【正文】 個數(shù)據(jù)通道，包含了以下功能模塊：● 時頻模塊：該模塊產(chǎn)生定時信號（中斷信號和TIC信號）。GPS專用處理芯片是為接收GPS信號而專門設(shè)計的信號處理芯片，它含有多個信號處理通道，能同時處理多個衛(wèi)星的信號，在處理器的控制下能夠完成信號的捕獲，載波剝離，衛(wèi)星時間的記錄等功能。LANMixerCorrelatorProcessorAntennaAir NavigationLand SurveyPeople Rescue……射頻部分基帶部分應(yīng)用Gps專用模塊圖24 GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖基帶信號處理部分是GPS接收機(jī)的核心模塊之一，它完成信號捕獲和跟蹤、數(shù)據(jù)恢復(fù)、測量處理、定位解算等功能。低噪聲放大器的噪聲系數(shù)決定了整個射頻部分的噪聲系數(shù)，所以它的噪聲系數(shù)往往做的很小。天線接收到信號之后通過電纜將其傳輸至射頻模塊，射頻模塊里含有低噪聲放大器（LAN）、混頻器（Mixer）、和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）等。從圖中還可以看出C/，碼率的兩倍。綠色的頻譜代表了C/A碼的頻譜，它遠(yuǎn)低于噪聲的信號譜線，說明實際的GPS信號是淹沒在噪聲中的，用頻譜分析儀是無法觀測到的，GPS信號設(shè)計成如此低的信號功率是為了避免造成與陸上微波視距通信發(fā)生干擾。圖23顯示了GPS C/A碼的功率譜密度波形，可以看出它具有Sac函數(shù)的形式，其解析形式可以用（）表示[7]。從途中可以看到在主峰之外還有一些小的峰即旁瓣。在通常的應(yīng)用場合下這32個C/A碼的互相關(guān)特性是足夠好的，不會發(fā)生誤檢測，但是如果要捕獲極弱的信號，在本地產(chǎn)生的C/A碼和接收到的信號做長時間的相關(guān)積累時不同碼之間的互干擾就會成為一個比較嚴(yán)重的問題。不過ISGPS200D所規(guī)定的C/A碼發(fā)生器方案用的是G2寄存器的兩個抽頭形成的時延，只有45個C/A碼組合。不過這一問題還不是太嚴(yán)重，更嚴(yán)重的問題是不同碼之間的互相關(guān)干擾。C/A碼的自相關(guān)函數(shù)可以近似的用矩形脈沖的自相關(guān)函數(shù)表示[5]： （）由于C/A碼的周期是1023，在一個周期的碼序列中1的數(shù)目總比+1多一個，故在相關(guān)的區(qū)間外自相關(guān)函數(shù)的值是1/N，而非0。與最大長度移位寄存器偽噪聲序列特性相似，它的自相關(guān)函數(shù)具有周期性的相關(guān)三角和譜線。此兩種碼的產(chǎn)生器多項式規(guī)定了它們的抽頭位置[7]： （）因為每個戈爾德碼的周期是1ms，故每個數(shù)據(jù)位Di有20個C/A碼時元，且50bps的數(shù)據(jù)時鐘與C/A碼時元是同步的。由于有1023種不同的偏移，所以可靠有1023種這類形式的碼。戈爾德碼是由兩個周期相同的PN碼（偽噪聲碼）和相乘得到的。碼周期比較短有利于快速的捕獲到。P碼是軍碼，它的碼形式并未公開，而C/A碼是民碼，所以我們這里只討論在L1頻率上的C/A碼的捕獲和跟蹤。當(dāng)接收機(jī)要搜索某一顆衛(wèi)星的信號時，只要產(chǎn)生和這顆衛(wèi)星對應(yīng)的C/A碼或P碼，同時保證本地碼和接收到的衛(wèi)星碼的相位對準(zhǔn)，就可以捕獲到想要的信號。GPS同時還發(fā)送L2載波，在L2載波上只調(diào)制有P碼。：第i顆衛(wèi)星發(fā)射的以二進(jìn)制形式表示的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，幅值是，碼速率是50bps，且有6s的子幀和30s的幀周期。其周期精確的為一星期。C/A是周期為1023位的戈爾德碼，因此C/A的周期是1ms。第二章 GPS接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)介紹 GPS信號特征GPS信號是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻后調(diào)制到某一載波信號上通過衛(wèi)星發(fā)射的，其信號形式是： （）：第i顆衛(wèi)星發(fā)射的信號。本文的算法研究主要是在Matlab平臺上進(jìn)行仿真實驗來完成，同時根據(jù)提出的解決方案在一塊以Xilinx公司的FPGA硬件開發(fā)板平臺上完成了接收機(jī)的設(shè)計，并進(jìn)行了實際性能的測試。