GPS 软件接收机全系统仿真
基于GPS单频软件接收机的捕获与跟踪算法实现
踪 环 Ｉ 支路 的输 出 ， ７ ｂ 是跟 踪环 Ｑ 支 路 的输 图 （）
相 关 值 ×１ ０
二研 Ｆ ＿
毖
０ ０ ０
（） ６
ｃ ｚ去 一
航 接收 机融入 了软 件无线 电思 想 ， 突破 了 以往 接收 机 功能 单一 、 可扩展 性 差和 以硬件 为核 心 的设计 局 限 。软 件接 收机具 有前 端硬件 的可重用 性 、 件 的 软
可升级 性 、 能 的可配 置性 ， 功 以及 平 台的通用 性 、 灵 活性 、 开放性 ， 为导 航 接 收 机 的发 展 方 向 。本 成 ］
一 ａ ｃａ （ ） ｒｔ ｎ
』 ｐ
（） ４
３ １ 码 跟 踪 环 ．
在 高信 噪 比和低 信 噪 比情 况 下都 有 最优 的鉴 相特性 ， 相斜 率不 受信号 幅度 影 响Ｉ 。鉴相 器 的 鉴 ６ ］ 输 出用来 调 整本 地 ＮＣ 的频 率 ， Ｏ 以保 证 环路 可 以 连续地 对输 入 信 号进 行 解 调 。锁 相 环需 要 根 据 所 要 处 理 的信 号特 性来 选取 ， 锁相 环最佳 化 的理论 准
表示 为
Ｎ－ １ －
（） ２ ｘｍ） （ ＋ ｎ 一 （ ｙｎ ）
ｍ ０
（） １
对 （ 进行 离散 傅立 叶变 换 （ Ｔ） 结 果 为 ） ＤＦ ，
Ｎ一 １ Ｎ一 １
ｚ忌 ＝∑ ∑ｘｍｙｎ ） （ ＝ ）＝ （）（＋ ｅ
＝
０ ｍ ＝ Ｏ
图 ３ 码 跟 踪 环 和 载 波跟 踪 环
图 ２ 基 于 Ｆ Ｔ的 并 行 码 相 位 搜 索 捕 获 算 法 Ｆ
GPS设备仿真软件开发
第２ ８卷 第 ３期 ２０ ０ ７年 ９月
上
海
海
事 大
学 学
报
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ３ １２ ．
Ｊ ｕｎ ｌｏ ｈ ｎ ｈ ｉＭａｉｍｅＵｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｆＳ ａ ｇ ａ ｒｔ ｉｅ ｓ ｙ ｉ ｔ
Ｓ ｐｔ ０ ｅ ．２ ０７
ｄ ｃ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｍａ ｎ ｃ ｄｅ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ｕ ｅ ｎ ｈ ｉ ｏ ｓ ａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ．Ｔｈ ｓ ｆｗａ ｅ ｈ ｓ ｂ ｅ ｅ ｔ ｄ ｆ ｒ ｍａ ｙ ｔｍｅ ｎ ｌａ ｎ ｄ ｂ ｅ ｏ ｔ ｒ ａ ｅ ｎ ｔ ｓｅ ｏ ｎ ｉ ｓ ａ ｄ ｅ ｒ ｅ ｙ
ｉ ａｉ ｎ ｏ ｅ ｔ ｃ ｔｏ ｆｃ ｍｐ ｔｎ ｅ， ＧＰ ｑ ｉ ｍ ｅ ｔｓｍｕｌｔｏ ｏｔ ｒ ｔ ｌ ｃｒ ｎ ｃ ｃ ａ ｓ ｄ ｖ ｌ ｎ ｔｏ ｆｃ ｒｉ ａｉｎ ｏ ｏ ｅ ｅ ｃ ｉ ｆ Ｓ ｅ ｕｐ ｎ ｉ ａ ｉｎ ｓ ｆ ｗａ ｅ ｗｉ ｅｅ ｔｏ ｉ ｈ ｒ ｉ ｅ ｅ — ｈ ｔ
０ 引 言
为履 行 《 ９ ８年 海 员 培 训 、 证 和值 班 标 准 国 １７ 发
类别 和所 担任 的职 务 相 符 的有 效 适 任 证 书 ” 第 ４ 、 ８
条 “ 在 接受航 海 类 教 育 的学 员 必须 在 评 估合 格 后 正
方可 参加 考试 ” 第 ５ 、 ９条 “ 过适 任 考 试 、 通 评估 并 完
ｓ ｆ ｒ ａ ｏ ｄ ｒ ｌａ ｌｔ ｎ ｒｉ ｉ ｇ ｅｆ ｃ． ｏ ｗａ ｅ ｈ ｓ ｇ ｏ ｅ ｉｂｉ ｙ ａ ｄ ｔａｎ ｎ ｆｅ ｔ ｔ ｉ
Ｋｅ ｒ ｓ：ＧＰ ；ｓｍｕ ａ ｉｎ；ｅ ａｕａｉｎ； ｓ ａ ａ ｅ ｘ ｍｉ ａ ｉｎ ｏ ｅ ｉ ｃ ｔ ｆｃ ｍｐ ｔｎ ｅ ｙ ｗｏ ｄ Ｓ ｉ ｌｔｏ ｖ ｌ ｔｏ ｅ ｒ ｒｅ ａ ｎ ｔ ｆｃ ｒ ｆ ａｅ ｏ ｏ ｅ ｅ ｃ ｆ ｏ ｔｉ
高灵敏度GPS软件接收机捕获算法
