【正文】 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） MATLAB 仿真 GPS 的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 前言 全球定位系統(tǒng) (GPS)是新一代的精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。由于其全球性、全天候以及連續(xù)實(shí)時(shí)三維定位等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， GPS 導(dǎo)航和定位技術(shù)已向高精度、高動(dòng)態(tài)的方向發(fā)展。 GPS 衛(wèi)星接收機(jī)屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的用戶設(shè)備，主要用于接收衛(wèi)星信號(hào)和電文，由無(wú)線電信號(hào)測(cè)定用戶至衛(wèi)星的距離，或多普勒頻移等觀測(cè)量；根據(jù)導(dǎo)航電文，計(jì)算觀測(cè)衛(wèi)星的位置和速度，根據(jù)觀測(cè)量和衛(wèi)星的位置、速度，解算出用戶的位置和速度。 目前，國(guó)內(nèi)大多 數(shù) GPS 接收機(jī)都是在國(guó)外定位模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，但是隨著GPS 定位廣泛的應(yīng)用，要求我們?nèi)嫱笍氐匮芯?GPS 定位系統(tǒng)，為我國(guó)的定位導(dǎo)航應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。為了滿足更加高的定位要求，獲得更加高的可靠性，對(duì) GPS 接收機(jī)來(lái)說(shuō)，要能兼容各種定位導(dǎo)航系統(tǒng)而且考慮到算法改進(jìn)的成本問(wèn)題，相比較于現(xiàn)有的 GPS 接收機(jī)需要更換硬件設(shè)備， GPS 軟件接收機(jī)只需改動(dòng)軟件，具有更強(qiáng)的靈活性和開(kāi)放性。 本文所做的工作是利用 Matlab 軟件搭建 GPS 仿真平臺(tái)。本文闡述了 C\A碼的生成原理與 GPS 信號(hào)的生成原理，捕獲和跟蹤的原理， GPS 信號(hào)的 捕獲和跟蹤。利用 FFT 相關(guān)法進(jìn)行時(shí)間和頻率串行搜索。然后，利用 MATLAB 仿真環(huán)境開(kāi)發(fā)信號(hào)仿真平臺(tái)，并利用此仿真器實(shí)現(xiàn) GPS 信號(hào)的仿真，并對(duì)所提出的信號(hào)的捕獲和跟蹤算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，所做的仿真達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo) ..??湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 目錄 緒論 GPS 系統(tǒng)概述 課題意義及研究方向 論文內(nèi)容安排 第二章 GPS 的 C/A碼捕獲 介紹 C/A碼起始點(diǎn)的精確性 MATLAB 仿真 C/A碼的產(chǎn)生 . 1 最大長(zhǎng)度序列 (MLS)和 G2 的輸出及其延遲時(shí)間的檢驗(yàn) C/A碼的產(chǎn)生 第三章 GPS 衛(wèi)星信號(hào)的捕獲 概述 衛(wèi)星信號(hào)捕獲的考慮 捕獲時(shí)的最大電文長(zhǎng)度 捕獲中的頻率步長(zhǎng) GPS 衛(wèi)星信號(hào)的捕獲方法 傳統(tǒng)捕獲方法 GPS 衛(wèi)星信號(hào)捕獲的例子 關(guān)于捕獲的一些子程序 隨機(jī)編碼過(guò)程仿真 獲取導(dǎo)航信息的仿真 第四章 GPS 信號(hào)接收機(jī)仿真系統(tǒng)概述 GPS 信號(hào)接收機(jī) GPS 信號(hào)接收機(jī)架構(gòu) GPS 信號(hào)接收機(jī)的工作原理 GPS 載波相位測(cè) 量定位 GPS 載波相位測(cè)量 波數(shù)和整周跳變 表 41 波數(shù)解算舉例 第五章 GPS 信號(hào)的跟蹤 目的 GPS 信號(hào)跟蹤 載波和碼元跟蹤 利用鎖相環(huán)跟蹤 GPS 信號(hào) 二階鎖相環(huán) 跟蹤過(guò)程的高測(cè)時(shí)精度 通過(guò)理想相關(guān)輸出獲得高測(cè)時(shí)精度 通過(guò)曲線擬合獲得高測(cè)時(shí)精度 第六章 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)定位 目的 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 幾何定位及架構(gòu) . 衛(wèi)星數(shù)據(jù) GPSsignal 衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析 衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析程序代碼 第七章 總結(jié)和展望 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 基于 METLAB 的 GPS 全球定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)仿真 摘 要 全球定位系統(tǒng) (GPS)是新一代的精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。由于其全球性、全天候以及連續(xù)實(shí)時(shí)三維定位等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， GPS 導(dǎo)航和定位技術(shù)已向高精度、高動(dòng)態(tài)的方向發(fā)展。 GPS 衛(wèi)星接收機(jī)屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的用戶設(shè)備，主要用于接收衛(wèi)星信號(hào)和電文，由無(wú)線電信號(hào)測(cè)定用戶至衛(wèi)星的距離，或多普勒頻移等觀測(cè)量；根據(jù)導(dǎo)航電文，根據(jù)觀 測(cè)量和衛(wèi)星的位置、速度，解算出用戶的位置和速度。 