同時給出了偽距測量誤差和環(huán)路跟蹤誤差的關(guān)系。第四章主要分析GPS跟蹤環(huán)路的性能。詳細(xì)分析了傳統(tǒng)的穿行搜索算法和改進(jìn)的FFT快補(bǔ)算法的各自性能。詳細(xì)介紹了GPS基帶需要完成的任務(wù)和功能，根據(jù)信號處理流程將其劃分為若干部分。本文主要按以下順序展開敘述。 本文的主要研究內(nèi)容本文的研究內(nèi)容是GPS接收機(jī)的基帶數(shù)字處理算法及相應(yīng)的芯片實現(xiàn)方案。但由于美國在GPS方面對我國采取嚴(yán)格的限制政策，因此目前GPS在我國的科研應(yīng)用主要有如下明顯缺陷：（1） 主要采用進(jìn)口OEM板作為GPS接收機(jī)內(nèi)核，并非自主研制；（2） 主要是進(jìn)行產(chǎn)品的二次開發(fā)，比如地理信息系統(tǒng)和導(dǎo)航設(shè)備的地圖開發(fā)；（3） 雖然有些單位已開發(fā)出獨立的GPS芯片，但性能上比較差，還無法與國外GPS接收機(jī)芯片相比擬；（4） 主要研究集中在中低動態(tài)應(yīng)用領(lǐng)域，在航空航天等高動態(tài)領(lǐng)域的GPS接收機(jī)涉及不多。其車載GPS模組芯片可以達(dá)到接近160dbm的靈敏度，10m定位精度，小于5s的熱啟動時間。雙頻差分RTK精度1cm，最大動態(tài)515m/s。GPS接收機(jī)技術(shù)的長足進(jìn)步，尤其在高端的科學(xué)和工程上的應(yīng)用，使其功能越來越強(qiáng)大，接收衛(wèi)星的通道數(shù)越來越多，捕獲的信號靈敏度越來越高，定位的精度也越來越準(zhǔn)確。所以針對在弱信號惡劣環(huán)境下GPS基帶信號處理算法的研究具有十分重要的應(yīng)用價值。 Cahn 2005）。典型的無線電干擾包括信號遮蔽，多徑干擾，外部的單頻干擾和衛(wèi)星信號間的互相關(guān)串?dāng)_。隨著人們應(yīng)用領(lǐng)域的不斷廣泛和深入，人們希望在許多惡劣環(huán)境下GPS接收機(jī)也能提供良好的定位導(dǎo)航服務(wù)，這就對GPS技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一個重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一GPS時間標(biāo)準(zhǔn)。GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)包括1個主站、3個注入站和5個監(jiān)測站。每顆工作衛(wèi)星都不斷的廣播定位數(shù)據(jù)信息，GPS用戶正是利用這些信號進(jìn)行定位。GPS系統(tǒng)主要包括三大部分：GPS衛(wèi)星系統(tǒng)、GPS地面控制站系統(tǒng)和GPS接收機(jī)。因其所具備的高可靠性、高精度、低成本的、具有便攜可移動能力的特點，逐漸被越來越多的用戶所采用。三段式，背景（10％）、工作（50％）、結(jié)果（40％）關(guān)鍵字： GPS，基帶算法，GPS捕獲，GPS跟蹤ABSTRACTThe global positioning system(GPS) has tended to be more and more important after about twenty years’ development. Because of its good accuracy, reliable quality, low cost and portability, it is gradually used in more and more fields such as transportation, aviation, munication, rescue, weather forecast, et la. It has bee a pivotal technology. However the GPS receiver also has great challenge when it is used in severe circumstance such as weak signal, multipath interference and the interference between different satellite signals. Under these situations the performance of GPS receiver