中频数据模拟软件开发报告

中频数据模拟软件开发报告

作者：李子月

2012-7-10

第1章绪论

1、1软件编写背景、意义

卫星导航和惯性导航是现在运用最为广泛的两种导航模式，两种导航模式具有性能互补特性，GPS/INS组合导航是一种比较理想的导航模式。松组合、紧组合中两种系统相互辅助不够密切，并且理论上存在一定的误差，系统性能不够稳定，1999年被提出的GPS/INS深组合导航是现在国际上的研究热点。

GPS/INS深组合导航理论上不同于松、紧组合模式，在数据同步、数据处理、误差分析、状态估计方面都存在难点，硬件实现非常困难。现在国外从事深组合研究的除了一些先进研究所以及军工单位搭建了硬件测试平台，大部分都是处于半实物仿真阶段；国内研究由于技术上受到种种限制，科研主要以仿真为主，其中，国防科技大学、哈工大、北航等导航基础较强的高校有的实验室搭建了简易的半实物仿真平台。

由于深组合导航算法复杂，需要用到I、Q相关数据和惯导数据进行数据融合，并且数据同步难以实现，所以对数据要求也很高，真实数据有时难以满足软件需要，特别是在理论研究的初期，仿真数据的优势远大于真实采集数据。除此之外仿真中频数据还有其他方面的优势：

（1）可以仿真现实中难以获得的运动轨迹数据。以高动态导航为研究背景的科研工作者很难获取高速、高动态载体的卫星数据，软件仿真中频数据可以仿真任意飞行轨迹参数下的数据。

（2）可以任意设定信噪比，以及可以捕获到的卫星数目，这就方便了弱信号跟踪、抗干扰等技术的研究。

（3）仿真的中频数据由于所有参数都是人为设定，科研人员就可以清楚的知道实验的理论值，方便了误差分析。

不但在GPS/INS深组合研究中仿真中频数据具有很大的优势，在很多领域仿真中频数据都是一个很好的选择。国外很早就有了GPS中频数据仿真的matlab 工具箱，但是价格十分昂贵，国内的很多实验室都开发了自己的仿真软件。

1、2 软件的功能和系统概况

本软件是全部采用matlab语言编写，基本功能就是仿真出可供软件接收机识别并处理、解算出位置、速度等信息的数据。基于本软件有些参数和数据可以

任意选取，具体如下：

（1）仿真中频数据必须采用RINEX格式的导航电文文件，其中包含了固定时间段之内的数据解算卫星信息，这种数据文件时可以任意选取的。

（2）载体的轨迹信息可以任意设定，其中包含了载体的位置、速度以及加速度，并且要根据载体位置以及选取的仿真时刻确定可见星。

（3）仿真数据的信噪比可以在一定范围之间任意设定，同时还可以设定电离层延迟、对流层干扰、多径效应等误差源模型。

软件主要分为导航电文文件数据读取、卫星信息以及多普勒计算、卫星数据生成三部分组成，其中卫星数据读取中还包含改进的十进制转二进制、奇偶校验位计算、导航位编排等函数；卫星信息计算及多普勒计算中还包含可见性分析以及选取函数；卫星数据生成中还包含C/A码生成、采样、噪声计算等一些函数。

第2章 GPS卫星信号

2.1 GPS信号

仿真GPS信号的格式完全按照真实GPS信号进行仿真，真实的卫星发射的GPS信号由载波、伪码、导航电文调制而成，接收到的信号在传输过程中加入了一些噪声、数据延迟以及多普勒频移。导航电文中包含卫星的参数数据，但是由于导航电文频率为50HZ，不能从卫星发射到地球，卫星发射的信号是导航电文经过1.023MHZ的伪码进行扩频，然后调制在载波上形成的信号。GPS卫星采用的载波有两个频段，L1载波频率为1575.42MHZ，L2载波频率为1227.60MHZ，调制在两种载波上对应于两种GPS信号，即L1信号和L2信号，其中L2信号只调制有P(Y)码，是供军方使用的加密码，本软件没有对L2信号进行仿真。2.1.1 GPS信号结构

本软件只进行仿真L1信号，完整的GPS信号的生成原理如下：

图2.1 GPS信号产生原理

L1信号的表达式为：

()()()()()()11111()cos ()sin i L p i i L c i i L S t A P t D t t A C t D t t ωω=+Φ++Φ （2.1） 其中，下标i 用来指代不同的卫星，p A 表示P 码的幅度，c A 表示C/A 码的幅度，()i P t 表示P 码，()i C t 表示C/A 码，()i D t 表示数据码，1L ω是载波L1的角频率，1Φ是载波L1信号的初始相位。

去除掉P(Y)码，本软件中的信号表达式为：

()()()()111()sin i L c i i L i S t A C t D t t n ω=+Φ+ （2.2）

式中i n 表示信号的噪声。

从公式2.2中可以看出，仿真的中频信号包含理论上包含伪码、导航电文和载波信号，这三种信号调制在一起再加上噪声就构成了GPS 信号。伪码用来捕获和计算伪距，导航电文中包含了定位所需要的卫星轨道参数以及信号中的时间参数，载波中的多普勒频移可以计算速度，载波相位可以用来精确定位。三者在调制过程中的关系如下：

图2.2 载波、C/A 码、导航电文调制

2.1.2 C/A 码信号

C/A 码也就是PRN 码，是一种由0、1数字组成的伪随机码。GPS 官方文档ICD-GPS-200提供了C/A 码的产生原理，如图2.3所示：

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图2.3 C/A 码生成原理

C/A 码码片速率为1.023MHz ，每个C/A 码长度为1023码片，对应的C/A 码周期为1ms ，码片宽度大约为1s μ。伪码具有良好的自相关特性，自相关函数如下：

,01()()(),(,)T i i i i R c t c t dt T T T

τττ=+∈-⎰ （2.3） 由公式2.3可得，只有当同一个C/A 码并且码相位误差很小的时候,()i i R τ才能得到一个较大的峰值。GPS 接收机每一个通道中的C/A 码与输入信号做相关运算，利用C/A 码良好的自相关性就可以检测到输入信号中所包含哪几颗卫星。

C/A 码不但可以用来捕获卫星，还可以用来测量载体与卫星之间的距离，也就是伪距。通过捕获和跟踪可以精确的知道输入信号的码相位，然后计算出信号发射时间，接收时间可以从本地时钟获得，做差就可以得到伪距。每一个码片对应的距离大约为300米，通过C/A 码求得伪距误差为几十米左右，如果想获得更高精度的伪距，可以借助于载波测距，精度可达厘米级。

2.1.3 导航电文

导航电文数据率为50bps ，对应的每一个数据位长度为20ms ，调制在GPS 信号中导航电文是0、1组成的二进制数，这些二进制数代表了计算卫星轨道信息所需要的参数。

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