高灵敏度GPS软件接收机捕获算法魏玲玲;范胜林;王顺亮;刘建业【摘要】针对传统方法难以实现室内环境下GPS信号的捕获以及传统弱信号捕获算法的一系列弊端,介绍了一种新的捕获算法.由于数据段通过“先累加后相关”的方式进行相干积分可以减少运算量,以此方法改进的半位捕获法进行数据段选择可以避免导航数据位翻转,并且改进后的差分相干积分能够减小非相干积分造成的“平方损失”和改善信噪比.融合上述优点,提出了一种新的算法,为高灵敏度GPS软件接收机的实现提供了保证.仿真结果表明,此算法极大的提高了接收机的捕获性能,并且能够快速捕获到载噪比低至25dB/Hz的微弱信号.%Traditional method is difficult to achieve the acquisition of GPS signals in indoor environments, as well as the traditional weak signal acquisition algorithm for a series of problems, a new acquisition algorithm was introduced to solve this problem. Because the coherent integration which uses the data segments that use fusion of first summation then relevance idea can reduce the computational complexity, and the improving semi-bit acquisition method can avoid navigation data bit transition, the improving differential correlation method can reduce "square loss" which produced by non-coherent integration and improve the signal to noise ratio, a new algorithm was proposed which merges all the advantages. The new method can provide a basis for GPS receiving technology with high sensitivity. The experimental results showed that, the algorithm greatly improves the acquisition performance of the receiver and was able to acquire the GPS signal with carrier noise ratio down to 25 dB/Hz.【期刊名称】《指挥控制与仿真》【年(卷),期】2012(034)005【总页数】5页(P50-54)【关键词】先累加后相关;差分相干积分;载噪比;快速捕获【作者】魏玲玲;范胜林;王顺亮;刘建业【作者单位】南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016;南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016;南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016;南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TN976.1全球定位系统(GPS)作为目前世界上最完善的全球导航卫星系统,可为地球表面、近地表和地球外空任意地点用户提供全天候、实时、高精度的三维位置、速度以及精密的时间信息,在军事和民用领域已经得到了非常广泛应用[1]。
GPS软件接收机关键技术研究及实现
２ 基 带 数 字 信 号 处 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
基 带 数 字 信 号 处 理 由信 号捕 获 和 跟 踪 两 部 分 构 成 ， 号 信
的捕 获 是 接 收 机 实 现 定 位 、 速 等 功 能 的 第 一 步 。 来 确 定 测 用 接 收 到 的信 号 中包 含 哪 些 颗 卫 星 的 信 号 ．／ ＣＡ码 的 起 始 点 和