本文所做的工作是利用 Matlab 軟件搭建 GPS 仿真平臺(tái)。本文闡述了 C\A碼的生成原理與 GPS 信號(hào)的生成原理，捕獲和跟蹤的原理， GPS 信號(hào)的捕獲和跟蹤。然后，利用 MATLAB仿真環(huán)境開(kāi)發(fā)信號(hào)仿真平臺(tái)，并利用此仿真器實(shí)現(xiàn) GPS 信號(hào)的仿真，并對(duì)所提出的信號(hào)的捕獲和跟蹤算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，所做的仿真達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)?? 【關(guān)鍵詞】 GPS 導(dǎo)航 定位 捕獲 跟蹤 MATLAB 仿真 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） Simulation of GPS global positioning system key techniques based on the METLAB Abstract Global positioning system (GPS) is a new generation of satellite navigation and positioning systems. Due to its global, aroundtheclock and continuous real time three dimensional positioning and so on, has been widely used in the field of development in military and civilian. In recent years, with the development of science and technology, GPS navigation and positioning technology to high precision, high dynamic development. GPS satellite receiver belonging to users of satellite navigation and positioning system devices, mainly used for reception of satellite signals and messages, determination of users by radio signals to a satellite distance, or Doppler shift measurements under navigation message, according to the measurements and satellite location, speed, and calculate the position and speed of the user. This work is done by the use of Matlab software to build GPS simulation platform. This article expounded the C\A principles of code generation and the generation of GPS signal theory, principles of acquisition and tracking, GPS signal acquisition and tracking. Then, using MATLAB simulation environment to develop signal simulation platform and simulation of GPS signal using the emulator, and on the proposed signal acquisition and tracking algorithms for the simulation. Simulation results show that the design of the simulation to achieve the desired goal…… 【 Key words】 GPS navigation Locate Capture Track MATLAB simulation 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 緒論 GPS目前處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，并滿足 20世紀(jì) 60年代所提出的最佳定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)系統(tǒng)向有適當(dāng)接收設(shè)備的全球范圍內(nèi)的用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息。 GPS也向全球廣播世界協(xié)調(diào)時(shí)（ UTC）。組成衛(wèi)星星座的 24顆衛(wèi)星被 安排在 6個(gè)軌道平面上，即每個(gè)平面上 4顆。一個(gè)分布在全世界的地面控制 /監(jiān)視網(wǎng)監(jiān)視著衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)。衛(wèi)星用叫做碼分多址（ CDMA）的技術(shù)在兩個(gè)頻率上廣播測(cè)距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。 也就是說(shuō)， 系統(tǒng)只使用兩個(gè)頻率， 稱為 L1（ MHz）和 L2( MHz)。 每顆衛(wèi)星都在這兩個(gè)頻率上發(fā)射，但所有的測(cè)距碼與其他衛(wèi)星所使用的不一樣。導(dǎo)航數(shù)據(jù)提供給接收機(jī)， 以確定衛(wèi)星在發(fā)射信號(hào)時(shí)的位置，而測(cè)距碼使用戶接收機(jī)能夠確定信號(hào)的傳輸延時(shí)，從而確定衛(wèi)星到用戶的距離。 這種技術(shù)要求用戶接收機(jī)也包含一個(gè)時(shí)鐘。利用這種 技術(shù)來(lái)測(cè)量接收機(jī)的三維位置時(shí)，要求測(cè)量接收機(jī)到 4顆衛(wèi)星的 TOA(信號(hào)到達(dá)時(shí)間 )距離，如果接收機(jī)時(shí)鐘已經(jīng)是與衛(wèi)星時(shí)鐘同步的，便需要 3個(gè)距離測(cè)量值。