GPS软件接收机捕获和跟踪算法研究
基于MATLAB的GPS软件接收机捕获与跟踪算法实现
基于MATLAB的GPS软件接收机捕获与跟踪算法实现第l5卷第4期中国惯性技术学报2007年8月JournalofChineseIneaialTechnology文章编号:1005—6734(2007)04—0423—04VO1.15NO.4Aug.2007基于MA TLAB的GPS软件接收机捕获与跟踪算法实现陈熙源,张昆鹏(东南大学仪器科学与工程学院,南京210096)摘要:研究了GPS软件接收机的捕获和跟踪算法,并基于Matlab软件平台和射频前端在Pc 上实现了GPS软件接收机样机.介绍了GPS软件接收机的结构和数据采集硬件,讨论了GPSC/A码的特性,产生原理以及捕获过程.针对传统的串行搜索算法慢的缺点以及高动态GPS软件接收机的特点,在该样机中实现了快速的基于循环卷积的并行捕获算法,并联合使用超前滞后环和对相位反转不敏感的科斯塔斯锁相环分别对码相位和多普勒频偏进行跟踪,解调得到导航电文.仿真和测试结果表明,使用GPS软件接收机进行信号处理的思想使用户在算法处理和软件升级等方面具有更大的灵活性,可应用于下一代任何全球导航卫星定位系统(GNSS)和空基增强系统(SBAS)接收机的设计.关键词:GPS软件接收机;仿真;捕获;跟踪中图分类号:U666.1文献标识码:A RealizationofacquisitionandtrackingalgorithmsforGPSsoftwarereceiverbasedonMA TLABCHENXi—yuan,ZHANGKun—peng (SchoolofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:AcquisitionandtrackingalgorithmsforGPSsoftwarereceiverwerestudied.AprototypeofGP Ssoftware receiverthatrunsonPCWasdevelopedbasedonMatlabplatformandRFfront—end.ThestructureofGP Ssoftwarereceiverandthedatacollectionhardwarewerepresented.Theprope~iesandgenerationprincipleandacq uisitionprocessoftheGPSC/Acodewerediscussed.Sincetheconventionalserialsearchingalgorithmisslowan dconsideringthedemandofhighdynamicGPSsoftwarereceiver,afastparalleltrackingalgorithmbasedoncyclicconvolutionWasimplementedinthesamplereceiver,andearly-latercodetrackingloopandCostasphas elockloopwereusedtotrackcodephaseandDopplerfrequencyshift,respectively.Sothenavigationdatacouldbede modulated. SimulationsandexperimentsshowthattheideasofsignalprocessingusingGPSsoftwarereceiverprovid emoreflexibleinalgorithmsprocessingandsoftwareupdatingforusers,andCanbeappliedtothenextgeneratio nGlobal NavigationSatelliteSystemandSpaceBasedAugmentationSystemreceiversdesign.Keywords:GPSsoftwarereceiver;simulation;acquisition;tracking美国GPS的现代化,俄罗斯GLONASS的复兴,欧洲伽利略系统的出现和我国”北斗二代”的成熟,即将带来下一代全球导航卫星定位系统.设计能灵活充分利用所有导航卫星信号的下一代GNSS接收机是一项具有挑战性的工程【”.目前GPS接收机由射频前端,用于信号处理的ASIC和进行位置解算的CPU组成【.软件可以下载~EJCPU中改变接收机的性能参数,然而预先设计的跟踪通道,相关器和控制环路参数已固化~OASIC中,限制其灵活性.而GNSS软件接收机是下一代GNSS接收机设计的最佳方案.GNSS软件接收机通过软件实现其信号捕获和跟踪处理而不是硬件【.各GNSS虽然不同,但都是基于信号处理而进行需要的操作.本文把GPS软件接收机作为一个例子实现,其思想可以应用于任何GNSS软件接收机的设计.