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｋｅ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｍｐ ｅ ｎ ａ ｉｎ ｏ ｏ ｔ ｒ ｅ ｅｖ ｒｉ ｔ ｄｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ Ｆ ｒｔ ，ｃ ｄ － ａ ａｌｌａ ｑ ｉ ｔ ｎ ｙ ｔ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ ｉ ｌ ｍｅ ｔｔ ｆｓ ｆ ｅ ｏ ｗａ ｅ ｒ ｃ ｉｅ ｓｓｕ ｉｄ ｉ ｓ ａ ｅ ． ｉ ｌ ｈ ｓ ｙ ｏ ｅｐ ｒ ｌ ｃ ｕ ｓ ｉ ｅ ｉｏ ａ ｇ ｒ ｈ ｂ ｓ ｄ ｏ Ｆｒｉ ｍｅ ｉｒ ｔ ｄ ａ ｄ ａ ｆｓ ｉ ｎ ｌ ｃ ｕ ｓ ｉｎ ｓ ｈ ｍｅｉ ｅ ｉｎ ｄ Ｓ ｃ ｎ ｌ 。ａ ｇ ｒ ｈ ｂ ｏ ｋ ｄ ａ ｒ ｍ ｆ ｌ ｏｉ ｍ ａ ｅ ｎ Ｆ ａ ｌ ａ ｅ ｎ ｔ ｇ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｃ ｅ ｓｄ ｓｇ ｅ ． ｅ ｏ ｄ ｙ ｌｏ ｉ ｍ ｌ ｃ ｉ ｇａ ｏ ｔ ｓ ｏ ａ ｓ ａ ｔ ｔ
１ Ｓ Ｒ构 成 模 块
Ｓ Ｒ处 理 下 变 频 之 后 的 中 频 数 字 信 号 。 信 号 进 行 捕 获 、 对 跟 踪 及数 据 解 调 等 操作 以实 现 Ｇ Ｓ接 收 机 的 定 位 、授 时 、 Ｐ 测 速 等 功 能 。如 图 １ 示 ， 件 接 收 机 处 理 的 主 要是 下半 部 分 。 所 软
索 步 长 计 算 相 关 值 ， 用 二 次 曲线 拟 合 的方 法 计 算 精 细 载 频 。 采
基于软件的GPS接收机本地系统
维普资讯
・
通信技术 ・
电 子 工 露 师
２０ 年 ３月 ０８
频信 号处理 两部分 ， 图 ２所 的功 能是 ： 现本 地 Ｃ Ａ码 相位 和载 波 实 ／
；
亟 巫 恒
硬 件部 分 ｊ
码 发生器 调 整 码 的相 位 。其 中超 前 路 （ 、 Ｅ） 中路 （ ） Ｐ
维普资讯
第３ ４卷第 ３期 ２０ ０ ８年 ３月
电 字 工 窟 师
Ｅ ＥＣ ＲＯＮＩ ＮＧＩ ＥＲ Ｌ Ｔ ＣＥ ＮＥ
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ３ １３ ． Ｍａ ．２ Ｏ ｒ Ｏ８
基 于 软 件 的 ＧＰ Ｓ接 收 机 本 地 系 统
朱继耀 ， 张宗橙
调制 ，２采 用 Ｄ Ｓ 双相 移 相 键 控 ） 制 ¨ 。这几 个 Ｌ Ｐ Ｋ（ 调
１ Ｇ Ｓ信号的特点 Ｐ
Ｇ Ｓ采 用伪 随机码 扩 频 系统 。其 原 理 见 图 １ 由 Ｐ 。
ＧＳ Ｐ 分量均来源于一个公共的基准频率 ， 见表 １ 。
表 １ ＧＰ Ｓ分 量 的频 率
软 件 部 分
‰ｌ
ｉ
的频率 、 位 与 输 入 信 号 的 Ｃ Ａ码 相 位 和 载 波 的 频 相 ／ 率、 相位 同步 ， 出 Ｉ 中路积 分信 号供解 码基 带报 文 输 路 信 号 。算 法思路 如 下。将码 跟踪与 载波跟踪 视为独 立 的两个过 程 。码 跟 踪 使 用 超 前 延 迟 环 反 馈 控 制 Ｃ Ａ ／
信号 Ｌ １的 同相 载波 分 量 是 用 Ｐ Ｄ复 合码 进 行 Ｏ
调制 ， 而正交载波分 量是 由 Ｃ Ａ Ｄ复合 码调制的。 ／０ 载波信 号 Ｌ ２上 只 调 制 有 Ｐ码 和 Ｄ 码 。调 制 的 方 法 是： 首先 ， 码与数据 Ｄ码模 ２ Ｐ 和构成复合码 Ｐ ，／ ￣Ｄ Ｃ Ａ码与 Ｄ码模 ２ 和构成复合码 Ｃ Ａ ／ ０Ｄ； 然后 ， Ｐ 用 ０ Ｄ和 Ｃ Ａ ／ ０Ｄ复合码对载波 Ｌ 进行调制。载波调制 ｌ
GPS接收机软件调度方法与性能分析及测试
扩展任务模块或提高算法复杂度。
１ 多 任 务 调 度 系 统 任 务 时 序 分 析 方
法
多任 务实 时操 作 系统 可在 确 定 的 时 间执 行其
功能 ， 对 外部 的异 步事件 做 出响应 。它允许 几个 并
应用 以 及 外 部 传 感 器 信 息 辅 助 为 现 阶 段 高 精 度
