GPS基本原理及其matlab仿真第7章
基于MATLAB的GPS信号的仿真设计
摘要扩频通信是近几年来迅速发展起来的一种通信技术。
在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的和抗干扰性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于状态。
扩频技术在军事应用上的最成功例可以以美国和俄国的全球定位系统（GPS和GLONASS）为代表；在民用上GPS和GLONASS也都得到了广泛的应用，这些系统的基础就是扩频技术。
全球定位系统（GPS）用于对全球的民用与军用飞机、舰船、人员、车辆等提供实时导航定位服务。
GPS系统采用典型的CDMA体制，这种扩频调制信号具有低截获概率特性。
该系统主要利用直接序列扩频调制技术，采用的伪码有C/A码和P(Y)码两种。
本文讲述的是直接序列扩频通信技术在全球定位系统（GPS）中的应用。
主要介绍扩频通信中的伪码仿真，简要论述M序列和伪随机噪声码（P码和C/A码）与其产生，并使用MATLAB7.0仿真M序列、P码和C/A码的编码过程和仿真结果，介绍直扩频技术伪码的相关知识，重点介绍P码。
关键字：全球定位系统；直接扩频通信；伪码仿真AbstractSpread spectrum communication is a communications technology developed rapidly in recent years. In early studies the main purpose of this technology is to improve the military communications confidential and anti-jamming performance, therefore the development and application of this technology is always in secret state. Spread spectrum technology in the most successful military application examples are the United States and Russia could the global positioning system (GPS and GLONASS) for representative; In civil GPS and GLONASS also have been widely used，which foundation of system is the spread spectrum technology.Global positioning system (GPS) is used to provide real-time navigation and positioning services for global civil and military aircraft, ships, personnel, vehicles and so on. GPS system adopts the typical CDMA system, which kind of spread spectrummodulation signals have low intercept probability characteristic. This system mainly used the direct sequence spread spectrum modulation technology, using the PRN code including C/A code, P codes and Y codes.This article tells the direct sequence spread spectrum communication technology applied in global positioning system (GPS) .The article mainly introduces the pn code spread spectrum communication simulation, briefly discussing M sequence and pseudo random noise code (P yards and C/A yards) and its produce and use MATLAB7.0 simulate M series, P yards and C/A yards of encoding process and the simulation results, introducing pn code straight spread-spectrum technology knowledge, especially P yards.Key: GPS; DS-SS;Pn code simulation目录引言41GPS理论与其特性51.1GPS系统概述51.2GPS信号构成71.2.1M序列101.2.2C/A码131.2.3P码151.3小结192MATLAB软件192.1MATLAB软件简介202.2MATLAB应用概述212.2.1 MATLAB功能介绍212.2.2 MATLAB使用方法233 GPS卫星导航信号算法与其MATLAB仿真293.1 C/A码仿真代码与其仿真结果293.2 P码的仿真代码与其仿真结果323.3 结果分析与其相关性分析36结论37致38参考文献39附录A 英文原文40附录B 中文翻译41附录C C/A码源代码41附录D P码源代码54引言全球卫星定位系统，简称GPS系统，可在全球围，全天候为用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。
卫星星下点轨迹Matlab仿真
使用Matlab绘制卫星星下点轨迹1.地球静止轨道卫星，倾角分别为0，30，90度。