收稿日期:2006-04-05;修回日期:2007～06—18基金项目:教育部新世纪人才支持计划(NCET-06.0462);船舶支撑技术基金项目(6922001029) 作者简介:陈熙源(1969一)男,副教授,博士生导师,主要从事软件接收机,组合导航,惯性元器件标定及误差建模,非线性滤波,信息融合及光纤传感测量等方面的研究.E-mail:****************.ca424中国惯性技术学报2007年8月1GPS软件接收机GPS软件接收机在最前端使用ADC把GPS信号转化成数字信号,换句话说,在尽可能靠近天线的部分数字化输入信号【.如图l天线接收从GPS卫星传送的信号,前端把输入信号放大到合适的幅度,并把射频转换到合适的频率,ADC数字化输入信号.天线,射频前端和ADC构成GPS软件接收机中的硬件部分【.硬盘可以存储数据进行事后处理,也可使用模拟器的数据.信号量化以后,用软件对其进行处理.捕获就是找出可见卫星的信号,跟踪是更精确地得到信号的相位并检测出导航数据的相位变化,从而获得子帧和导航数据,得到卫星电文和伪距【最终,解算出位置,速度和时间.本文中,把GPS信号从1575.42MHz下变频~xJ2o.49MHz,以l6.37MHz的速率采样,得到4.12MHz的数字中频信号.目前我们研发的重点在基带信号处理部分,使用北京东方联星公司的中频信号采样器作为硬件部分.采样器输出信号可用于实时处理或保存到硬盘进行事后处理.图1GPS软件接收机组成结构Fig.1ArchitectureofGPSsoftwarereceiver2GPSC/A码的捕获预先产生存储于内存的本地C/A码和载波复现信号,在信号捕获和跟踪中反复使用.2.1GPSC/A码的特性和产生将来GPS的信号结构可能会改变,不过目前GPS卫星主要传送频率分别为1575.42MHz和1227.60MHz的Ll和L2两路载波信号.Ll频段包括C/A和P(Y)码,L2频段只包括P(Y)码.Ll频段的C/A~P(Y)码的载波是正交的,表达式如下【6】:SL1=4P(t)D(t)cos(2nff+)+C(t)D(t)sin(2nft+0)(1)】即为Ll频段的信号,4是P码的幅度,P(t)+-1是P码的相位,D(t)=±l表示卫星数据,是Ll 频段的频率,是初始相位,是C/A码的幅度,C(f)=±l表示C/A码的相位.本文仅研究Ll频段的C/A码捕获和导航数据解调.C/A码是码速率为1,023MHz的二进制调相信号(BPSK),每个码元约977.5括1023个码元,所以其周期为1ms,每毫秒重复出现.为了找到c,A码的起始码元只需要很少的数据,比如1ms.如果没有多普勒效应,1ms的数据包括1023个码元.处理30s的数据可以得到卫星电文的头三帧,那么接收机最少得~lJ30s的数据才可首次解算出用户的位置.GPSC/A码属于伪随机码(PRN)【,不同的卫星使用不同的C/A码.如图2C/A是两组1023位的PRN序YlJG1,G2相乘得到的.C/A码最主要的特性是它们的相关性.高的自相关值和低的互相关值为信号捕获提供了大的动态域.自相关最大值1023,等于C/A码的长度,其他自相关值为63,～1,一65.互相关也有三个值,63,一1和一65【oJ.图2C鹕的产生原理Fig.2GenerationprincipleofC/Acode2.2GPSC/A码的捕获采用捕获算法判断可见卫星并检测其码相位和载波频率.相对于传统的串行捕获算法,本文使用快速的基于循环卷积的并行码捕获算法【.长度为Ⅳ的有限序ylJx(n)的离散傅立叶变换是:Ⅳ一】()=∑x(n)e-j2Ⅳ(2)n=O两个长度为Ⅳ的有限序y~Jx(n)和月)的互相关函数是:Ⅳ一1z()=∑()+)(3)m=O在(3)中已忽略了一个因子.联立(2)和(3)得到和互相关序列的离散傅立叶变换:Ⅳ卅n一+/L∑Ⅳe,/L¨∑删=Ⅳ吖+/L,/L∑∑Il,七/LZ第4期陈熙源等:基于MA TLAB的GPS软件接收机捕获与跟踪算法实现425=X’()y)(4)+表示复数共轭丽由式(4)看出,xfffly~f.相关序列的离散傅立叶变换可由频域的减y与另一个的共轭相乘得到.从而时域的互相关函数可以由乘积的傅立叶反变换得到.如上并行码搜索捕获算法对输入信号和本地码信号进行了循环相关,然而它并没有在所有可能的载频范围搜索,故循环卷积需要在所有可能的载频范围进图3并行码捕获算法Fig.3Parallelcodeacquisitionalgorithm行搜索.在高动态下考虑到多普勒效应后的频偏为±lOkI-Iz.出于频率误差和计算量的考虑,搜索步长设为500Hz,则最大的频率误差为+_250Hz.载波跟踪环的初始带宽要满足这一点.串行捕获算法一般以l或1/2个码元进行捕获.而并行码捕获算法采样速率更高,这儿以16MHz的速率采样,即可提供约1/16个码元的精度,其精度相对高得多.