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1 绪论 1.1 GPS系统发展历程 GPS(Global Positioning System)即为全球定位系统[1]。美国海军导航卫星系统(即子午仪)和俄罗斯的 Tsikada 系统[2]是早期发展的卫星导航系统，它们能提供高精度的二维定位。但是这两卫星定位系统由于包括的卫星数目较少、卫星运行高度较低等多种原因，存在定位所需时间过长、不能进行实时连续定位等缺点。由于这些特性只适合于船用导航，不适合飞机和高动态用户的导航定位，所以美国军方在海军导航卫星系统的基础上建造了新一代的导航定位系统GPS。它的特点有全球覆盖、连续全天候工作、高精度以及能为高动态平台提供服务等，可以提供军用和民用两种服务，并且于1995年初达到了全运行能力。1999年1月，美国政府宣布了在新的GPS卫星信号中增加两个民用信号L2C和L5的提案，这些新增信号将会大大增加民用用户的精度，为全球的民用、商用和科研用户提供帮助。截至目前，新的GPS III计划又提出了重新评估整个GPS体系结构，以满足直到2030年的民用和军用用户的需求，并计划若干年后发射第一颗GPS III卫星。相对于GPS，目前存在的其他卫星导航系统还包括俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)、欧盟的伽利略系统和我国的北斗导航系统，它们分别为不同的政府和部门提供服务。 1.2 GPS系统介绍 新一代空间卫星导航定位系统[3]GPS是由美国国防部为军事目的建立的、海陆空三军联合研制开发的。该系统是一个基于卫星的无线电导航系统，具有全能性(陆地海洋航空和航天)、全球性、全天候连续性和实时性的导航定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS由三部分组成：空间星座部分、地面控制部分和用户接收设备部分。GPS联合项目办公室对这些组成部分的正式计划性术语分别是空间段、控制段和用户设备区段。空间星座部分包括在轨卫星，它们向用户设备提供测距信号和数据电文。地面控制部分更新 卫星星历、时钟校正量，以及其他用于确定用户位置、速度和时间的参数。此外还对卫星进行跟踪和维护，维持卫星的轨道布局，并监测卫星的健康状况和信号的完整性。用户接收设备部分完成导航、授时等功能。GPS各个部分的具体组成如下图1-1所示 1.2.1 GPS系统空间部分 GPS空间卫星星座是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，轨道倾角为55度，各个轨道平面相隔60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上相应的卫星超前30度。卫星轨道平均高度为20200公里，卫星

运行周期为11小时58分钟。所以同一测站每天公布的卫星发布图形相同，只是每天约提前4分钟。每颗卫星每天约有5个小时以上在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间地点不同，可以是4到11颗。GPS卫星在空间的配置，可以确保在地球上任何地点、任何时间，至少有4颗卫星可用于定位测量。卫星两侧装有对日定向太阳能电池帆板，利用太阳能供电。卫星上装有多波束定向天线和全向遥控遥测天线，用于发射导航星历和地面监控网通信。 GPS卫星的主要作用如下： (1）L波段的两个无线载波(L1波长约为19cm，L2波长约为24cm)向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号是用导航信息 和伪随机码[4](PRN，Pseudo Random Noise)测距信号对每个载波信号进行调制得来的。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A(Coarse/Acquisition)码精密定位的测距码叫做P码。由导航电文可以知道当前卫星位置和卫星的工作情况。 (2) 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段(波长为10cm)发送到卫星的导航电文和其它有关信息，并通过GPS信号电路适时地发给广大用户。 (3) 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启动备用时钟等。 1.2.2 GPS系统地面部分 GPS工作卫星地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监控站。 