因此，為測(cè)量用戶的緯度、經(jīng)度、高度和接收機(jī)相對(duì)于內(nèi)在系統(tǒng)時(shí)的偏移，需要有 4個(gè)測(cè)量值。如果系統(tǒng)時(shí)或高度已準(zhǔn)確獲知， 便只需要 4顆以下的衛(wèi)星。 GPS系統(tǒng)除定位服務(wù)外，同時(shí)也能利用 GPS衛(wèi)星具有的高穩(wěn)定性原子時(shí)鐘為用戶提供授時(shí)服務(wù)，由此用戶可以計(jì)算出自身的速度。 這些服務(wù)被稱為標(biāo)準(zhǔn)的 PVT（位置、速度、時(shí)間的英文縮寫(xiě)）服務(wù)。 GPS提供兩種精度不同的 PVT測(cè)量： 標(biāo)準(zhǔn)定位 服務(wù)（ SPS）和精密定位服務(wù)（ PPS）。 SPS 是為民用服務(wù)的， 而 PPS 是為美國(guó)軍方用戶和特定的政府部門用戶服務(wù)的，兩者精度不同。 1 課題意義及研究方向 目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù) GPS 接收機(jī)都是在國(guó)外定位模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，但是隨著GPS定位廣泛的應(yīng)用，要求我們?nèi)嫱笍氐匮芯?GPS定位系統(tǒng)，為我國(guó)的定位導(dǎo)航應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。為了滿足更加高的定位要求，獲得更加高的可靠性，對(duì) GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō)，要能兼容各種定位導(dǎo)航系統(tǒng)而且考慮到算法改進(jìn)的成本問(wèn)題，相比較于現(xiàn)有的 GPS接收機(jī)需要更換硬件設(shè)備， GPS軟件接收機(jī)只需改動(dòng)軟 件，具有更強(qiáng)的靈活性和開(kāi)放性。 航空領(lǐng)域的應(yīng)用 GPS 在航空領(lǐng)域的應(yīng)用推動(dòng)著全球衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS)的發(fā)展， 它可以提供從航路直到精密飛行軌道階段（起飛、 降落）的引導(dǎo)。 空間運(yùn)載引導(dǎo) 從 1992 年起， GPS 接收機(jī)便被用于 TOPEX/POSEIDON 衛(wèi)星上， 這種衛(wèi)星是用于研究海洋環(huán)境的。 海洋應(yīng)用 商業(yè)和娛樂(lè)海事企業(yè)都已在利用 GNSS。從洋面旅行到內(nèi)河航路，尤其是艱險(xiǎn)的水域，所有船舶的導(dǎo)航都得到了提高。 陸用 GPS 測(cè)繪行業(yè)依靠差分 GPS已經(jīng)獲得毫米 級(jí)的測(cè)量精度。鐵路部門利用類似的技術(shù)獲得相對(duì)于附近的鐵軌組的火車位置。 GPS是智能交通系統(tǒng) (ITS)的關(guān)鍵組成部分。 論文內(nèi)容安排 本文所做的工作是利用 Matlab 軟件搭建 GPS仿真平臺(tái)。本文闡述了 C\A碼的生成原理與 GPS信號(hào)的生成原理，捕獲和跟蹤的原理， GPS信號(hào)的捕獲和跟蹤。利用 FFT相關(guān)法進(jìn)行時(shí)間和頻率串行搜索。然后，利用 MATLAB仿真環(huán)境開(kāi)發(fā)信號(hào)仿真平臺(tái)，并利用此仿真器實(shí)現(xiàn) GPS信號(hào)的仿真，并對(duì)所提出的信號(hào)的捕獲和跟蹤算法進(jìn)行了仿真。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 GPS 的 C/A 碼捕獲 介紹 C/A 碼（ Coarse Acquisition Code）是用于粗測(cè)距和捕獲 GPS 衛(wèi)星信號(hào)的偽隨機(jī)碼。它是由兩個(gè) 10級(jí)反饋移位寄存器組合產(chǎn)生的，其產(chǎn)生原理如圖 21所示。 圖 21 C/A碼發(fā)生器 C/A 碼起始點(diǎn)的精確性 輸入信號(hào)以 5 MHz 的頻率數(shù)字化，或者說(shuō)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)相隔 200 ns。這樣的時(shí)間分辨率，與之相應(yīng)的距離分辨率大約是 60 m（ 3 108 200 109），這個(gè)數(shù)值對(duì)確定用戶位置來(lái)說(shuō)不夠精確。由于 GPS信號(hào)與接收機(jī)數(shù)字時(shí)鐘不同步，所以某個(gè)特定數(shù)據(jù)點(diǎn)不可能完全匹配C/A碼起始點(diǎn)。在最壞 情況下，即 C/A碼的起始點(diǎn)落在兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中間， C/A碼的數(shù)字化起始點(diǎn)與真實(shí)值相差 100 ns。捕獲過(guò)程只能在數(shù)字頻率下測(cè)量出 C/A 碼起始點(diǎn)的精確性，而我們需要的是測(cè)得 C/A碼起始點(diǎn)極其精確。 傳統(tǒng)跟蹤環(huán)，本地生成 C/A碼每毫秒更新一次。更新的目的是生成 C/A碼來(lái)匹配輸入信號(hào)的 C/A 碼， 并且生成一個(gè)載波頻率來(lái)匹配輸入信號(hào)的載波頻率。這里僅討論 C/A 碼的匹配問(wèn)題。例如，如果實(shí)際的 C/A碼的起始點(diǎn)準(zhǔn)確落在兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間，完全可以產(chǎn)生一個(gè)本地 C/A碼，準(zhǔn)確地匹配這一點(diǎn)。但是，由于噪聲的影響，本地生成的 C/A碼只 能接近目標(biāo)值，不會(huì)完全達(dá)到目標(biāo)值。 在 BASS方法跟蹤過(guò)程中，本地產(chǎn)生的 C/A 碼是固定的，第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)通常從 C/A碼的起始點(diǎn)開(kāi)始，且這個(gè)碼元將一直使用。 在最糟情況下，本地產(chǎn)生的 C/A碼和數(shù)字輸入之間相差100 ns。 可以采用兩種方法，以較高的測(cè)時(shí)精度來(lái)找出