采用并行码捕获算法得到的结果如图4,左图为本算法搜索到第5颗卫星当前不可见,右图为搜索到第6颗卫星当前可见,并得出其码相位和多普勒频偏.3GPS信号的跟踪捕获到信号后,为了得到第5颗星第6颗星.一..一...,?:图4并行码捕获算法得到的结果Fig.4Theresultsobtainedbyparallelcodeacquisitionalgorithm导航数据,需要对其进行跟踪.跟踪环路使用捕获得到的码相位和多普勒频偏进行.本文联合使用超前滞后环和科斯塔斯锁相环对码相位和多普勒频偏进行跟踪,其框图如图5所示.3.1码跟踪环码跟踪环中,本地产生的超前,当前和滞后三路信号与去除了载波的输入信号进行相关.为了增加码环跟踪的可靠性,同时在I和Q路进行跟踪.六路相关器输出的结果同时送入码鉴别器,得到合适的码相位后,调整码生成器的相位.选择归一化的超前减去滞后功率鉴别器,公式如下【.】:.=12222㈦(+Q)+(+Q)如果D>0.1,本地C/A码向右移动;如果一0.1,本地C/A码向左移动.码环跟踪结果如图6所示.I路中超前滞后相关值基本相等,当前相关值最大.3.2载波跟踪由于GPS信号中导航数据相位反转,本文选择对相位反转不敏感的科斯塔斯锁相环进行载频跟踪.基于反正切鉴别器的高精度和对相位反转不敏感的特性,选择其作为载波环路鉴别器.公式如下【.】:图5码与载波跟踪环Fig.5Codeandcarriertrackingloopl路输出0501001502130时间/ms图6超前滞后码环跟踪结果Fig.6Trackingresultswithearly—latecodeloop巨l86420426中国惯性技术学报2007年8月=arctan(Qp/Ip)(6)使用两阶的载波环路滤波器跟踪多普勒频率的变化,每毫秒调整一次,使之接近输入信号的中频.滤波器函数如下【】:+(7)G=18(丽co,,T(8)L1一～————————————————————6JJi}d4+4+()’G:—1.::4+丁+(7)一2p工’1.)4式中,为压控振荡器增益,kd为鉴别器增益,是带宽,是阻尼系数,积分时间.载波跟踪环得到的多普勒频率如图7,载波跟踪环当前I路输出的结果如图8,此即为跟踪环路得到的解调数据,每毫秒输出一次.300020001000.1000.2000.3O00(9)科斯塔斯环路载波跟踪时间/ms图7科斯塔斯环多普勒频偏跟踪结果Fig.7TrackingresultforDoppler-frequencyoffsetwit1lCostasloop跟踪环路输出几1jIflIO2004O08008001000时间/ms图8跟踪环路解调出的导航电文Fig.8Navigationdatademodulatedbytrackingloop4结论本文基于PC和中频信号采样器研究了GPS软件接收机的信号捕获和跟踪算法,分析了FFT 捕获方法,超前滞后码和科斯塔斯载波跟踪环路,实现了GPS软件接收机样机.使用软件接收机进行GPS信号处理的思想可以用于任何GNSS接收机的设计.将来的工作是开发能兼容GPS和伽利略等系统的实时的GNSS接收机.参考文献(Reference):【1】JamesBao-yenTsui.Fundamentalsofglobalpositioningsystemreceivers:asoftwareapproach[M].New Y ork:JohnWiley&SonsInc.,2000.【2】尹燕,赵明生,蔡凡.数字直扩接收机中同步环路设计与仿真[J】.计算机仿真,2006,23(11):325—331.YINY an,ZHAOMing-sheng,CAIFan.TrackingloopdesignandsimulationfordigitalDSSSreceivers[ J].ComputerSimulation,2006(11):325—331.[3】3SchweikertR,WOrzT,DeGaudenzi,eta1.OnsignalstructuresforGNSS-2【J】.InternationalJournalofSatelliteCommunications,2000,18(Issue4-5):271—291.【4】李士兵,王美玲,刘彤.基于GP4020的GPS接收机软件设计[J】.中国惯性技术学报,2006,l4(4):35—38.LIShi.bing,WANGMei-ling,LIUTong.DesignofsoftwareofGPSreceiverbasedonGP4020[J].Journ alofChineseInertialTechnology,2006,l4(4):35—38.【5】SchmidAndr6Neubauer,EhmH,binedGalileo/GPSarchitectureforenhancedsensitivityrece ption[J].InternationalJournalofElectronicsandCommunications,2005,59:297—306.