maybe greatly deteriorated. One of the critical parts of GPS receiver is the baseband signal processing algorithm. To overe the constrains mentioned above, the baseband algorithm must be fully studied. This thesis focuses on the algorithm of GPS receiver baseband signal processing and its chip realization. First it introduces the GPS signal structure and its characteristics and describes the main signal process flow。然后又詳細(xì)分析了GPS跟蹤環(huán)路的性能，介紹了鎖相環(huán)理論的一些基本理論，并根據(jù)實際的應(yīng)用重點分析了三階環(huán)路的性能，同時給出了偽距測量誤差和環(huán)路跟蹤誤差的關(guān)系。接著重點介紹GPS信號捕獲算法，詳細(xì)分析了傳統(tǒng)的穿行搜索算法和改進(jìn)的FFT快補(bǔ)算法的各自性能。根據(jù)GPS信號結(jié)構(gòu)特點，從基帶解擴(kuò)解調(diào)的角度建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，針對GPS信號處理的兩大關(guān)鍵技術(shù)捕獲和跟蹤，推導(dǎo)出每一部分性能與相應(yīng)參數(shù)的關(guān)系，尤其分析了在噪聲環(huán)境下的各個部分的性能特性，同時還介紹了GPS基帶芯片的電路結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方案。為了克服這些應(yīng)用上的限制，就必須在設(shè)計GPS接收機(jī)技術(shù)上有所創(chuàng)新，而GPS接收機(jī)的核心是基帶信號處理算法。目前在航空航天、交通、通信、氣象等許多領(lǐng)域它作為一項重要的技術(shù)而被廣泛的使用。GPS接收機(jī)基帶信號處理算法的研究及實現(xiàn)摘要：全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System—GPS）作為全球最重要的定位系統(tǒng)經(jīng)過二十多年的發(fā)展已經(jīng)日臻成熟和完善。因其所具備的高可靠性、高精度、低成本的、具有便攜可移動能力的特點，逐漸被越來越多的用戶所采用。隨著人們應(yīng)用領(lǐng)域的不斷廣泛和深入，人們希望在許多惡劣環(huán)境下GPS接收機(jī)也能提供良好的定位導(dǎo)航服務(wù)，這就對GPS技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，因為在許多惡劣環(huán)境下比如信號遮蔽、多徑干擾、衛(wèi)星信號間的互相關(guān)串?dāng)_等，傳統(tǒng)接收機(jī)的性能將嚴(yán)重下降，甚至不能工作。本文的研究內(nèi)容是GPS接收機(jī)的基帶數(shù)字處理算法及相應(yīng)的芯片實現(xiàn)方案。本文首先介紹GPS基本原理和信號結(jié)構(gòu)，給出了GPS接收機(jī)基帶的信號處理流程，并詳細(xì)介紹了GPS基帶需要完成的任務(wù)和功能。根據(jù)估計檢測理論分析誤警概率和檢測概率，提出了最優(yōu)的搜索檢測器。最后給出了詳細(xì)的測試結(jié)果。 then it elaborates the principle of GPS signal acquiring and tracking, including the traditional serial acquiring method and the new fast acquiring using FFT, the analysis of detection probability and the false alarm probability, the performance of 3 order phase lock loop, et. La. It especially describes the effect of noise on the performance of receiver. At last the test report is given.Key Words:GPS, baseband signal processing algorithm, GPS acquiring, GPS tracking第一章 緒論 選題背景及意義全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System—GPS）作為全球最重要的定位系統(tǒng)經(jīng)過二十多年的發(fā)展已經(jīng)日臻成熟和完善。