GPS軟件接收機

1、 GPS軟件接收機就是軟件無線電的思想在GPS上的實現(xiàn)，其基本思想是在接收機盡可能靠前的部分用A/D轉(zhuǎn)換器將輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過軟件編程來實現(xiàn)GPS的各種功能。軟件接收機的定義軟件接收機的結(jié)構(gòu)天 線（ 硬 件 ）通 道 1IF（ 硬 件 ）通 道 2通 道 N數(shù) 字信 號處 理射 頻 前 端芯 片TC XO基帶控制（ 軟 件 ）RF導(dǎo)航解算通 道 1通 道 2通 道 N數(shù) 字信 號處 理基帶控制（ 軟 件 ）導(dǎo)航解算傳 統(tǒng) GPS接 收 機GPS軟 件 接 收 機 GPS軟件接收機的基帶數(shù)字信號處理部分是接收機的核心，依次完成捕獲、跟蹤、載噪比估計和比特同步，接著從數(shù)字信號中解調(diào)出定位

2、所需要的時間和導(dǎo)航信息。它基于碼NCO計算出偽距，基于載波NCO計算出載波相位和整周數(shù)。GPS信號分別在不同的通道中進行處理。每一個可見衛(wèi)星都被分配一個通道，能同時跟蹤的衛(wèi)星的數(shù)目由接收機的所具有通道數(shù)決定。捕 獲輸 入信 號碼 跟 蹤載 波 跟 蹤導(dǎo) 航 數(shù) 據(jù)解 調(diào)偽 距計 算信 號 通 道輸 出信 號軟件接收機與硬件接收機的比較傳統(tǒng)傳統(tǒng)GPS硬件接收機硬件接收機基于專用硬件（ASIC）具有較高的靈敏度和信號處理速度靈活性差，定型后便無法改動SGR (Soft-Defined GPS Receiver) 軟件算法替代專用IC芯片軟件可適用于大部分的通用處理器、可修改 主要優(yōu)點主要優(yōu)點：靈活

3、性好；快速的開發(fā)和實現(xiàn)；適應(yīng)于各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；軟件模塊可重復(fù)使用；可供教育、研究機構(gòu)研究測試新的軟件算法，評估接收機性能；還可以用來實現(xiàn)比較復(fù)雜的算法。軟件接收機發(fā)展階段第一階段(基于MATLAB的算法仿真)GPS天線天線與采樣器 接口GPS中頻信號 采樣器采樣器與PC接口（USB）基于PC的 信號處理第二階段（基于PC的軟件接收機系統(tǒng)）GPS天線天線與DSP的 接口 嵌入式信號處理平臺第三階段（嵌入式軟件接收機系統(tǒng)） MATLAB（易于工程上的仿真實驗，方便進行數(shù)字信號處理） PC平臺（穩(wěn)定，容易開發(fā)代碼和調(diào)試，代碼移植性好） FPGA（易于實現(xiàn)各個模塊的并行執(zhí)行，提高處理速度） DSP（

4、專業(yè)的數(shù)字信號處理芯片，速度快，功耗低，體積?。┸浖邮諜C中的信號處理捕獲輸入信號碼跟蹤載波跟蹤導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)偽距計算信號通道輸出信號 捕獲：衛(wèi)星號、載波的多普勒頻移、碼初始相位 跟蹤：碼相位、載波頻率、載波相位、導(dǎo)航信息 解算：計算偽距、衛(wèi)星位置、用戶位置GPS信號結(jié)構(gòu) GPS信號主要由以下三個部分組成：1、載波信號，載波鏈路1（L1）和載波鏈路2（L2）。L1的中心頻率是1575.42MHz，L2的中心頻率是1227.60MHz。2、擴頻序列。每顆衛(wèi)星都有兩個唯一的擴頻序列，第一個是粗捕獲碼C/A碼，另一個是加密精確碼P(Y)碼。C/A碼是一個碼長為1023個碼片，碼周期為1ms，碼速率為1