【6】LeyssensJ,MarkgrafM.Evaluationofacommercial-off-the-shelfdual-frequencyGPSreceiverforuseon LEOsatellites[C]//ProceedingsoflONGNSS.LongBeach,Cflifomi~USA,Sept.13—16,2005:1—11.【7】唐康华,吴美平,胡小平.基于射频前端的GPS软件接收机设计与验证【J1.中国惯性技术学报,2007,15(1):51—54.TANGKang-hua,wuMei-ping.HUXiao-ping.DesignandvalidationofGPSsoftwarereceiverbasedon RFfront’end[J].JournalofChineseInertialTechnology,2007,15(1):5卜54.【8】8PanyMoonSw,FtirlingerK,IrsiglerM,eta1.PerformanceassessmentofanundersamplingSWCreceive rforsimulatedhigh-bandwidthGPS/Galileosignalsandrealsignals[C]//ProcoftheI6IONGPS/GNSS.Portland,Ore gon,9-12September2003?103-116。
GPS软件接收机中微弱信号捕获算法研究
Ｃ ｕｒｅｎｔ ｗｉｈ ｔ ｉ ｅ ｓｎｇ ｗ ｉ ｅ ｐｒ ａ ｐｐｌｃ ｔｏｎ ｏｆｔ ＰＳ ｒ ｅｖｅ ，Ｈ ｏｗ Ｏ ｃ ｅ ｏｃ ｔｏｎ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔ ｈｅ ｎｃｒ ａ ｉ ｄ ｓ ｅ ｄ ａ ｉ ａｉ ｈｅ Ｇ ｅｃ ｉ ｒ ｔ ａ ｈｉｖｅ ｌ ａ ｉ ｉ ｗ ｅ ｋ ａ ｅ ｉｏｎｍ ｅ ｔ ｃ ｎｖ ｒ ｎ ｓｂｅ ｏｍ ｉ ｒ ｌｍ ． ｎｇ ａｐ ｏｂｅ Ｔｈｅｏｒ ｉ ａ ｙ ＧＰＳ ｒ ｃ ｉ ｒ ａ ｄ ｎ ｒ ｅ ｅｖｅ ｓｃ ｎ’ ｔｃ ｐｔ ｅａ ｒ ｃ ｔ ｖｉａｉ ｎ ａｅｌｔ ｉ ｎ ｌ， ａ ｕｒ ｎｄ ｔａ ｋ ｈｅｎａ ｇ ｔｏ ｓ ｔｌ ｅ ｓｇ ａｓ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｕ ｐ ｓ ｆｓ ｎ ｌｃ ｐ ｕ ｅ ｉ ｔ ｅｅ ｍｉ ｅ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔ ｏ ａｉ ｎ ｖ ｓ ｌ ａ ｅ ｉ ｓｎ ｍｂ ｒ ｏ ｅ ｓ ｎ ｌ ｓｒ ｃ ： ｅ ｐ ｒ ｏ ｅ ｏ ｇ ａ ａ ｔ ｒ ｓ Ｏ ｄ ｔｒ ｎ ｈ ｕ ｒ ｎ ｃ ｔ ｉ ｂ ｅ ｓ ｔｌ ｔ ｕ ｉ ｌ ｏ ｉ ｌｅ ｅ ｓ ｆ ｈ ｉ ａ ｔ ｇ
２ ＥＬＥｃＴ ＲＯＮ／ Ｃ ＴＥｓＴ
Ｊａ ｏ＂ ｎ２ Ｎｏ． ，
ＧＰ 软 件接收机 中微 弱信号捕获算法研究 Ｓ
李建伟 ，严丽云
（ 南京 邮电大学通信与信息工程学院 ，江苏 南京 ，２ ００ ） １０ ３
摘 要： 信号 捕获的 目的是确定接 收机 当前所 在位置的可 见卫星号 ，进而计算 可见卫 星的载波频率 和伪随机 码相位信息 。 目前随着Ｇ Ｓ Ｐ 接收机应用 的 目益广泛 ，如何在弱信号环境下实现定 位的问题 日益突 出。普通 的
GPS接收机相关器捕获算法研究
ｍａ ｔ ｅ ｄ，ｔ ｏ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｅ ｄ ｓ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ｓ ．Ｔ ｈ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｌ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｙ ．Ｔ ｒ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｇ ｏ ｉ ｒ ｔ ｈ ｍ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｑ ｕ ｉ ｃ ｋ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎａ ｇ ｌ ｓ ．
GPS软件接收机中信号捕获、跟踪算法的研究与实现中期报告
GPS软件接收机中信号捕获、跟踪算法的研究与实现中期报告一、研究背景随着GPS技术的不断发展，GPS接收机在各个领域得到广泛应用。
