GPS软件接收机捕获和跟踪算法研究

ceiver was implemented on MATLAB platform. A fast parallel acquisition algor ithm based on cyclic convolution was imple2 mented , the visible satellites and coar se values of ca rr ier frequency and code phase of the satellite signals are got . Ea rly 2 lat er code t racking loop and Costas phase lock loop were used to tr ack codephase and Doppler fr equency shift, r espectively. So the navigat ion dat a could be demodulated. Ke y w ords GPS, soft war e receiver , acquisit ion, tr acking P228. 4 Class Num be r
图 2 多播 生成树
程中采用贪心策略选择最短路径 , 使得所构造的生 成树的总代价尽可能最优。通过实验数据表明 , 当 各个节点并行的进行消息传递时 , 能在最短时间内 完成所有节点的消息传递。
参考文献 [ 1] Fujinoki H , Chr istensen K. The New Shortest Best Path Tr ee ( SBPT ) Algor ithm for Dynamic Multicast Tr ee [ C] . The IEEE 24th Conference on Local Com2 puter Networks, 1999: 204~ 211 [ 2] Sha ikh A , Shin K G. Destination2 Driven R outing for Low 2 Cost Multicast [ J] . IEEE Journal Selected Areas in Communication, 1997, 15( 3) : 373~ 381 [ 3] Zhang B X , M ouftah H T. A Destination 2 Dr iven Shor2 t est P ath T ree Algorithm[ C] . IEEE Internationa l Con2 fer ence on Communications, 2002, 4: 2258~ 2262 [ 4] X F. Yang, Evans D J, Megson G M. T he loca lly twisted cubes [ J] . International Journal of Comput er Mathematics, 2005, 82( 4) : 401~ 413 [ 5] X F. Yang, Megson G M, Evans D J. Locally twist ed cubes ar e 42 pancyclic [ J ] . Applied Mathematics Let2 t ers, 2004, 17: 919~ 925 [ 6] X F. Yang, Evans D J, Megson G M, Liu Y X. Super fault2 tolerant hamiltonicity of some hypercube 2 like net2 wor ks[ J] . Submission to Networ ks, to appear
[ 1]
件进行信号
。本文通过软件实现 GPS 信号
处理( 即 A / D 变换尽可能靠近天线 ) 。如图 1 硬件 部分是天线 , 射频前端和 ADC。将数据采集存放 到 P C 的硬盘上后, 用软件进行捕获, 跟踪及定位 解算[ 3] 。
的捕获和跟踪算法, 证明了用软件实现基带算法的
2
GPS 接收机结构
m) m) e
- j 2Pkn / N
E E x( m) y( n E x( m) e
图4
m)
码环跟踪框图
E y( n+
m) e- j 2 Pk( n-
/N
4. 2 载波跟踪 本 软件 接收 机采用 对相 位反转 不敏 感的科 斯塔 斯环进
图 5 载波跟踪环 框图
= X( k) Y( k) 上述推导中省略了比例 因子 1 / N ; 从推导可 以 看 出, 两 个 信 号 的相关运算和 卷积 运算在频域上 是基 本 一 致 的, 只 是 其 中一个信号互 为共 轭 , 所 以能 用 DF T
收稿日期 : 2009 年 1 月 15 日 , 修回日期 : 2009 年 2 月 10 日 作者简介 : 朱国良 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : GPS 导航定位 , 嵌入式系统设计 , 信号处理。
2009 年第 5 期
舰船电子工程
71
件接收机采 用串行捕获 技 术, 即 将 接收到的信 号与本地参
在 GPS 硬件接收机中, 天线接收到的信号被
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3
GPS 信号的捕获
采用捕获算法是为了搜索到可见卫星并计算
滤波和下变频到中频信号, 然后进行数字化 。接 着在芯片中进行相关, 在相关运算之后, 把信号分 解到多个通道进行解调。解调出导航信息之后经
*
出可见卫星的初始相位和载波频率。 GP S 信号的 捕 获方法有串行捕获和并行捕获两种。 传统的硬
n= 0
E y( n+
m) e- j 2 Pk( n+ m) / N
= X ( k) Y( k) 两个长度为 N 的有限序列 x ( n) 和 y( n) 卷积 的时域和频域表示分别是 :
N- 1
z( n) = Z( k) = =
m= 0 N- 1 N- 1 n= 0 m= 0 N- 1 m= 0
E x( m) y( n N- 1 - j2 P km/ N n= 0
图3 频域并行搜索捕获结果图
行解调, 如图 5 所 示。 科
斯塔斯环适合 GP SL1 信号的解调。科斯塔斯环计 算出信号载波与本地载波的相位误差, 根据相位误 ( 下转第 80 页 )
和 IDF T 代 替时 域
80
成
ห้องสมุดไป่ตู้
勋等 : 局部扭曲立方体多播容错路由算法
总第 179 期
closedge [ V5 ] 为 边 ( V3 , V5 ) 及其权值。同理修改 closedge [ V4 ] 、closedge [ V7 ] 、 closedge [ V10 ] 和 closedge [ V 12 ] 。 依 次 类 推, 直到 U = V 。至此, 从 源节点 到所有 目的 节点 的传递路径都已经找到。 在图 2 中用箭 头将 整个 信息的 传递过 程标 示了 出来。 从源 节点 出发 箭