Ｇ Ｓ接 收机 的 主 要 研 究 热 点Ｉ３。导航 精 度 要 求 Ｐ ｔ］ － 的提高 和导航 任务 模 块 的增 加 将 导 致 接 收 机软 件 的复杂化 。然 而 目前 已广泛应 用 的 ＧＰ Ｓ接 收 机大 多在单任 务操 作系 统平 台实现 ， 在一 定 的系统 资源 下， 不能 充分扩 展任 务模块 或提 高算 法复 杂度 。 多 任务 实 时调 度 系统 是 提 高 实时 性 的重 要 可 靠 的平 台 ， 多任务 实 时调度 接收机 概念 的提 出 为接 收机 资源 配置 的优 化和 开 发 效 率 的提 高 提 供更 优 的平 台 。国外 已有研究 机构 将其应 用 于 ＧＰ Ｓ接 收 机算法 优化 等工 作［ ］ ４ 。
距 输 出 频 率 为 １ ， 位 解 算 输 出频 率 为 ５Ｈｚ 可 见 卫 星 为 ５颗 的 情 况 下 ， 对 于 单 任 务 操 ０Ｈｚ 定 ， 相 作 系 统 的 接 收 机 ， 计 实 现 的 基 于 多任 务 操 作 系统 的接 收 机 处理 效 率 提 高 了约 １ ２倍 。 设 ．
供实 时嵌人 式应 用 所 需 的基 本 运 行基 件 只 占用几
十ｋ ｂ或 者 几 百 ｋ ｂ的 内 存 空 间 。
多 任务 实时 系统 的调度 ， 是在 已知 各线程 的执 行 时间 、 线程 的执 行 周 期 的基 础 上 ， 排 线 程 间 的 安 调度关 系 ， 使其 满足 系统 的资 源配 置 。嵌 入式实 时
适用于GPS软件接收机的弱信号捕获方法
适用于GPS软件接收机的弱信号捕获方法摘要:为了解决全球定位系统(gps)软件接收机中弱信号捕获存在灵敏度和运算效率低的问题,提出了一种基于快速傅里叶变换(fft)改进的差分相干累积算法。
通过对去载波后的中频信号进行块累加处理,解决了相干积分时间的限制;根据fft频移特性,采用多普勒圆周移位搜索替代频率补偿搜索,减少了fft运算量;同时采用了不同的下变频,降低了频域分量间的损耗;对相干积分结果进行了差分相干累积,相对于传统的非相干累积,提高了信噪比。
实验结果表明,该算法在-39 db的低信噪比环境下仍能捕获到所有微弱信号,具有较高的灵敏度和运算效率。
关键词:全球定位系统;弱信号;捕获;快速傅里叶变换;差分相干累积;软件接收机weak signal acquisition method for gps software receiverli shan, yi qing ming * , chen qing, shi min(department of electronic engineering, jinan university, guangzhou guangdong 510632, china)abstract:for high sensitivity and operation efficiency in weak signal acquisition of global positioning system (gps) software receiver, a differential coherent accumulated acquisition algorithm based on fast fourier transform (fft) was proposed. the limitation of coherent integration time was overcome by block accumulation of demodulated gps intermediate frequency data. based on fft frequency shift characteristics, a doppler circular frequency search was used to achieve low computation instead of frequency compensation search. the loss in frequency was resolved by different down conversions. compared to the original incoherent accumulation, signal to noise ratio (snr) was improved by differential coherent accumulation of