在GPS应用中，信号捕获、跟踪算法是GPS接收机的重要组成部分，它决定了接收机的性能和精度。
因此，对GPS信号捕获、跟踪算法的研究和实现具有重要意义。
二、研究现状目前，GPS信号捕获、跟踪算法主要分为两类：基于时域的算法和基于频域的算法。
其中，时域算法有单点搜索法、Hilbert-Huang 变换法等，频域算法则有二次互相关法、离散小波变换法等。
三、研究内容本研究将主要研究和实现以下内容：1.分析GPS信号的数学模型和特点，理解GPS信号的结构和原理；2.分析GPS信号的捕获、跟踪过程，研究GPS信号处理的基本方法；3.研究和实现不同的信号捕获、跟踪算法，包括多点搜索法、Costas 环路跟踪法、相位锁定环路跟踪法等；4.对比不同算法的性能和精度，分析各自的优点和适用范围；5.在基于FPGA的GPS软件接收机中实现上述算法，并进行性能测试和验证。
四、研究计划本研究计划分为以下阶段：1.阅读有关GPS信号处理和算法的文献，理解GPS信号处理的基本原理（已完成）；2.选定不同的信号捕获、跟踪算法，进行分析和比较（正在进行）；3.在Matlab环境下实现各种算法，并进行性能测试；4.基于FPGA实现GPS软件接收机，并将各种算法移植到硬件平台上；5.对比硬件实现和软件实现的性能和精度，进行实验验证并撰写论文。
五、初步结论本研究通过对GPS信号捕获、跟踪算法的研究和实现，可以提高GPS软件接收机的性能和精度，对应用于军事、航空、航海、交通等领域具有重要意义。
同时，该研究还可以为其他卫星导航系统的信号处理提供借鉴和参考依据。
GPS接收机跟踪技术的研究及实现的开题报告
GPS接收机跟踪技术的研究及实现的开题报告一、研究背景和现状GPS（全球定位系统）是美国建立的一套全球卫星定位系统，它由一组24颗卫星和地面控制站组成，能够提供全球覆盖的、高精度的位置定位服务。
GPS接收机作为GPS系统的核心，应用广泛，包括航空、导航、精准农业、地理信息系统等领域。
GPS接收机的核心技术是跟踪技术，也就是接收和解码GPS信号的过程。
当前GPS接收机的跟踪技术主要有两种：频率锁定环路（PLL）和延迟锁定环路（DLL）。
PLL技术主要适用于高速移动条件下的跟踪，而DLL技术主要适用于室内和城市峡谷等环境下的弱信号跟踪。
目前，各大GPS接收机厂商都在不断研究和改进跟踪技术，以提升GPS接收机的定位精度和可靠性。
然而，GPS信号受到各种干扰因素的影响，如多径误差、信号阻塞、动态多径等，这些干扰因素会影响GPS信号的接收和跟踪效果。
因此，本文拟研究GPS接收机跟踪技术的优化和改进，探究如何应对GPS信号受干扰的情况，以提升GPS接收机的跟踪精度和可靠性。
二、研究内容和目标本文拟从以下三个方面开展GPS接收机跟踪技术的研究：1. GPS干扰环境下的跟踪技术优化：针对GPS信号受干扰的情况，拟研究PLL和DLL技术在干扰环境下的跟踪效果，并探究如何通过优化跟踪算法和引入干扰抑制技术来提升跟踪精度和可靠性。
2. 基于多智能体系统的GPS接收机跟踪技术：拟研究基于多智能体系统的GPS接收机跟踪技术，通过多个接收机之间的协作和信息共享，提升GPS定位的精度和可靠性。
3. GPS接收机跟踪算法的实现：拟使用Matlab软件实现GPS接收机的跟踪算法，并通过实验验证，评估跟踪算法的性能和效果。
本文的目标是提出一套适用于GPS接收机的跟踪算法，能够有效应对GPS信号受到各种干扰因素的情况，提升GPS接收机的定位精度和可靠性。
三、研究方法和技术路线本文的研究方法主要是理论分析和实验验证相结合。
具体技术路线如下：1. 理论分析：通过文献综述和理论分析，掌握GPS接收机跟踪技术的基本原理和现有研究成果，设计和优化跟踪算法。
GPS软件接收机快速捕获算法研究
图 １ 时域 串行搜 索捕获算 法实现原理 图
这 种 方 法 所 采 用 的 二 维 空 间搜 索 方 式 ：一 维 是 针 对 中 频 信 号，以５ ０ ０ Ｈｚ为 步 长 ，在 ±１ 的 频 率 范 围 内搜 索 所 有 ０ 可 能 的载 波 频 率 ，一 维 是 针 对 码 相 位 ，扫 描 １ ２ 不 同 的码 ０ ３个 相 位 。总 的 扫 描 次 数 为 ４ ９ ３次 ，即 ：１ ２ × （ ×１ ０ ０ ５ ０ １４ ０３ ２ ００／０
（． １东北电力大学信 息工程 学院 ，吉林 １２ １ ；２东北 电力大学电气工程 学院 ，吉林 １２ １ ３０２ ． ３ ０２）
【 摘 要 】在与通用 ＧＰ 接 收机 时域 串行搜 索捕 获算法比较的基础上 ，详细讨论 了基 于 Ｆ Ｔ的频域 圆周相 关算法原理 ， Ｓ Ｆ 分
析 了其理论模型 与软件 实现 ，并利 用 ＭＡ Ｌ Ｂ对 算法进行仿 真 实现 ，成功解算 出 Ｃ／ ＴＡ Ａ码 的初 始码 相位与载波 多普勒频移 。实 验证 明频域 圆周相 关算 法可以显著提 高 ＧＰ Ｓ信号的捕获速度 ，改善 ＧＰ Ｓ软件接收机的捕获性能 。