5、.023MHz的周期性序列。P碼長度約為2.351014個碼片，碼速率為10.23MHz，且在每次GPS周開始時（即在周六/周日子夜）重復(fù)。C/A碼在L1載波上調(diào)制，P碼在L1和L2載波上均有調(diào)制。3、導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文是GPS信號中調(diào)制的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)速率為50bps，所以每一個數(shù)據(jù)位的長度是20ms。導(dǎo)航電文的作用是提供衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)和歷書數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用來計算衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置和速度。GPS信號的產(chǎn)生 衛(wèi)星發(fā)射信號的所有信號分量，包括：L1載波、L2載波、調(diào)制在載波上的C/A碼、P碼和數(shù)據(jù)碼。這些信號都是根據(jù)同一基本頻率10.23MHz產(chǎn)生的，并且各信號分量的頻率之間都存在比例關(guān)系，這對于發(fā)射

6、信號和接收信號的同步是十分有利的。GPS衛(wèi)星的偽隨機碼是利用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的。由于偽隨機碼的幅值只取0或1，如果碼值取0時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為1；而碼值取1時，對應(yīng)的碼狀態(tài)為1。載波和相應(yīng)偽隨機碼的碼狀態(tài)相乘后，便實現(xiàn)了載波的調(diào)制。調(diào)制過程中，當(dāng)載波與碼狀態(tài)1相乘時，載波相位不變，而當(dāng)與碼狀態(tài)1相乘時，其相位改變180度。所以當(dāng)碼相位從0變?yōu)?或從1變?yōu)?時，都將使載波相位改變180度。載波的產(chǎn)生 GPS 信號中的C/A碼，其實是一種偽隨機碼，是由兩個10級的反饋移位寄存器（G1、G2）產(chǎn)生的，并由1.023MHz的時鐘來驅(qū)動。其結(jié)構(gòu)如左圖所示。因為G1和G2中的兩個移位寄存器都為10比特長

7、，所以產(chǎn)生的碼序列長度為210-1=1023比特。再將移位寄存器的輸出G1和G2進行異或計算得到C/A碼。碼相位分配表 前32個碼相位分配左如表所示。第一列為衛(wèi)星識別號，第二列為第1到第37號的衛(wèi)星PRN碼序號。衛(wèi)星G2產(chǎn)生器的碼相位選擇如第三列所示。第4列展示了以碼元數(shù)表示的碼延遲。最后一列顯示了每個衛(wèi)星所產(chǎn)生的C/A碼的前10個位，是用八進制形式表示的，可以用來核查產(chǎn)生的碼是否正確。GPS信號的捕獲 信號捕獲的目的是確定接收機當(dāng)前所在位置的可見衛(wèi)星號，進而計算出可見衛(wèi)星的載波頻率和偽隨機碼相位信息。捕獲原理：捕獲原理：偽隨機碼C/A的相關(guān)特性捕獲過程需要為后續(xù)的跟蹤確定信號的兩個特性參數(shù)：

8、1、相對精確的載波頻率2、C/A碼周期的起始位置GPS信號的捕獲原理 GPS信號捕獲實際上是一個兩維的搜索過程。碼相位的搜索范圍與本地碼相聯(lián)系，而多普勒搜索范圍與本地載波相聯(lián)系。一個碼片的步進和一個多普勒的步進組成了一個搜索單元，如圖所示。碼搜索空間包括所有可能的碼相位值，所有的1023個C/A碼相位都要被搜索到?？紤]到接收機動態(tài)情況，由于多普勒頻移最大在10kHz范圍內(nèi)變動，因此在標(biāo)稱中頻范圍附近正負(fù)10kHz的范圍內(nèi)，以500Hz的頻率的步進進行搜，所以在接收機靜止的情況下，需要進行21次搜索多普勒搜索范圍多普勒步進一個碼片搜索單元碼長：碼相位搜索范圍GPS信號的捕獲算法串行搜索捕獲（Se