coherent results. the weak signal in a -39 db poor snr environment was successfully acquired in experiments. high sensitivity and operation efficiency of the proposed algorithm were confirmed by the experimental results. key words:global positioning system (gps); weak signal; acquisition; fast fourier transform (fft); differential coherent accumulation; software receiver0 引言近年来, 全球定位系统(global positioning system, gps)软件接收机是卫星导航领域的一个非常重要的课题和发展方向 [1] 。
数字中频GPS信号的MATLAB仿真
数字中频GPS信号的MATLAB仿真1杨勇，陈偲，王可东北京航空航天大学宇航学院，北京 (100083)E-mail：wangkd@摘要：文章以INS/GPS紧耦合为应用对象，在分析中频GPS信号结构的基础上，根据实际环境和载体运行状态，给出GPS信号延时、多普勒频移和钟差等参数，并应用中频信号解析表达式实现多颗卫星信号的合成。
最后，基于MATLAB语言进行了仿真计算，仿真结果表明信号符合实际情况，同时经过软件接收机的捕获、跟踪和解调计算，验证了信号的正确性。
关键词：GPS；高动态；紧耦合；中频；信号模拟器中图分类号：TP3911．引言随着固体弹道导弹射程的不断增加和打击精度的要求提高，纯惯性导航早已不能够满足要求。
全球定位系统（GPS）和惯性系统（INS）相结合是复合制导的重要发展方向之一，而对于GPS/INS组合导航来说，为了缩短研制周期，便于新信号开发及测试，软件信号模拟器和接收机的研究成为重要的研究方向之一。
GPS技术成长非常迅速，现在市场上的手持式GPS接收机已相当普遍，但是国内的自主知识产权的GPS技术产品的研发仍然比较薄弱，尤其是核心芯片的知识产权很少被国内所拥有。
国内的“北斗”、“GALILEO”导航定位都处在发展之中，信号模拟器的研究被越来越多的被重视。
信号模拟器具有成本低、可重复性好、数据完整等优点，不仅能用于组合导航技术研究，也能为新信号的验证研究提供支持，还可以为硬件接收机的接收性能测试提供有效的信号环境模拟。
GPS信号模拟器是软件无线电研究的一个方面，为处于设计阶段的GPS接收机提供仿真环境。
常见的GPS信号生成器产生的是射频信号，而目前接收机的设计重点侧重于基带信号处理，也就是本文中提到的数字中频GPS信号。
数字中频GPS信号模拟器目前主要是仿真载体运动、模拟时钟偏差、卫星星钟误差、电离层误差、对流层误差、多路经效应、天线的方向、弹体振动、以及云层、雷雨等实际环境对GPS信号的影响，并对接收机前端的下变频、滤波、采样和自动增益控制进行仿真，直到生成GPS接收机信号处理所需的数字信号。
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1 概述
CA code carrier doppler
卫星导航定位已成为人类活动中普遍采 用的导航定位技术。美国的 GPS 系统最为成熟 和完善，应用越来越广泛，几乎涉及到国民经 济和社会发展的各个领域，成为信息时代国家
Clk Up Cnt CA code 1.023 MHz
CA code period
整后，作为辅助量加载到伪码环路滤波器的输出端。这样即
便在高动态环境下，码环也能一直工作在低阶状态，环路带
宽也就可以设置的很窄，提高了码环的跟踪精度。本文采用
具有载波辅助的码环，带宽为 0.5 Hz，鉴相器使用文献[1]中
归一化的超前减滞后功率型。
3.2.3 导航电文提取与伪距计算
当信号跟踪环路锁定后，就能从信号中剥离掉伪码和载
—230—
图 3 鉴频器频率输出线性范围比较 图 4 比特相位翻转对鉴频器的影响
在将频率拉入到合适范围后为实现高精度跟踪，可利用 锁相环，为考虑比特翻转影响，一般采用 Costas-PLL，相关 内容参考文献[5-6]。