频 后 的 中频 ，％ 是 信 号 的 多 普 勒 频 移 和 初 始 相 位 ， ＋ 移动 （ ｃ／ ）。 ：ｏ ． ｏ 是
根 据 离 散 傅 立 叶 变 换 的 相 关 定 理 ，时 域 卷 积 对 应 频 域 相
乘，因此如果将时域的相关运算变换到频域上完成 ，则只需
对 接 收 的 伪 随 机 码 与 本 地 产 生 的伪 随 机 码 分 别 做 Ｆ Ｔ ， 其 Ｆ后 对
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接收机捕获算法的研究_高萌
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》 》
科研发展
如图1所示它是基于数字信号处理中 的卷积相关定理和循环相关定理实现并行 处理的，输入信号和本地产生的载波信号 相乘，本地载波信号生成l路分量及Q路分 量，两者可复合得到x(n)=I(n)+jQ(n)， 此结果再经过FFT变换。本地同时生成特 定卫星编号所对应的C/A码，并对C/A码 按采样频率进行离散化处理，对离散化 后的数据进行FFT变化，然后对其进行 共扼运算。将上述得到频域变量相乘， 得到频域的信号的乘积运算，再进行快 速傅里叶反变换，得到时域信号，即得 到时域的相关运算，相关值的具体运算 可通过快速傅里叶反变换结果的绝对值 得到，绝对值的最大值代表了输入信号 和本地C/A码最大的相关峰值，最大值 所对应的序号，即代表了输入信号C/A 码的初始相位。
Hale Waihona Puke 片的增量进行搜索，每个码相位搜索增 量对应一个码的分格；同理多普勒频移 通常以500Hz的增量进行搜索，每个多 普勒频移的增量对应一个多普勒频率分 格。捕获系统通常以一定的搜索策略沿 着一个方向对整个搜索空间进行搜索， 当输入信号和本地复制信号同步时，捕 获系统就能得到一个相关峰，如果相关 峰超过信号捕获门限值，那么就能判断 卫星信号存在，即可求得所捕获卫星的 多普勒频移和码相位的初步估值。 3.捕获方案 3.1 串行捕获方案 串行捕获算法是最为通用的一种捕 获算法。捕获算法基于本地生成的C/A码 及载波频率信号同卫星信号相乘，不同 的C/A码相对应不同的卫星编号，本地 码序列有确定的码相位，对应码片1到 1023码片，采样数据码相位同本地码序 列相乘；本地载波发生器产生正交l/Q 两路载波信号，两路载波信号同以上信 号再次进行乘积运算，再进行累计运 低压电源系统、弱电系统的信号、 视频及控制部分应设计多级电涌保护器 （SPD），SPD安装位置、型号、数量等 是否符合要求。特别要根据建筑物雷电 防护等级的规定在各防雷区的交界处设 置，并应标明电涌保护器的技术参数。 而不是简单地按照线路的走向来确定第 一、二、三级电涌保护器。例如很多处 于屋面的信息系统设备虽然在线路走向 上属于末端设备，但在电涌保护器的选 择上却应根据其所处的防雷区来确定， 往往应选择第一或第二。 4.供电系统 电子信息系统设备由TN交流配电系 统供电时，配电线路必须采用TN-S系统 的接地方式（GB50343-2004第5.4.1第2 条），但现在很多设计仍采用TN-C-S系 统的接地方式。 在TN系统中，PE或PEN线应与防雷 装置连接，引入各楼层的PE线应采用局 部等电位连接方式重复接地。 五、结语 防雷图纸审核工作是一项综合技 术性工作。可能有些设计人员对现行规 范更新掌握了解的不够及时，在施工图
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循环卷积的并行捕获算法 , 得到了可见卫星的 初始相位和多普勒频移。使用了超前滞后环和对相位反转不敏感的科斯塔斯 环分别对码相位和多普勒频移进行跟踪 , 成功 解调出导航电文。 关键词 GP S; 软件接收机 ; 捕 获 ; 跟踪 P228. 4 中图分类号
Research on Acquisition and Tracking in Software GPS Receiver
[ 1]
件进行信号
。本文通过软件实现 GPS 信号
处理( 即 A / D 变换尽可能靠近天线 ) 。如图 1 硬件 部分是天线 , 射频前端和 ADC。将数据采集存放 到 P C 的硬盘上后, 用软件进行捕获, 跟踪及定位 解算[ 3] 。
的捕获和跟踪算法, 证明了用软件实现基带算法的
2
GPS 接收机结构
头所组 成的图 形也 即为
此多播算法所产生的多播树。假设在多播过程中, 各个节点是并行进行消息传递的, 则上面的例子只 需要 4 个单位的时间就完成了到所有目的节点的 信息传递。在构造一棵最小生成树的过程中 , 辅助 数组中各分量值的变化如表 1 所示。
5
结语
本文针对局部扭曲立方体网络中出现节点故