9、rial Search Acquisition）并行頻域搜索捕獲（Parallel Frequency Space Search Acquisition）并行碼相位搜索捕獲（Parallel Code Space Search Acquisition）GPS信號的捕獲算法射 頻前 端本 地 C/A碼 產(chǎn) 生 器本 地 載 波 相 關(guān)（ ）2（ ）2ky LctIQPQPI22()PPE IQ/2相 移相 關(guān) r t天 線 本地C/A碼產(chǎn)生器傅立葉變換輸入信號2輸出GPS信號捕獲算法GPS信號的跟蹤 跟蹤目的：跟蹤目的： 得到更為精確的碼初始相位和載波頻率，然后從跟蹤到的衛(wèi)星信號中解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)

10、。主要目的是提高所捕獲到的C/A碼的相位和載波頻率的精度，并在信號隨著時間變化的時候保持接收機本地復(fù)制信號與輸入信號的準(zhǔn)確同步，進而去除信號中的載波和偽隨機碼得到導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。跟蹤主要包括碼相位和載波相位的跟蹤。信號跟蹤是連續(xù)運行的，如果被跟蹤的哪一顆衛(wèi)星出現(xiàn)失鎖，必須對這顆衛(wèi)星重新捕獲一次，使得接收機能夠恢復(fù)對這顆衛(wèi)星的跟蹤狀態(tài) 跟蹤的方法跟蹤的方法： 用DLL跟蹤C/A碼的相位，用PLL跟蹤載波的頻率和相位。（鎖相環(huán)的基本原理）導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解調(diào)方法載波跟蹤原理 載波跟蹤有很多種方法，常用的有平方環(huán)、科思塔斯環(huán) 等。由于GPS信號有導(dǎo)航電文的翻轉(zhuǎn)，相位將會變化180。所以，我們采用科斯塔斯環(huán)來

11、實現(xiàn)載波鎖相環(huán)。碼的跟蹤原理0.5 碼片0.5 碼片即時碼早碼晚碼-111-1-11ttt碼的跟蹤原理圖 具有六個相關(guān)器的碼跟蹤 原理圖跟蹤原理圖 載波跟蹤環(huán)和碼環(huán)的耦合改進后的耦合原理圖跟蹤結(jié)果01002003004005006007008009001000-1500-1000-5000500100015002號 衛(wèi) 星 的 I路 輸 出Time (ms)01002003004005006007008009001000-1500-1000-5000500100015002號 衛(wèi) 星 的 Q路 輸 出Time (ms)GPS信號的導(dǎo)航解算導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解調(diào)方案 通過子幀同步和奇偶校驗，就可以將輸出

12、信號轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航數(shù)據(jù)。從子幀中可以得到星歷數(shù)據(jù)，根據(jù)星歷數(shù)據(jù)可以確定衛(wèi)星的位置。接收機到衛(wèi)星的偽距也可以確定。只要獲得了必要的信息，就能計算出衛(wèi)星的位置和用戶的位置。最后，將用戶的位置轉(zhuǎn)換到需要的坐標(biāo)系統(tǒng)中導(dǎo)航數(shù)據(jù)位處理位轉(zhuǎn)換時間和位值的確定同步頭的定位（子幀同步）導(dǎo)航電文的奇偶校驗導(dǎo)航電文星歷解析位轉(zhuǎn)換時間和位值的確定 由于導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)速率是50bit/s，當(dāng)其中一位導(dǎo)航比特位傳輸起點確定了，每間隔20ms就可以找出下一導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特的起始位置時刻了。正如前面所敘述，基帶信號解調(diào)給出的信號速率是以每ms為一位進行輸出的，找到比特位傳輸起點后，就需要將20ms的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行求和再平均，當(dāng)其平均值

