GPS简化版 2.doc

目 录 第一章．GPS信号捕获与跟踪 2 1.1信号的捕获 2 1.1.1理论基础 2 1.1.2 实验内容 5 1.2信号的跟踪 9 1.2.1理论基础 9 1.2.2实验内容 12 第二章：跟踪结果转换为星历数据 16 2.1理论基础 16 2.1.1检验追踪结果 18 2.1.2 子帧匹配和奇偶校验 18 2.1.3 解码星历表 20 2.2实验内容 23 第三章．定位方案实现 25 3.1 理论基础 25 3.1.1求伪距观测量 25 3.1.2求卫星的位置和卫星时钟修正项 27 3.1.3 实现定位方案 32 3.1.4 ECEF坐标系到大地坐标系的转换 39 3.1.5 ECEF坐标系到UTM坐标系的转换 40 3.2实验内容 42 3.2.1求伪距观测量 42 3.2.2求卫星在ECEF坐标系中的坐标位置 43 3.2.3最小二乘法求接收机位置 44 第一章．GPS信号捕获与跟踪 1.1信号的捕获 1.1.1理论基础 1.捕获的原因： (1) CDMA系统所有信源共用相同的载波频率和信道时间，来自不同的信号源的信号在接收机天线处混合，所以必须知道目前接收的信号来自哪些卫星，才能对其进行跟踪并解码。 (2) 伪随机码（C/A码）的引入使信号频谱展宽，相应地信号的功率就降到很低的水平，有可能被噪声“淹没”，所以必须通过信号捕获将微弱信号从噪声中提取出来。 (3) 根据CDMA信号的特点，必须利用伪随机码的强自相关性才能实现信号的跟踪和数据的解调，所以只有进行信号捕获找到正确的伪随机码相位并得到相关峰，才能知道接收到的信号中包含该伪随机码调制的信号。 (4) 由于卫星是时刻运动着的，与接收机之间往往存在相对运动，这就产生了多普勒效应，使得接收机接收到的载波频率与卫星发射的载波频率不一致，因此要通过信号捕获解决载波模糊的问题。 从捕获的原因可知，捕获所需解决的问题是： (1) 信号中存在哪些卫星信号，即存在哪些PRN伪码调制的信号？ (2) 对于每一个存在的PRN伪码信号，多普勒频移是多少？ (3) 对于每一个存在的PRN伪码信号，伪码相位是多少？ 2基于硬件相关器的信号捕获 图1.1 硬件相关器的基本结构. 图1.1给出了GPS接收机常规的硬件相关器的基本结构。 可以看出，硬件相关器包括本地载波发生器，本地伪码发生器，I路和Q路乘法器，积分器以及相应的控制电路。进来的信号是RF射频前端输出的经ADC采样的中频数字信号，首先和本地载波的sin()和cos()分量相乘，得到I和Q分量，然后再分别和本地伪码在某个伪码相位处作相关运算，最后由积分器给出积分结果，积分器的时间为1ms的整数倍，就是整数倍的C/A码的周期。控制电路控制本地载波的频率，在某一个固定载波频率处，滑动本地伪码相位，相位滑动的范围从1—1023个码片。对于每一个载波和伪码相位，I和Q相关器输出相关结果。如果在当前载波频率值，完成所有1023个码片的相关运算还没有得到超出阈值的尖峰，就改变当前载波频率，然后再重复所有1023个伪码相位的有哪些信誉好的足球投注网站。这里描述的步骤就是针对某一个PRN码的二维有哪些信誉好的足球投注网站。当完成当前所有可能的载波频率和伪码相位依然没有满足要求的相关尖峰出现时，则说明当前接收的信号不包括该PRN伪码，于是控制逻辑就要考虑改变当前的PRN码。 3基于FFT算法的信号捕获原理 如果把图1.1中的输入中频信号和本地载波发生器的同相分量和正交分量相乘的结果看做是中间变量和，即 （1.1） （1.2） 而本地伪码发生器的输入看做一个本地信号，则I路和Q路的积分器的输入量为 （1.3） （1.4） 其中对应某一个伪码相位。 此时同相路和正交路的积分器输出的相关结果分别为 （1.5） (1.6) 观察上面两式，可以发现它们的卷积的表达式很相似。我们知道，两个信号x(t)和y(t)的卷积表达式为 （1.7） 由信号和系统的理论可知，时域的卷积对应于频域的相乘，频域的卷积对应时域的相乘，所以计算x(t)和y(t)的卷积可以先计算x(t)和y(t)的傅里叶变换X(f)和Y(f),然后再对其频域内的乘积X(f)Y(f)进行傅里叶逆变换，从而得到时域的卷积，这样做的目的是可以利用快速傅里叶的算法减少运算量。式（1.5）和（1.7）的相似性使我们很自然的想到是不是可以把同样的方法运用到GPS信号捕获中相关结果的计算上。对（1.5）做傅里叶变换，得到 = = = （1.8） 这里和分别是和的傅里叶变换，是的复共轭。对式（1.6）做同样的处理可以得到类似的结论，即 (1.9) 从式（1.8）可以看出，为