以得到卫星发射时刻位置( X k , Y k , Z k )等各种参数。伪距的基
鉴相器，获得相位误差，再经环路滤波后控制本地伪码的数
控振荡器(NCO)，以实现对码片的跟踪。码环路对噪声的误
差敏感度比载波环路高 3 个数量级，且两者间具有严格比例
关系： α = fcode / fcarr = 1.023/1 575.42 = 1/1 540 。
因此，将来自载波跟踪环的环路滤波器输出按该比例调
本观测方程可表示为
ρk = pk +ωk
(2)
3.2.2 跟踪环路设计
码环同载波环原理上相似，也由预检测积分器、环路鉴 别器和滤波器组成[5]，据扩频码的相关特性，采用延迟锁相
环 (delay lock loop)来 完 成 码 的 跟 踪 ， 利 用 本 地 产 生 超 前
码(E)、对准码(P)，滞后码(L)与输入信号相关。相关值输给
(南京理工大学动力工程学院，南京 210094)
摘 要：在模块化设计架构下，利用 Simulink 模块产生等效 GPS 中频信号，引入真实 GPS 信号导航电文、伪距等信息模拟接收机钟差和 钟漂，使中频信号更接近实际情况。通过仿真分析几种常用载波跟踪环路优缺点，找到一种最合适的频率跟踪环路，由环路得到的伪距等 信息用最小二乘技术完成定位，从而实现整个 GPS 接收机系统纯软件仿真。仿真结果表明，该仿真有效、可行。 关键词：GPS 系统仿真；GPS 信号产生；捕获；跟踪；伪码定位
本文设计了一种二象限反正切鉴频器，能很好地解决该 问题，具体算法见表 1。通过 Simulink 模块产生的仿真信号 对几种鉴频器进行数字仿真。
表 1 各种鉴频器线性输出范围及比特翻转的影响
名称 交叉 交叉(符号) 四象限反正切 二象限反正切
鉴频器算法 交叉/(t2-t1) 交叉×符号(点)/(t2-t1) Atan2(点,交叉)/(t2-t1) Atan(交叉)/(t2-t1)
(1)串行搜索以一定码、频率步进二维滑动相关搜索，每 次搜索 1 023 个码片和±10 KHz 带宽的频率，占用硬件资源 少，却非常耗时。
(2)并行频率搜索利用傅立叶变换，将数据处理从时域变 换到频域并行频率搜索，减少了频率搜索时间，但精度受到 采样频率和傅立叶变换时用的处理点数限制，处理点数增多， FFT 计算量急剧变大。
输出线性范围/Hz ±100 ±100 ±500 ±100
比特翻转影响 有 有 有 无
由图 3、图 4 可知，只有四象限反正切鉴频器在整个频 带牵引范围内完全正确输出真实的误差频率，其他 4 种鉴频 线性范围都只有±100 Hz；除了二象限反正切外的鉴频器都会 在相位的 180°翻转时产生错误鉴频结果。
Whole System Simulation of GPS Software Receiver
HU Rui, XUE Xiao-zhong, SUN Rui-sheng, DUAN Xiao-ju
(Power Engineering College, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094)
程。由于无法在 MatLab 平台下直接进行 GPS 信号高频带仿
基金项目：国家“863”计划基金资பைடு நூலகம்项目(2009AA12Z321)
真，本文采用基带等效模型将频带通信系统转化为等效中频
作者简介：胡 锐(1983－)，男，博士研究生，主研方向：GPS/INS
信号基带通信进行系统仿真，在借鉴文献[1]中各种模型误差
组合导航；薛晓中，教授、博士生导师；孙瑞胜，讲师、博士研究
基础上设计了中频等效信号源，图 1 为产生 1 颗卫星信号的 生；段笑菊，博士研究生
仿真框图。
收稿日期：2010-01-20 E-mail：hurui34@
—229—
生器驱动查表序列获取对应状态，如图 1 所示。真实伪距和 伪距率中包含有本地接收机时钟的偏移和漂移，仿真时就直 接将这些真实误差量引入模型中。至此构建了 GPS 信号模拟 数据生成实验平台。后续是进行信号解调与导航解算。
Loop)[1]。因此，本文采用在接收机工作初期或动态应力大时， 用 FLL 把载波跟踪环闭合起来，将多普勒牵引到载波跟踪的 线性范围内，然后有规则过渡到 Costas-PLL，在预计的动态 允许的条件下使预检测时间尽量长，同时载波跟踪环带宽尽 可能窄。