主控站设在美国本土科罗拉多。主控站的任务是收集、处理本站和监控站收到的全部资料、编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播数据编制成导航电文传送到注入站。同时主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星。另外主控站还负责监控整个地面监控系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。三个注入站分别设在大西洋的 阿森松岛，印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。注入站的任务是将主控站发来的导航电文[5]注入到相应卫星的存储器，导航电文每天注入三次，每次注入14天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。五个监控站除了位于主控站和三个注入站之处的四个监控站之外，还在夏威夷设立了一个监控站，它们的主要任务是为主控站提供导航卫星的观测数据。每个监控站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据，五个监控站在主控站的遥控下自动采集定轨数据，并对数据进行各项改正，每15分钟平滑一次观测数据，以此推算出每2分钟间隔的

观测值，然后将数据发送给主控站。 图1-1 GPS系统组成 1.2.3 GPS信号接收机 用户设备部分的核心是GPS接收机。GPS接收机的基本功能是接收来自卫星的GPS信号，并提供给用户数据观测量。GPS数据观测量包括伪距、多普勒频率、载波频率等原始的观测量以及位置、速度等用户所需的导航定位信息。由于工作环境和精度要求不同，用户接收机也多种多样。接收机按接收的数据类型可分为C/A码[6]、P码、L1载波相位、L2载波相位及它们的各种组合型的接收机；按编码信息可分为有码接收机和无码接收机；按接收机通道方式可是分为时序接收机、多路复用接收机和并行通道相关接收机；按性能可分为高动态、中动态和低动态接收机；按用途可分为军用、民用、导航、授时和测地型接收机；按工作模式可分为单点定位、相对定位和差分定位接收机。尽管有如此多的分类，但它们结构基本一致。一般的各种接收机都包括以下功能模块：天线和前置滤波模块；射频前端模块；晶振及频率合成器模块；信号处理模块；应用处理模块，其组成框图如下图1-2所示。 图1-2 GPS接收机的组成 天线、前置滤波模块、晶振及频率合成器模块、射频前端模块统称为接收前端模块，是GPS接收机[7]工作的基础，它的主要功能是将GPS天线接收的RF射频信号变换为信号处理模块所要求的中频信号。天线一般采用有源微带天线；前置放大器一般采用场效应FET放大器，要求具有噪声系数小、增益高、动态范围大的特点；而频率合成器的作用是将接收信号从高频变换到中频。 信号处理模块是GPS接收机的核心，其输入是混频后的基带数字信号，输出主要是伪距、多普勒频率、本地时间等参量。输出的参量被后面的应用处理模块按相应的定位算法解算出位置、速度等用户需要的信息。信号处理模块主要实现功能有：产生本地参考伪码；伪码捕获；伪码和载波跟踪；数据解调(导航电文 解调)；获取伪距观测量；获取载波多普勒频率(距离变化率)和载波相位[8](距离变化量)；由卫星信号提取信噪比信息；估计接收机系统时间与GPS系统时间的差别等。 1.3 GPS定位基本原理 GPS卫星在绕地球轨道环行时不断地向地球表面发射经过编码调制信号，编码中载有卫星信号准确的发射时间，以及不同的时间卫星在空间的准确位置[9]。用户通过接收卫星发出的信号，得到卫星所处的位置并计算出卫星与自己的相对位置，从而最终确定接收机本身的位置。 GPS接收机在接收到卫星发射出的信号后，如果接收机上有与卫星钟准确同步的时钟，便能测量出信号到达的时间，以便算出信号的空间传播时间，利用这个

