中频GPS信号仿真器的开发和验证教案.ppt

中频GPS信号仿真器的开发和验证 中频GPS信号仿真器的开发和验证 目的：开发和验证数字化中频GPS信号仿真器 背景 主要介绍了用硬件实现接收机的缺点，和采用软件方法实现接收机的优点 在传统的接收机中，前端和数字信号处理的一部分（如关联和积累）是由硬件实现，而数字信号处理的其他部分是由软件实现的。而软件GPS接收机主要是由软件实现，它提供了各种优势。 软件的方法消除了硬件接收机 缺点，提供灵活性，提供了有效的模拟环境。 大纲 GPS信号 中频GPS信号仿真模型 软件GPS接收机的设计 软件GPS接收机的验证 仿真器的验证 需要进一步研究的项目 GPS信号的结构 GPS信号由三部分组成： 载波：频率为fL1（1575.42MHz）和fL2 （1227.60MHz）射频正弦信号为载波 导航数据 ：包括卫星轨道相关信息 扩频序列：每个卫星都有两个唯一的扩频序列或扩频码，一个是C/A码，另一个是P（Y）码。 C/A码是1023码长的序列，码速率是1.023MHz；P码长度更长，速率10.23MHz。 C/A码只在L1载波上调制， P码在L1和L2上调制。 在频域中的L1 C/A码信号 GPS接收机 首先是天线，其后面是一个前置放大器，是用来接收射频GPS信号的。天线之后是前端，它进行下变频，滤波，和RF信号到中频信号的数字化转换。接下来的部分是信号处理，它包括捕获，跟踪，产生的伪距的导航电文数据的解调和载波相位测量，以及星历。最后一部分是导航处理，用以获取用户的位置和速度的解。 传统的GPS接收机功能模块图 六种误差 中频GPS信号仿真的推导 该仿真模型的推导是沿着实GPS信号的传播路径。它从卫星中的GPS信号产生器开始，通过电离层和对流层时，就对此进行了跟踪，接收机天线接收到了信号并且最后在前端进行了信号处理。 数字化中频GPS信号仿真器的实现 数字化中频GPS信号仿真器的实现是通过对各个模块进行仿真来实现的。分别包括 幅度模型的仿真 导航数据的仿真 C/A码模型的仿真 信号传输时间和多普勒的仿真 卫星时钟误差模型 电离层误差模型 对流层误差模型 噪声的模拟 软件GPS接收机 软件接收机是由信号捕获，信号跟踪，子帧同步和导航处理部分构成 。 信号的捕获 信号的捕获是一个粗同步过程，它提供给了伪随机码偏移和载波多普勒粗略的估计 。该方法是基于接收信号与本地产生的伪码序列及本地载波的乘积，如下图。 信号的跟踪 捕获产生了载波多普勒和输入信号的码偏移粗估计。控制交给了跟踪环，它的函数去跟踪载频多普勒以及卫星和接收机之间的可视动态码偏移量的跟踪变化。位和子帧同步在一起，可以得出精确的伪距和载波相位测量。该跟踪环的另一个重要作用是解调导航数据以获得从定位卫星计算得到的星历。 为了跟踪输入的GPS信号，通过本地产生的载波和代码来匹配载波相位和代码偏移。因此，FLL和 PLL锁定的状态对于信号跟踪的是必须的。 位同步和子帧同步 用直方图的方法来表述GPS软件接收机的位同步。这个方法把数据位周期分成20个C/A码周期，且能感知连续周期符号的变化。对于每个感知的符号变化，相应的直方图单元数会加，直到一个特定的计数单元数增超出其他的19个。 GPS导航电文帧结构如图4.13。每帧分为5个子帧。每个子帧分为10个的带有两个作为遥测（TLM）的字和移交（如何）字的引导字30位字 。 导航电文 软件接收机验证方法 软件GPS接收机进行验证的过程开始于在一个已知的位置实中频GPS数据的捕获；然后反馈数据给软件接收机；通过接收机跟踪环采集伪距和多普勒效应的测量；计算接收机位置；并且，最后用计算得到的位置与已知位置信息相比较。 如果软件接收机的位置误差大于10米，它被认为是合理的。 仿真器验证方法 仿真器操作的验证是通过分析模拟信号，以及模拟信号与实GPS信号在时域，频域，测量和位置域的比较进行的。 为了获得信号功率谱，对模拟的和实中频GPS信号进行了FFT变换，这样它们可以在频域中进行对比。模拟信号反馈给接收机，用于进行采集和跟踪，最后由跟踪环获得的原始测量数据计算出接收机的位置。所有这些结果要与实中频GPS信号产生的相比较。 时间域验证 相关域中的验证 输入信号及复现代码和载波的定位是基于两个信号的相关值。模拟信号和信号分接头获得的信号有相同的多普勒效应。 模拟信号比实信号有更大的信噪比，但是相对信号能量与实信号一致。因此，在相关域模拟信号与实信号有相似的性质。 跟踪结果比较 数据位的比较 载波噪声比的比较 延迟锁定环探测器的比较 多普勒效应比较 伪距的比较 位置域的比较 需要进一