【正文】 用這種 技術(shù)來測量接收機(jī)的三維位置時，要求測量接收機(jī)到 4顆衛(wèi)星的 TOA(信號到達(dá)時間 )距離，如果接收機(jī)時鐘已經(jīng)是與衛(wèi)星時鐘同步的，便需要 3個距離測量值。如果系統(tǒng)時或高度已準(zhǔn)確獲知， 便只需要 4顆以下的衛(wèi)星。 這些服務(wù)被稱為標(biāo)準(zhǔn)的 PVT（位置、速度、時間的英文縮寫）服務(wù)。 SPS 是為民用服務(wù)的， 而 PPS 是為美國軍方用戶和特定的政府部門用戶服務(wù)的，兩者精度不同。為了滿足更加高的定位要求，獲得更加高的可靠性，對 GPS接收機(jī)來說，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)只需改動軟 件，具有更強(qiáng)的靈活性和開放性。 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。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。鐵路部門利用類似的技術(shù)獲得相對于附近的鐵軌組的火車位置。 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。利用 FFT相關(guān)法進(jìn)行時間和頻率串行搜索。 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）是用于粗測距和捕獲 GPS 衛(wèi)星信號的偽隨機(jī)碼。 圖 21 C/A碼發(fā)生器 C/A 碼起始點(diǎn)的精確性 輸入信號以 5 MHz 的頻率數(shù)字化，或者說，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)相隔 200 ns。由于 GPS信號與接收機(jī)數(shù)字時鐘不同步，所以某個特定數(shù)據(jù)點(diǎn)不可能完全匹配C/A碼起始點(diǎn)。捕獲過程只能在數(shù)字頻率下測量出 C/A 碼起始點(diǎn)的精確性，而我們需要的是測得 C/A碼起始點(diǎn)極其精確。更新的目的是生成 C/A碼來匹配輸入信號的 C/A 碼， 并且生成一個載波頻率來匹配輸入信號的載波頻率。例如，如果實(shí)際的 C/A碼的起始點(diǎn)準(zhǔn)確落在兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)之間，完全可以產(chǎn)生一個本地 C/A碼，準(zhǔn)確地匹配這一點(diǎn)。 在 BASS方法跟蹤過程中，本地產(chǎn)生的 C/A 碼是固定的，第一個數(shù)據(jù)點(diǎn)通常從 C/A碼的起始點(diǎn)開始，且這個碼元將一直使用。 可以采用兩種方法，以較高的測時精度來找出輸入信號中 C/A 一個方法是利用三種信號：即時碼、超前碼和滯后碼。利用這個信號以固定間隔產(chǎn)生超前碼和滯后碼。 C/A碼為 1 ms長，產(chǎn)生 5000個數(shù)據(jù)點(diǎn)，超前碼和滯后碼 通過平移即時碼獲得。 向后平移兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到滯后碼， 次序?yàn)?,4,? ,5000,1,2。 另一個方法是利用五種信號：一個即時碼， 兩個超前碼和兩個滯后碼。 Matlab 仿真 C/A碼的產(chǎn)生及調(diào)制 MATLAB 仿真 C/A 碼的產(chǎn)生 最大長度序列 (MLS)和 G2 的輸出及其延遲時間的檢驗(yàn) 該仿真程序的原理性描述見圖 45， 運(yùn)行結(jié)果見圖 49。 k2=6。 %將 10 號寄存器的 Reg=ones(1,10)。 MLS(j)=Reg(10)。 Reg(2:10)=Reg(1:9)。 g2(j)=Reg(k1)*Reg(k2)。 ind2=find(g2＝＝ 1)。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） g2(ind2)=zeros(1,length(ind2))。 x(1)=0。 P=2。 Show(P)=temp(i1)。 Show(P+1)=temp(i)。 else Show(P)=temp(i)。 P=P+1。 axis(［ 0 length(x)60 ］ )。 圖 23 最大長度序列 (MLS)和 G2 的輸出 C/A 碼的產(chǎn)生 該程序?qū)?C/A 碼的產(chǎn)生進(jìn)行了仿真，運(yùn)行結(jié)果顯示了第 4 顆衛(wèi)星產(chǎn)生的 C/A 碼，如圖410所示。 