2 L 2 L
z( n) = Z( k) = =
m= 0
E x( m) y( n +
m) m) e
- j 2P kn/ N
减去滞后包络( 消除幅度敏感性 ) ) 。
N- 1 N- 1 n= 0 m= 0 N- 1 m= 0 *
E E x( m) y( n+
N- 1
E
x( m) ej 2 Pkm/ N
Z hu Guoliang Chen Xia ohui 210003)
( Automation Of College, Nanjing Univer sity of Posts& Telecommunications, Nanjing Abs tr act
Acquisit ion and t racking algorithms for GPS soft war e receiver were studied and a software 2 def ined GPS re2
N- 1
频移之后, 通过信号跟踪来得到导航数据。本文使 用的信号跟踪是码同步和载波同步相结合的方法。 4. 1 码跟踪 本软件接收机的码同步环路使用的是超前滞 后环, 如图 4 所示。这种方法首先将载波的信号与 超前、 当前与滞后三路信号相乘。为了增加码同步 环路的健壮性 , 信号与同相和正交本地载波分别相 乘 , 产生两路信号 I 与 Q, 在完成载波同步之后 , 信 号将集中在 I 支路。六路相关器输出的结果同时 送入码鉴别器 , 调整本地码生成器的相位。本软件 接收机使用下面的公式 D=
循环卷积的并行捕获算法 , 得到了可见卫星的 初始相位和多普勒频移。使用了超前滞后环和对相位反转不敏感的科斯塔斯 环分别对码相位和多普勒频移进行跟踪 , 成功 解调出导航电文。 关键词 GP S; 软件接收机 ; 捕 获 ; 跟踪 P228. 4 中图分类号
Research on Acquisition and Tracking in Software GPS Receiver
总第 179 期 2009 年第 5 期
舰船电子工程 Ship Electr onic Engineering
Vol. 29 No. 5 70
GPS 软件接收机捕获和跟踪算法研究
朱国良 陈小惠
南京 210003) ( 南京邮电大学自动化学院 摘 要
*
研究了 GPS 软件接 收机的捕获和跟踪算 法 , 并在 matlab 平台上实现了 GPS 软件接收机 , 实现了快速的 基于
4
GPS 信号的跟踪
经过捕获得到可见卫星的初始相位和多普勒
一定步长搜索所有可能的卫星多普勒与所有可能 的码相位, 当搜索到最大相关输出大于门限值时即 判断捕获到该卫星。但是串行捕获运算量非常大, 在软件接收机中采用这种技术实现很困难。因此 软件接收机需要采用并行捕获技术。并行捕获技 术是利用傅立叶变换的特性, 将时域信号转换到频 域, 将时域相关计算转换到频域的乘法运算, 减少 了计算量。所以本文采用的是并行码捕获算法 [ 4] , 如图 2 所示。 长度 N 的序列 x ( n) 的离散傅立叶变换为:
( 上接第 71 页) 差去调整本地载波的 相位。科斯塔斯环使 用 <= arct an Qk / I k 计 算相位误差[ 6] 。载波 跟踪环当前 I 路输出
图6 导航数据图 [ 2] Rinder , Bertelsen A Single Fr equency GPS Software Receiver[ R] . 2004 [ 3] B. M. Ledvina, S. P. Powell, P . M. Kintner, M. l. Psiaki, A 122 Channel Real 2 T ime GPS L1 Softwar e Re2 ceiver, ION GPS 2003 [ 4] Kai Borre, Dennis M. Akos, Nicolaj Bertelsen, P et er Rinder . A software 2 defined GPS and GALI LEO Re2 ceiver [ 5] 蔡凡 , 尹燕 , 张 秀忠等 . GPS 接收机 的中 频信号 处理 算 法研究 [ J] . 2007, 3 [ 6] Jin T ian, Qin H ongLei, Zhu JunJie, Liu Yang. R eal2 time GPS Software Receiver Cor relator Design. [ 7] 程佩青等 . 数 字信 号处 理教 程第 三版 [ M] . 北京 : 清 华 大学出版社 , 2007 [ 8] 张志勇等 . 精 通 Mat lab 6. 5 版 [ M] . 北京 : 北 京航天 航 空出版社 , 2003 [ 9] 余成波 等 . 数字 信号 处理 及 MATLAB 实现 ( 第二 版 ) [ M] . 北京 : 清华大学出版社 , 2008
2 E 2 E 2 E 2 E [ 5]
X( k) =
n= 0
E x( n) e
- j 2Pkn/ N
两个长度为 N 的有限序列 x ( n) 和 y( n) 相关 的时域和频域表示分别是 :
N- 1
进行码相位调整 :
( I + Q ) - ( I + Q2 L) 2 ( 归一化的超前包络 ( I + Q ) + ( I + QL )
头所组 成的图 形也 即为
此多播算法所产生的多播树。假设在多播过程中, 各个节点是并行进行消息传递的, 则上面的例子只 需要 4 个单位的时间就完成了到所有目的节点的 信息传递。在构造一棵最小生成树的过程中 , 辅助 数组中各分量值的变化如表 1 所示。
5
结语
本文针对局部扭曲立方体网络中出现节点故
障的情况, 提出了一个多播容错路由算法。多播容 错路由算法在设计时 , 基于最小生成树 Pr im 算法 的思想, 提出最优最短路径树算法, 通过算法求得 两点之间的最短路径并作为其权值存储 , 在构造过
1
引言
目前传统的 GP S 硬件接收机是在专门芯片中
过解算计算出位置信息。 GPS 软件接收机 是对中频采 样信号用软
图1 GP S 软件接收机结构框图
进行信号处理。随着数字 信号处理 技术的发 展, DSP 芯片功能越来越强大 , 使得数字信号处理研究 重点主要放在软件算法上。 GP S 接收机也趋向用 软件去实现算法 可行性。
图 2 频域并行搜索 算法结构示意图
的信号相关。 实验用的数据的中频是: 4. 123968MH z, 采样 频率是 : 16. 367667MH z。用并行码捕获方法得到 的结果如图 3, 从图中可以看出 2, 4, 10, 13, 17 号卫 星是当前可见的 , 并得出了码相位和多普勒频移。
考信号进行 自 相 关, 以