GPS系统仿真

GPS系统仿真实验报告

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指导教师：***

一、实验目的：

分析扩频码的构成原理，基于MATLAB 产生GPS 信号，并进行调制传输，接收解调，最终建立完整的GPS 系统并对接收的结果进行分析。 二、实验原理：

扩频通信：扩频通信的基本理论依据是信息论中的香农公式

)1(log 2N

S W C +

= 其中,C 是信道容量(bit/s),砰是信道带宽,S 是信号的平均功率,N 是噪声功率,香农公式表明了在给定信噪比的情况下,只要采用某种编码系统就能以任意小的差错概率,以接近于C 的传输速率来传送信息。扩频序列采用的是伪随机序列,伪随机序列具有尖锐的自相关性,近似为零的互相关性这一特点。基于这一特性,可以通过检测本地伪随机序列与原伪随机序列的互 相关峰值的大小来捕获伪随机序列。伪随机序列包括m 序列、Gold 序列、M 序列和组合序列等。GPS 信号中所使用的是一种组合Gold 序列(C/A 码/P 码)。 三、实验内容：

1、GPS 信号产生：GPS 卫星同时发射 L1、L2 两路扩频信号，载频分别为 1575.42Mz 、1227.6MHz ，L1 信号将导航电文分别用 C/A 码和 P 码进行扩频。GPS 卫星的导航电文(D 码),是一组二进制的数码序列,它与编码脉冲相对应,以数字通讯方式传递给用户。当数码取“0”时,对应的编码脉冲状态取“+1”而码值取“1”,对应的编码脉冲取“-1”,即反像编码。L2波段上只传送P 码,P 码是加密码,普通用户无法接受和使用。C/A 码与P 码采用的也是反像编码方式，因此,当C/A 码或P 码与D 码进行模二和(异或运算)时,表现出来的是码元异或,而波形相乘。

2、C/A 码结构：C/A 码是一种Gold 组合码,由两个10级反馈移位寄存器组合产生,可以表示为)()()(021τi N t G t G t G +⊕=其中0τ为码元对应的时间：1/1023ms ，i N 为相位偏置的码元数。C/A 码的产生如下图所示：

10311)(t t t G ++=

109863221)(t t t t t t t G ++++++=

3、P 码：P 码是由两组各有两个12级反馈移位寄存器结合产生的,而每一组反馈移位寄存器又是由两个12级的m 序列发生器组合而成的。因此,P 码仿真模型需用4个m 序列发生模块PN sequence Generator 产生,PN1和PN2组成1X 子码发生器;PN3和PN4组成2X 子码发生器。又因为C/A 码与P 码采用的均是反像编码方式，所以同一组内及两组间的m 序列模二和(异或运算)时,表现出来的也是码元异或,而波形相乘1X 后接一个移位寄存器使P 码延时一个基码，仿真电路如下图所示。P 码仿真频率设为l0.23MHz,仿真时间设为0.1ms ，子码a X 1系数为[1100101000001],b X 1的系数为[1111100100111],a X 2的系数为[1111110111011],b X 2的系数为[1001100011101]。

4、系统框架及实现：GPS 信号是数据码经扩频码.载波两次变频调制而成的,由卫星负责信

号的发射;通过有噪信道的传输进入接收端;接收端负责信号的接收、捕获和跟踪,GPS 仿真系

统结构图如图所示。

5、

系统基本框架 6、GPS 信号的捕获与跟踪：信号捕获的目的是为了粗略的确定C/A 码在数据块中的起始位置、载波频率和码相位。信号跟踪的目的是为了获得精确的载波频率和码相位,并且当载波频率和码相位出现一定变化时,能够使本地载波频率和本地C/A 码相位跟踪上这种变化。信号跟踪分为载波频率/相位跟踪和码相位跟踪。捕获和跟踪的实质都是一种对发射信号参数的估计。捕获是在不具备接收信号参数准确值的信息情况下,对接收载波频率和发送码字及相位的粗略估计,跟踪的实质也是一种对发送信号参数的估计,是在具备对接收载波频率和发送码字相位的粗略估计的信息的前提下,使用更好的估计手段,对发送信号的载波频率/相位和发送码相位的更精确估计。如果接收到的信号和本地复现信号的相位完全对齐,那么在相关过程中将会出现最大的峰值;但如果相位不完全对齐,只要偏移在一个码片内,仍然可以得到一个较大的峰值,所以捕获过程只能给出载波频率和码相位的一个粗略估计。捕获/跟踪过程中最重要的是实现两个同步:1.码元同步2.载波同步。在跟踪环节,码元同步负责信号解扩,载波同步负责信号解调。此外,由于是软件仿真,两者还肩负着信号的捕获工作。接收信号进行的处理框图和C/A 码的捕获跟踪实现如下图所示：

s(t ) 数据源 编码器 m 序列

发生器

发射机 射频 振荡器

{a n } d (t )

c (t ) cos(2πf 0t +ϕ0) 中频 滤波器

VCO

m 序列 发生器

射频 滤波器

R (t )

r (t )

v (t ) 至数据 检测器

2cos[2π(f 0+f IF +)t +]

(b)

(a)

接收后进行的函数处理

C/A码的捕获和跟踪实现框图

码元同步：当捕获到卫星信号后,本地码的频率和相位与接收到的码元存在较大的误差,因此必须进行调整,以达到本地码与卫星信号C/A码同频同相，这个调整过程由码跟踪环来完成,称之为相关接收或解扩。

四、实验结果：

用m文件实现GPS系统的信号发送以及接收部分的仿真，产生两种伪随机序列后分别对两路信号进行调制，然后对C/A码进行捕获和跟踪，对得到的子帧进行识别再计算星历数据和伪距以及卫星的位置和用户位置。得到的波形如下图所示,其中图2是svn=10的C/A码序列在码相位和载波频率二位平面上搜索的相关峰值：