g2s = ［ 5。7。17。139。141。252。255。257。 469。471。473。509。513。515。859。861。 g2shift=g2s(svnum,1)。 %將 1～ 10 號寄存器的初始值設(shè)為 1 %將 10 號寄存器的輸出作為 G1 %并將 10 號寄存器與 3 號寄存器輸出模二相加后反饋給 1 for i = 1:1023, g1(i) = reg(10)。 reg(1,2:10) = reg(1:1:9)。 end reg = 1*ones(1,10)。 save2 = reg(2)*reg(3)*reg(6)*reg(8)*reg(9)*reg(10)。 reg(1) = save2。 g2tmp(1,g2shift+1:1023)=g2(1,1:1023g2shift)。 %G1 和 G2 卷積后得到 C/A ssca = g1.*g2。 %在 C/A碼的序列中找出 1 并轉(zhuǎn)換為 0， 找出 1 并轉(zhuǎn)換為 1 ind1=find(ca==1)。 ca(ind1)=ones(1,length(ind1))。 temp=ca(1:102) 。Show(1)=temp(1)。 for i=2:length(temp) if ((temp(i)~=temp(i1))) 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） x(P)=i。 x(P+1)=i+。 P=P+2。 x(P)=i。 end end % plot(x,Show)。 grid。將捕獲到的 GPS信號 的必要參數(shù)立刻傳遞給跟蹤過程，再通過跟蹤過程便可得到衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。為覆蓋高速衛(wèi)星預(yù)期中的所有多普勒頻率范圍，捕獲方法覆蓋的頻率范圍必須在177。針對某個特定的衛(wèi)星信號， 捕獲過程就是要找到 C/A碼的起始點(diǎn)，并利用找到的起始點(diǎn)展開 C/A碼頻譜，一旦復(fù)現(xiàn)了 C/A碼的頻譜， 輸出信號將變成連續(xù)波（ Continuous Wave， CW），于是便得到其載波頻率。 衛(wèi)星信號捕獲的考慮 捕獲時的最大電文長度 C/A碼長 1 ms，那么至少要用 1ms的電文來捕獲，甚至只用 1 ms的電文來捕獲時，都湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 可能發(fā)生導(dǎo)航電文相位偏移。如果使用兩組連續(xù)的 10 ms電文來捕獲， 就保證了在某一組電文中不含相位偏移。 捕獲中的頻率步長 捕獲時的另一個考慮因素是捕獲中剝離載波所需的頻率。如果輸入信號與本地混頻信號相距 1 個周期，它們兩者沒有相關(guān)性；如果兩者小于 1 個周期， 則它們有部分相關(guān)性。 可得出如下結(jié)論：捕獲中的操作執(zhí)行次數(shù)與總的數(shù)據(jù)點(diǎn)并不是成線性比例關(guān)系，當(dāng)電文長度從 1 ms 上升到 10 ms時，電文長度上升 10 倍，頻率點(diǎn)數(shù)目也上升了 10 倍， 捕獲所需的操作次數(shù)上升了不止 10倍。 執(zhí)行次數(shù)的增加，取決于實(shí)際捕獲所用的方法 ，下面將討論具體的捕獲方法。如果相位正確的 C/A 碼與輸入信號相乘，輸入信號將如圖 41中所示變成一個連續(xù)信號。中間的圖表示 C/A 碼，其值在177。 最下端的圖是連續(xù)信號，代表輸入信號與 C/A碼的乘積，是一個連續(xù)信號，這個過程有時稱做輸入信號的 C/A碼剝離?？梢栽O(shè)置一個閾值，即一個門限來判斷一個頻率分量是否足夠大。 由于輸入信號中 C/A碼的起始點(diǎn)還未知，因此，必須先找到這個點(diǎn)。 如果使用 10 ms的電文 ，因?yàn)樾盘栔恍枰矸e 1 ms，因此需要 5000次操作。 GPS 衛(wèi)星信號捕獲的例子 程序中所用到的輸入電文在時域內(nèi)的情形如圖 32所示。正如預(yù)料的， FFT變換后帶寬是 MHz，其頻譜形狀與射頻鏈的濾波器形狀相似，通過循環(huán)相關(guān)后如圖 34所示， 其中給出了 6 號衛(wèi)星的 C/A碼起始點(diǎn)，其起始點(diǎn)在 2884。從圖 36和 37我們可以輕易地看出 C/A碼的起始點(diǎn)和頻率。精頻還取決于在下變頻中用到的本地振蕩器的頻率精確性和采樣頻率的精確性。