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—04
VO1.15NO.4
Aug.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 Realizationofacquisitionandtrackingalgorithmsfor
GPSsoftwarereceiverbasedonMA TLAB
CHENXi—yuan,ZHANGKun—peng (SchoolofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:AcquisitionandtrackingalgorithmsforGPSsoftwarereceiverwerestudied.AprototypeofGP Ssoftware receiverthatrunsonPCWasdevelopedbasedonMatlabplatformandRFfront—end.ThestructureofGP Ssoftware
receiverandthedatacollectionhardwarewerepresented.Theprope~iesandgenerationprincipleandacq uisition
processoftheGPSC/Acodewerediscussed.Sincetheconventionalserialsearchingalgorithmisslowan d
consideringthedemandofhighdynamicGPSsoftwarereceiver,afastparalleltrackingalgorithmbasedo
ncyclic
convolutionWasimplementedinthesamplereceiver,andearly-latercodetrackingloopandCostasphas elockloop
wereusedtotrackcodephaseandDopplerfrequencyshift,respectively.Sothenavigationdatacouldbede modulated. SimulationsandexperimentsshowthattheideasofsignalprocessingusingGPSsoftwarereceiverprovid emore
flexibleinalgorithmsprocessingandsoftwareupdatingforusers,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:****************.ca
424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.1ArchitectureofGPSsoftwarereceiver
2GPSC/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/Acode
2.2GPSC/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一1
z()=∑()+)(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
∑
Ⅳ
e
,
/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【.】:
.=12222
㈦(
+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.5Codeandcarriertrackingloop
l路输出
0501001502130
时间/ms
图6超前滞后码环跟踪结果
Fig.6Trackingresultswithearly—latecodeloop
巨l
86420
426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～————————————————————6J
Ji}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.
3000
2000
1000
.
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-frequency
offsetwit1lCostasloop
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.8Navigationdatademodulatedbytrackingloop
4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.
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