目前在航空航天、交通、通信、氣象等許多領(lǐng)域它作為一項重要的技術(shù)而被廣泛的用于定位、導(dǎo)航、定時、地球和大氣的物理參數(shù)勘測等等。GPS衛(wèi)星系統(tǒng)由21顆工作衛(wèi)星和3顆軌道備用衛(wèi)星組成。24顆衛(wèi)星均勻的分布在6個軌道平面，接收機(jī)在定位時至少需要接收到4顆衛(wèi)星的信號。各個監(jiān)控站的作用是提供每顆衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，監(jiān)測和控制衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否沿預(yù)定軌道運(yùn)行。GPS用戶接收機(jī)的作用是能夠捕獲到在用戶上空的衛(wèi)星信號并跟蹤這些衛(wèi)星信號，解調(diào)出衛(wèi)星廣播數(shù)據(jù)并測算出各個衛(wèi)星到用戶的偽距，最后結(jié)算出用戶的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度坐標(biāo)，同時也能提供用戶的速度和時間。因為在許多惡劣環(huán)境下傳統(tǒng)接收機(jī)的性能將嚴(yán)重下降，甚至不能工作。就拿GPS接收機(jī)在城市和室內(nèi)的應(yīng)用舉例，在這樣的環(huán)境下接收機(jī)將會受到四個方面的限制：（1）跟蹤一個受到多徑影響的信號將會使定位精度下降；（2）在室內(nèi)GPS信號將大大的衰減從而導(dǎo)致接收機(jī)無法接收到信號或頻繁發(fā)生失鎖；（3）GPS接收機(jī)上的晶振的頻率不穩(wěn)定性使得接收機(jī)無法接受到非常弱的信號；（4）來自強(qiáng)信號的通道的互相關(guān)干擾將會使得弱信號通道無法正常的捕獲和跟蹤（Watson 2005, Kaplan 1996, Norman amp。參考文獻(xiàn)為了克服這些應(yīng)用上的限制，就必須在設(shè)計GPS接收機(jī)技術(shù)上有所創(chuàng)新，而GPS接收機(jī)的核心是基帶信號處理算法。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及本文的研究內(nèi)容目前全球大約有50家接收機(jī)生產(chǎn)制造廠家，大約有上百種接收機(jī)型號進(jìn)入商用市場。在精密定位領(lǐng)域代表公司是NovAtel公司。在手持及車載導(dǎo)航領(lǐng)域的代表公司是SiRF和uBlox公司。我國西安導(dǎo)航所、電子集團(tuán)54所、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、中科院以及多家從事衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備開發(fā)的公司，都在GPS接收機(jī)的研制方面投入了較大的人力物力，并相繼嘗試開發(fā)GPS接收機(jī)，且編寫了大量寶貴材料，有的院所甚至研制了有自己獨立知識產(chǎn)權(quán)的接收機(jī)芯片。從以上可以得知國內(nèi)的GPS接收機(jī)的研究和國外相比還有很大的差距，最重要的差距集中在基帶算法的研究和GPS芯片的設(shè)計實現(xiàn)上，這正式本文的研究重點。根據(jù)GPS信號結(jié)構(gòu)特點，從基帶解擴(kuò)解調(diào)的角度建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出每一部分信號處理的性能與相應(yīng)參數(shù)的關(guān)系，從而根據(jù)所設(shè)計的接收機(jī)的整體指標(biāo)確定每一步信號處理流程的實現(xiàn)方法和相應(yīng)參數(shù)，最后提出相應(yīng)的一整套軟硬件解決方案。首先第二章介紹GPS基本原理和信號結(jié)構(gòu)，給出了GPS接收機(jī)基帶的信號處理流程。第三章重點介紹GPS信號捕獲算法。根據(jù)估計檢測理論分