從圖中我們很難判斷 C/A 碼的起始點(diǎn)和頻率是否為正確值，需要通過另外的相關(guān)運(yùn)算才能找出它們 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 圖 36 24 號衛(wèi)星的 C/A碼起始點(diǎn) 圖 37 24 號衛(wèi)星的展開信號的頻率分量 關(guān)于捕獲的一些子程序 隨機(jī)編碼過程仿真 打開 Matlab，新建一個 M File，輸入以下的文本，保存為 ，并調(diào)試運(yùn)行。 %該程序仿真產(chǎn)生三組偽隨機(jī)數(shù)， close all。 clc。 %時間變量為 1 s， 步長 5 ms %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% x1=rand(1,length(t))。 %將 x1 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） index1=find(x1==0)。 %返回一個 index1 x2=rand(1,length(t))。 index1=find(x2==0)。 x3=rand(1,length(t))。 index1=find(x3==0)。 y1=zeros(1,1)。 y3=zeros(1,1)。 t2=zeros(1,1)。 %生成三個 1*1 的零矩陣，存放時 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%將生成的偽隨機(jī)值存放到對應(yīng)的矩陣中 %%%%%% y1(1)=x1(1)。 y3(1)=x3(1)。t2(1)=t(1)。 k=2。n=2。 t1(k)=t(i)。 else y1(k)=x1(i1)。 t1(k)=t(i)。 %如果該時刻階躍變化， 則右移 k=k+2。 t2(m)=t(i)。 else y2(m)=x2(i1)。 t2(m)=t(i)。 m=m+2。 t3(n)=t(i)。 else y3(n)=x3(i1)。 t3(n)=t(i)。 n=n+2。 plot(t1,y1,′ y′ )。 axis(［ 1,1001,］ )。 plot(t2,y2,′ y′ )。 axis(［ 1,1001,］ )。 plot(t3,y3,′ y′ )。 axis(［ 1,1001,］ )。 %將三組偽隨機(jī)值存放到新矩陣并傳送到 Workspace中， 方便以后調(diào)用數(shù)據(jù) % simin1=［ t1。 simin2=［ t2。 simin3=［ t3。 輸入上面的文本后，運(yùn)行得到如圖 529所示的偽隨機(jī)碼。 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 圖 模擬三組偽隨機(jī)碼的仿真示意圖 獲取導(dǎo)航信息的仿真 在這個仿真中，我們要得到衛(wèi)星 的導(dǎo)航信息，其中忽略了頻率偏移，且衛(wèi)星信號的數(shù)據(jù)是基于前面章節(jié)中得到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，存放在 。 clear。 % close all。 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% SvNum=12。 index1=find(Temp==0)。 %返回一個與 index1相同長 度的一維數(shù)組 SinWave=sin(［ 0:2*pi/8:2*pi*7/8］ )。 %將 SinWave GpsMatch=zeros(1,1)。 %生成一個 5 ms for i=1:length(Temp) GpsMatch=［ GpsMatch Temp(1,i)*SinWave］ 。 % n=length(GpsMatch)。 for i=1:m Res(i)=GpsMatch*GPSsignal(1,i:i+n1)′ 。 % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Res2=abs(Res)。 Res2(1,I)=0。 end。 m=1。 m=m+1。 NavigationCode(1,1)=NavigationBit(1,1)。Count=0。 m=m+1。 else Count=Count+1。 m=m+1。 end end end %%%%%我們已得到導(dǎo)航碼 NavigationCode,下面 將它轉(zhuǎn)化成數(shù)字 %%%% NavigationCode=Navigatio