锁频环的设计关系到频率是否可以很好的被牵引到需要 范围内。文献[4]列出了几种常用 FLL 鉴频器，交叉、交叉点 积和四象限反正切型。前文信号捕获时已提及，本仿真中信 号完成捕获精度为 100 Hz，故鉴相器的频率线性输出只要在 该范围内即可。又 GPS 信号中含有 50 Hz 的导航电文，会造 成相位的 180°翻转，在 FLL 跟踪时，相位翻转未被检测出， 因此必须考虑其对环路的影响。文献[4]中介绍的方法都对相 位翻转敏感，在鉴频时需要前后两点都在同一个 20 ms 的比 特数据内，在具体实现时这是很难满足的。
Navigation Data
Spectrum Zero order hold scope
程，将能在分析 GPS 系统各个环节的同时，彻
Clk Up Cnt
Product
底摆脱硬件限制，为新软件算法开发节省时
P code 10.23 MHz
P code period
P code
间。文献[1]中利用 Simulink 搭建了 GPS 信号 从卫星发射到接收部分系统，介绍了 GPS 信 源、信道部分仿真过程。文献[2-3]利用接收到 的真实 GPS 中频信号，对接收机信号处理算法进行了研究。 本文采用将真实卫星导航电文和伪距、伪距率信息，提供给 GPS 信 号 产 生 模 块 生 成 等 效 中 频 模 拟 信 号 的 方 式 ， 利 用 Matlab 程序进行基带处理，产生定位解算结果，只使用软件 完成整个接收机系统仿真。该方法将为其他新型接收机的研 制提供兼容的仿真平台。
图 2 GPS 信号捕获框图
3.2 信号跟踪 完成信号捕获后，需要进行精确跟踪以保证后续解调的
正确和观测量精度。信号跟踪需要同时对载波和码相位进行 跟踪，由载波跟踪环路实现信号载波多普勒频偏跟踪，码跟 踪环路实现对信号码相位跟踪。 3.2.1 载波跟踪环设计
载波跟踪环由预检测积分器、环路鉴别器和滤波器组 成[4]。在设计载波跟踪环时，为容忍动态应力，预检测积分 时间要短，环路滤波器带宽要宽，需要是 FLL(Frequency Lock Loop)；为精确测量载波多普勒相位，降低噪声，预检测积分 时间又要长，环路滤波器带宽要窄，应为 PLL(Phase Lock
(3)循环相关利用傅里叶变换实现的循环相关，进行码相 位的并行搜索，减少搜索时间，能得到较高的码相位精度， 且运算规模不大。
本文根据各方法优缺点，结合捕获精度要求，为实现短 时间搜索到高精度码相位和频率，借助 PC 机强大运行能力， 采用先进行循环相关搜索码相位和粗略的载波多普勒频率方 式，将精度提高到码相位 0.1 个码片，载波 1 KHz，再利用 二次串行精捕，将频率捕获精度提高到 100 Hz。GPS 信号捕 获框图如图 2 所示。
第 36 卷 第 16 期 Vol.36 No.16 ·工程应用技术与实现·
计算机工程 Computer Engineering
文章编号：1000—3428(2010)16—0229—03
文献标识码：A
2010 年 8 月 August 2010
中图分类号：P228.4
GPS 软件接收机全系统仿真
胡 锐，薛晓中，孙瑞胜，段笑菊
Discrete-Time
VCO
Cosine wave
Product
Out
CA code
Procuct
基础设施之一。目前 GPS 接收机系统研究开发 是研究的热点。利用软件实现信号从信源(卫 星)经信道(传输通道)到信宿(接收机)的整个过
Clk Up Cnt Navigation Period
ClCklCkUnpUt Cpnt Navigation Message
3 GPS 基带信号处理及定位解算
接收机信号处理是由各通道实现。每颗卫星被分配一独 立通道，各通道基带处理主要包括信号捕获、跟踪、导航电 文解调和伪距计算 4 块。 3.1 信号捕获
捕获目的是确定 GPS 信号存在，并根据信号特性获取粗 略频率和码相位。有时也被称作搜索。文献[3]介绍了 3 种软 件搜索方法：串行搜索法，并行频率搜索法和并行码搜索法。
输出伪距和伪距率是通过伪码相位和载波多普勒偏移得到， 因此，后者也能通过前者反算得出。将这些量加入仿真平台， 将使仿真更加接近实际，同时也能为后续导航解算提供必需 的卫星位置等参数。本文将对应的码相位和多普勒偏移量同 导航电文一起编入查表序列，利用 Matlab 脚本程序生成后存 入工作区，再以模块形式调用 Simulink 运行，由码、频率产