时间乘以信号在空间的传播速度，便可以求出接收机与卫星的距离R，R可以由下式表示： （1-1） 式中R为观测量，卫星的坐标是（ 、 、 ），接收机的坐标是（ 、 、 ）。卫星坐标（ 、 、 ）可以从导航电文中得到，接收机坐标（ 、 、 ）是未知量。在理想情况下，如果测得GPS接收机与三颗导航卫星的距离，便可确定（ 、 、 ）这三个未知数，从而完成接收机导航定位。 实际上，因为接收机上的时钟不太准确，与卫星钟精确的时钟不同步，所以由它测出的卫星在空间的传播时间是不准确的，所测出的距离也是不准确的，因此所测出的距离叫做伪距。假设接收机在接收到卫星信号的瞬间，接收机时钟与卫星导航系统时钟的钟差为定值 ，那么式上应改写为： （1-2） 上式中 未知， 为电波传播速度常数，（ 、 、 ）可以从导航电文中得到，（ 、 、 ）和 是未知量。要计算出（ 、 、 ）和 ，则至少需要测得接收机与四颗卫星的距离，才能完成定位。 1.4 论文内容安排 本文介绍了GPS信号包含的主要内容，讨论了数字GPS信号的捕获算法。对实际采集到的一组GPS数字信号读取后，对其进行了捕获。在信号捕获部分讨论了串行搜索捕获法、基于FFT的并行频域搜索和并行码相位搜索捕获算法，并对其做性能分析。最后模拟GPS信号捕获的过程并通过Matlab软件进行仿真实现。 本论文内容安排如下： 第一章 绪论 主要介绍了GPS的发展概况、结构组成和定位原理。 第二章 GPS信号的产生与结构 本章详细分析了GPS信号的产生过程和GPS信号包含的具体内容和结构。 第三章 GPS信号的捕获 讨论了串行搜索捕获、基于FFT的并行频域搜索捕获和并行码相位搜索捕获算法，对其做了优缺点的对比分析。 第四章 GPS信号的捕获以及Matlab仿真实现 在Matlab环境下利用并行码相位搜索捕获算法对模拟采集到的GPS数字信号进行捕获。 2 GPS信号的构成与产生 2.1 GPS信号与数据 GPS信号是利用两个UHF频段[10]的载波进行传输的，UHF的频率范 围为500MHz——3GHz。两个载频L1和L2可以由共同的频率 产生，具体方法为： （2-1） （2-2） GPS信号由以下三个部分组成。 （1）载波。以 或 为频率的载波。 （2）导航数据。导航数据包含卫星轨道的相关信息。GPS控制中的地面站负责把这些信息上传到所有的卫星。导航数据比特率为50b/s。 （3）扩频序列。每个卫星都有两个唯一的扩频序列或扩频码。第一个是粗捕获码（C/A），另一个是加密精确码(P(Y))。C/A码是一个1023码片的序列（一个码片对应1bit，称之为码片是强调它不含任何信息），其周期为1ms，码速率为1.023MHz。P码长度更长，码

速率为10.23MHz，且在每次GPS周开始时重复。C/A码只在L1载波上调制，P码在L1载波、L2载波上均有调制。 2.2 GPS信号的产生 下面详细描述信号的产生。图2-1是信号产生的示意图 框图的顺序是由左至右。最左边是主时钟信号模块，作用是为其他模块提供工作时钟，其频率为10.23Hz。事实上，由于相对论效应。为地球上用户提供10.23MHz频率，此处确切的频率为10.22999999543MHz。该时钟信号乘以154和120后，分别产生L1和L2载波信号。左下方的限幅器用于稳定送到P(Y)和C/A码发生器的时钟信号；正下方的数据产生器用来产生导航数据，P(Y)码发生器提供的 信号使码发生器和数据发生器同步。 图2-1 GPS卫星信号的产生 3 GPS信号的捕获研究 3.1 GPS信号的捕获原理 捕获的目的是识别用户所有的可见卫星。如果某颗卫星可见，捕获过程必须确定出信号的两个特性。 （1）频率：卫星信号的频率不同于它的标称值。进行下变频时，GPS信号L1的标称频率对应于中频的标称频率。然而，信号收到卫星相对运动的影响，会产生多普勒频移可以高达10kHz。对于地球上静止的接收机，多普勒频移不会超过5kHz。 （2）码相位：码相位表示了当前数据段中C/A码开始的位置。如果检测1ms的数据段，则包含一个完整的C/A码，当然也包含C/A码的起始点。 捕获的方法有很多种，他们都是基于GPS信号的莫伊特征的，其中C/A码的相关性尤其重要；接收到的信号s是所有n颗可见卫星信号的叠加，即 （3-1） 当捕获卫星k时，输入信号s乘以本地产生的卫星k的C/A码。不同的卫星C/A码的互相关性表明，来自其他卫星的信号基本可以通过该过程完全去除。为避免除去有用的信号成分，本地产生的C/A码必须在时间上对齐，也就是说要获得正确的码相位。 与本地码相乘之后，信号还要和本地载波进行混频，以滤去接收信号的载波。为此，本地产生信号的频率必须接近于接收信号的载波频率。正如前文 所述，接收信号的频率可能在标称频率上下10kHz范围内变动，因此必须检测该范围内的不同频率。为了确定某颗卫星是否可见，500Hz的频率搜索步长就够了，此时在接收机快速移动的情况下可进行41次搜索，静止的情况下可进行21次搜索。 与本地产生的载波进行混频后，所有的信号成分进行平方求和，获得一个数值。 捕获过程是以搜索过程的形式进行的。对于每个不同的频率，均要尝试1023个不同的码相位。当尝试了码相位和频率的所有可能性后，则搜索其中的最大值。如果该值超出设定的门限，则此卫星被捕获，并得到相应的频率和码相位。 3.2 GPS信号的捕获算法 对于GPS卫星信号有多种捕获方案，以