障的情况, 提出了一个多播容错路由算法。多播容 错路由算法在设计时 , 基于最小生成树 Pr im 算法 的思想, 提出最优最短路径树算法, 通过算法求得 两点之间的最短路径并作为其权值存储 , 在构造过
图 2 频域并行搜索 算法结构示意图
的信号相关。 实验用的数据的中频是: 4. 123968MH z, 采样 频率是 : 16. 367667MH z。用并行码捕获方法得到 的结果如图 3, 从图中可以看出 2, 4, 10, 13, 17 号卫 星是当前可见的 , 并得出了码相位和多普勒频移。
考信号进行 自 相 关, 以
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引言
目前传统的 G计算出位置信息。 GPS 软件接收机 是对中频采 样信号用软
图1 GP S 软件接收机结构框图
进行信号处理。随着数字 信号处理 技术的发 展, DSP 芯片功能越来越强大 , 使得数字信号处理研究 重点主要放在软件算法上。 GP S 接收机也趋向用 软件去实现算法 可行性。
收稿日期 : 2009 年 1 月 15 日 , 修回日期 : 2009 年 2 月 10 日 作者简介 : 朱国良 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : GPS 导航定位 , 嵌入式系统设计 , 信号处理。
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舰船电子工程
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件接收机采 用串行捕获 技 术, 即 将 接收到的信 号与本地参
总第 179 期 2009 年第 5 期
舰船电子工程 Ship Electr onic Engineering
Vol. 29 No. 5 70
GPS 软件接收机捕获和跟踪算法研究
朱国良 陈小惠
南京 210003) ( 南京邮电大学自动化学院 摘 要
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研究了 GPS 软件接 收机的捕获和跟踪算 法 , 并在 matlab 平台上实现了 GPS 软件接收机 , 实现了快速的 基于
( 上接第 71 页) 差去调整本地载波的 相位。科斯塔斯环使 用 <= arct an Qk / I k 计 算相位误差[ 6] 。载波 跟踪环当前 I 路输出
图6 导航数据图 [ 2] Rinder , Bertelsen A Single Fr equency GPS Software Receiver[ R] . 2004 [ 3] B. M. Ledvina, S. P. Powell, P . M. Kintner, M. l. Psiaki, A 122 Channel Real 2 T ime GPS L1 Softwar e Re2 ceiver, ION GPS 2003 [ 4] Kai Borre, Dennis M. Akos, Nicolaj Bertelsen, P et er Rinder . A software 2 defined GPS and GALI LEO Re2 ceiver [ 5] 蔡凡 , 尹燕 , 张 秀忠等 . GPS 接收机 的中 频信号 处理 算 法研究 [ J] . 2007, 3 [ 6] Jin T ian, Qin H ongLei, Zhu JunJie, Liu Yang. R eal2 time GPS Software Receiver Cor relator Design. [ 7] 程佩青等 . 数 字信 号处 理教 程第 三版 [ M] . 北京 : 清 华 大学出版社 , 2007 [ 8] 张志勇等 . 精 通 Mat lab 6. 5 版 [ M] . 北京 : 北 京航天 航 空出版社 , 2003 [ 9] 余成波 等 . 数字 信号 处理 及 MATLAB 实现 ( 第二 版 ) [ M] . 北京 : 清华大学出版社 , 2008
n= 0
E y( n+
m) e- j 2 Pk( n+ m) / N
= X ( k) Y( k) 两个长度为 N 的有限序列 x ( n) 和 y( n) 卷积 的时域和频域表示分别是 :
N- 1
z( n) = Z( k) = =
m= 0 N- 1 N- 1 n= 0 m= 0 N- 1 m= 0
E x( m) y( n N- 1 - j2 P km/ N n= 0
图 2 多播 生成树
程中采用贪心策略选择最短路径 , 使得所构造的生 成树的总代价尽可能最优。通过实验数据表明 , 当 各个节点并行的进行消息传递时 , 能在最短时间内 完成所有节点的消息传递。