13、大于零，把導(dǎo)航數(shù)據(jù)的比特位值定為1，對于平均值小于零的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，把其比特位值定為-1。據(jù)此實現(xiàn)了從跟蹤環(huán)路中得到的1000bit/s的導(dǎo)航數(shù)據(jù)流，轉(zhuǎn)換為了50bit/s的導(dǎo)航電文比特值。同步頭定位 子幀的起始位置是由 8比特長的同步頭標(biāo)記，格式為 10001011。由于科斯塔斯環(huán)具有跟蹤信號1800 相位翻轉(zhuǎn)的能力，該同步頭可能是以其反碼 01110100的形式出現(xiàn)。這兩組數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)在接收數(shù)據(jù)的任意位置，必須進行額外檢查對同步頭進行確認(rèn)。由于導(dǎo)航電文中一個子幀的時間長度為6s，因此對子幀起始位置的前同步位的檢測時間間隔以6s為一單位進行檢測。 同步頭的搜索是通過相關(guān)來完成的。相關(guān)函數(shù)的第一個

14、輸入是接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特序列，用1 和-1 來表示。第二個輸入是 8比特的同步頭，同樣也用 1和 -1來表示。當(dāng)使用-1 和1 代替 0和1 時，同步頭出現(xiàn)時相關(guān)性函數(shù)的輸出為8 ，同步頭的反碼出現(xiàn)的相關(guān)函數(shù)輸出為 -88導(dǎo)航電文的奇偶校驗 成功實現(xiàn)了導(dǎo)航電文的子幀同步后，還必須對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行奇偶校驗，通過奇偶校驗來檢查導(dǎo)航數(shù)據(jù)中的誤讀位23。長度為6s子幀包含了300bit的導(dǎo)航電文，共10個導(dǎo)航字，每個字占有30bit。每30bit的導(dǎo)航字中有24bit為數(shù)據(jù)，另外6bit為奇偶位。奇偶校驗通過導(dǎo)航字中的D30恢復(fù)信息，D1D30是衛(wèi)星實際傳輸信息，D1D24是一個字中的前24bit，D

15、25D30為后6位奇偶校驗位，D29*和D30*是前一個字的最后兩位奇偶校驗位。d1d30是校驗前原始數(shù)據(jù)位。則對于前24位有*252912356101112131417182023*263023467111213141518192124*27291345781213141516192022*283024568DDddddddddddddddDDddddddddddddddDDddddddddddddddDDddddd91314151617202123*2930135679101415161718212224*3029356891011131519222324dddddddddDDdddddd

16、dddddddddDDddddddddddddd*30iiDdD當(dāng)?shù)玫降腄25D30和d25d30相同時，通過奇偶校驗，否則奇偶校驗失敗，判斷讀取的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)出錯。導(dǎo)航電文星歷解析 通過奇偶校驗得到衛(wèi)星真實發(fā)送的導(dǎo)航電文，經(jīng)數(shù)據(jù)驗證證實了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)GPS接口控制文檔ICD-GPS-200C（1993）的定義， 可參照星歷數(shù)據(jù)的原始編碼表進行解碼，以獲取我們需要的星歷、歷書等信息。主要獲取信息有：1、播發(fā)時間的確定：在導(dǎo)航電文中，通常發(fā)送的信息包括播發(fā)時間衛(wèi)星星歷參數(shù)等信息；2、星歷參數(shù)解碼：根據(jù)GPS接口控制文檔ICD-GPS-200C（1993）的定義，可按星歷參數(shù)表進行解碼。接收機位置解算 偽距和導(dǎo)航衛(wèi)星位置坐標(biāo)都知道的前提下，即可計算出接收機的位置坐標(biāo)。理論上輸入衛(wèi)星的位置和偽距，由下式即可求解出位置坐標(biāo)：2221111222222222233332224444()()()()()()()()()()()()uuuutuuuutuuuutuuuutxxyyzzcbxxyyzzcbxxyyzzcbxxyyzzcb式中i表示偽距，（xi, yi, zi）為衛(wèi)星坐標(biāo)，i=1，2，3，4。（xu, yu, zu）表示接收機坐標(biāo)，but表示用戶時鐘誤差，c為光速。 多于4顆衛(wèi)星位置求解 最小二乘法問題的數(shù)學(xué)描述為給出了一個