huán)卷積，直到多普勒頻移從-4000到3800為止。這樣就可以算出40*1023的相關(guān)性矩陣。利用mesh函數(shù)畫出圖像即可獲得圖像，見圖3_3和圖3_4。 圖3_3 1號衛(wèi)星的圖像 圖3

12、_4 9號衛(wèi)星的圖像從上面兩張圖可以看出，有些衛(wèi)星可以捕獲的信號，有些衛(wèi)星不能捕獲到信號。因此，我們還要設定一些條件來判斷是否捕獲到了衛(wèi)星信號。3.2.4 圖像的刪選由已給程序知，當峰值為平均值的4倍的時候，我們認為GPS捕捉到了衛(wèi)星，那么由圖像知，并不是所有衛(wèi)星都被捕捉到了，那么首先我們要算出最大值和平均值。我們用了如下語句來計算最大值和平均值：avg= sum(yy(:)/numel(yy); a,l=max(yy(:);p,q=ind2sub(size(yy),l) 其中yy是相關(guān)性的矩陣。yy（：）是把一個矩陣轉(zhuǎn)換成一個向量形式。sum(yy(:)是計算矩陣所有元素的和，numel(y

13、y)是矩陣中所有的元素個數(shù)。因此平均值avg=sum(yy(:)/numel(yy)。而a,l=max(yy(:)是把矩陣中最大的數(shù)賦給M，并且把這個數(shù)所在的位置賦給了，因為此時yy（：）是一個向量形式，所以必須加一句p,q=ind2sub(size(yy),l)，把最大值所在位置的索引值轉(zhuǎn)換成矩陣的橫坐標和縱坐標。之后再判斷最大值a與平均值avg的關(guān)系即可。 if a/avg>THR figure(m); mesh(yy); end 但是這樣我們發(fā)現(xiàn)，依然輸出的是32張圖片，原因是Comp(q)=Comp1(q)*Comp1(q)+Comp2(q)* Comp2(q);平方和之后，使得

14、a非常大，很容易大于avg4倍，于是我改變了THR,把4改為16，輸出如下6張圖。這樣輸出一下6張圖： 圖3_5 第9號衛(wèi)星的圖像 圖3_6 第15號衛(wèi)星的圖像 圖3_7 第18號衛(wèi)星的圖像 圖3_8 第21號衛(wèi)星的圖像 圖3_9 第26號衛(wèi)星的圖像 圖3_10 第27號衛(wèi)星的圖像4 總結(jié)一開始，完全不知道這個課題是在說什么。還好后來朱老師講了一下，讓我知道了基本的原理，有了大致的思路。但是，由于之前沒有接觸過MATLAB的編程，有了思路也無法編程，在這里要感謝老大姚怡超的悉心教導和幫助。也讓我領略了MATLAB的仿真的強大，與語言封裝的集成性。之前一開始，由于程序設計的問題，長時間的不出圖像

15、，后來改進了程序，出圖的速度雖然有所加快，但是仍然遠遠低于頻域捕獲算法。通過這次課程設計，讓我了解了MATLAB軟件，也知道了GPS的工作原理，了解了時域和頻域捕獲算法的優(yōu)點和缺點。增強了應用和實踐的能力，為以后的學習工作打下了基礎。附件 （程序代碼）GPSInf_Acq = zeros(32,3);yy = zeros(40,1023);zz = zeros(40,1023);dopplorrange = 4000;gpsdata_ddc_CIC=zeros(4096);sine=zeros(4096);cosine=zeros(4096);for m = 1:32 LoCAcode = G

16、etCACode(m,N); % GetCACode(PRN,LEN) dopplor = -dopplorrange; while(dopplor<dopplorrange) Comp1=zeros(1023); Comp2=zeros(1023); Comp=zeros(1023); %載波偏移 carrier = exp(1i*2*pi*(0:Len-1)*(fc+dopplor)/fs); gpsdata_ddc = gpsdata.*carrier; for k=1:floor(length(gpsdata_ddc)/Q) % CIC Q倍抽取濾波器 gpsdata_ddc_C

17、IC(k) = sum(gpsdata_ddc(k-1)*Q+1:k*Q); end sine=real(gpsdata_ddc_CIC); %虛部 cosine=imag(gpsdata_ddc_CIC); %實部 for q=1:1023 for k=1:1023 %積分 Comp1(q)=Comp1(q)+LoCAcode(q-1+k)*sine(k); Comp2(q)=Comp2(q)+LoCAcode(q-1+k)*cosine(k); end Comp(q)=sqrt(Comp1(q)*Comp1(q)+Comp2(q)* Comp2(q); %平方和，開方 end yy(dopplor+4000)/200+1,:)=Comp(1:1023); dopplor = dopplor + 200; GPSInf_Acq(m,1)=1; GPSInf_Acq(m,2)=1; GPSInf_Acq(m,3)=dopplor; end yy(dopplor+40