参考文献 [ 1] Fujinoki H , Chr istensen K. The New Shortest Best Path Tr ee ( SBPT ) Algor ithm for Dynamic Multicast Tr ee [ C] . The IEEE 24th Conference on Local Com2 puter Networks, 1999: 204~ 211 [ 2] Sha ikh A , Shin K G. Destination2 Driven R outing for Low 2 Cost Multicast [ J] . IEEE Journal Selected Areas in Communication, 1997, 15( 3) : 373~ 381 [ 3] Zhang B X , M ouftah H T. A Destination 2 Dr iven Shor2 t est P ath T ree Algorithm[ C] . IEEE Internationa l Con2 fer ence on Communications, 2002, 4: 2258~ 2262 [ 4] X F. Yang, Evans D J, Megson G M. T he loca lly twisted cubes [ J] . International Journal of Comput er Mathematics, 2005, 82( 4) : 401~ 413 [ 5] X F. Yang, Megson G M, Evans D J. Locally twist ed cubes ar e 42 pancyclic [ J ] . Applied Mathematics Let2 t ers, 2004, 17: 919~ 925 [ 6] X F. Yang, Evans D J, Megson G M, Liu Y X. Super fault2 tolerant hamiltonicity of some hypercube 2 like net2 wor ks[ J] . Submission to Networ ks, to appear
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GPS 信号的跟踪
经过捕获得到可见卫星的初始相位和多普勒
一定步长搜索所有可能的卫星多普勒与所有可能 的码相位, 当搜索到最大相关输出大于门限值时即 判断捕获到该卫星。但是串行捕获运算量非常大, 在软件接收机中采用这种技术实现很困难。因此 软件接收机需要采用并行捕获技术。并行捕获技 术是利用傅立叶变换的特性, 将时域信号转换到频 域, 将时域相关计算转换到频域的乘法运算, 减少 了计算量。所以本文采用的是并行码捕获算法 [ 4] , 如图 2 所示。 长度 N 的序列 x ( n) 的离散傅立叶变换为:
在 GPS 硬件接收机中, 天线接收到的信号被
[ 2]
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GPS 信号的捕获
采用捕获算法是为了搜索到可见卫星并计算
滤波和下变频到中频信号, 然后进行数字化 。接 着在芯片中进行相关, 在相关运算之后, 把信号分 解到多个通道进行解调。解调出导航信息之后经
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出可见卫星的初始相位和载波频率。 GP S 信号的 捕 获方法有串行捕获和并行捕获两种。 传统的硬
ceiver was implemented on MATLAB platform. A fast parallel acquisition algor ithm based on cyclic convolution was imple2 mented , the visible satellites and coar se values of ca rr ier frequency and code phase of the satellite signals are got . Ea rly 2 lat er code t racking loop and Costas phase lock loop were used to tr ack codephase and Doppler fr equency shift, r espectively. So the navigat ion dat a could be demodulated. Ke y w ords GPS, soft war e receiver , acquisit ion, tr acking P228. 4 Class Num be r