clc; clear;t = 0:1:6;we = 360/24;u = we*t;i = 30;fai = asind( sind(i)*sind(u) );deltalmd = atand( cosd(i)*tand(u) );if(i==90)deltalmd(end) = 90;endlmd = deltalmd - we*t;% use symetry to generate the other datafor j = 1:6lmd(j+7) = -lmd(7-j);fai(j+7) = fai(7-j);endfor j = 1:12lmd(j+13) = lmd(13-j);fai(j+13) = -fai(13-j);endh = geoshow('landareas.shp', 'FaceColor', [1 1 1]); grid onhold onplot(lmd, fai); title(['GEO¹ìµÀ£¬Çã½Çi=', num2str(i)])-200-150-100-50050100150200GEO轨道，倾角i=30-200-150-100-50050100150200-200-150-100-50050100150200-200-150-100-50050100150200GEO 轨道，倾角i=90-200-150-100-500501001502002.回归轨道卫星，回归周期1天，倾角分别为60度，周期为4h。
clc; clear;t = [0 1/3 1/2 2/3 4/5 1];we = 360/24;w = 180/2;u = w*t;i = 60;fai = asind( sind(i)*sind(u) );deltalmd = atand( cosd(i)*tand(u) );lmd = deltalmd - we*t;% use symetry to generate the other datafor j = 1:5lmd(j+6) = lmd(6) + ( lmd(6) - lmd(6-j) );fai(j+6) = fai(6-j);endfor j = 1:10if (lmd(11) + ( lmd(11) - lmd(11-j) )) > 180lmd(j+11) = -180 + rem(lmd(11) + ( lmd(11) - lmd(11-j) ), 180);elselmd(j+11) = lmd(11) + ( lmd(11) - lmd(11-j) );endfai(j+11) = -fai(11-j);endcnt = 1;for m = 1:5for j = 1:21if (lmd(j+21*(m-1)) + 60) > 180lmd(j+21*m) = -180 + rem(lmd(j+21*(m-1)) + 60, 180);record(m,cnt) = j; % record when tranverse from east to westcnt = cnt + 1;elselmd(j+21*m) = lmd(j+21*(m-1)) + 60;endfai(j+21*m) = fai(j+21*(m-1));endcnt = 1;endload stillh = geoshow('landareas.shp', 'FaceColor', [1 1 1]);grid onhold onplot(lmd1(2:20), fai1(2:20), 'b--'); % earth stillplot(lmd(1:6), fai(1:6), 'bo');plot(lmd(21*6), fai(21*6), 'bo');plot(lmd(1:13), fai(1:13)); plot(lmd(14:21), fai(14:21));for m = 1:5plot(lmd(21*m+1:record(m,1)+21*m-1), fai(21*m+1:record(m,1)+21*m-1)); plot(lmd(record(m,1)+21*m:21*(m+1)), fai(record(m,1)+21*m:21*(m+1)));plot(lmd(21*m), fai(21*m), 'bo');endtitle(['ÐÇϵã¹ì¼££ºT=4h¹ìµÀ£¬Çã½Çi=', num2str(i)])T=4h轨道，倾角i=60-200-150-100-50050100150200星下点轨迹：T=4h轨道，倾角i=60-200-150-100-50050100150200地球不转时的星下点clc; clear;t = [0 1/3 1/2 2/3 4/5 1];we = 360/24;w = 180/2;u = w*t;i = 60;fai = asind( sind(i)*sind(u) );deltalmd = atand( cosd(i)*tand(u) );lmd = deltalmd; % earth still% use symetry to generate the other datafor j = 1:5lmd(j+6) = lmd(6) + ( lmd(6) - lmd(6-j) );fai(j+6) = fai(6-j);endfor j = 1:10if (lmd(11) + ( lmd(11) - lmd(11-j) )) > 180lmd(j+11) = -180 + rem(lmd(11) + ( lmd(11) - lmd(11-j) ), 180);elselmd(j+11) = lmd(11) + ( lmd(11) - lmd(11-j) );endfai(j+11) = -fai(11-j);endfor j = 1:21if (lmd(j) + 180) > 180lmd(j) = -180 + rem(lmd(j) + 180, 180);elselmd(j) = lmd(j) + 180;endfai(j) = fai(j);endlmd(11) = 0;lmd1 = lmd;fai1 = fai;save still lmd1fai1h = geoshow('landareas.shp', 'FaceColor', [1 1 1]);grid onhold onplot(lmd(2:20), fai(2:20));% plot(lmd(1:13), fai(1:13)); plot(lmd(14:21), fai(14:21));% for m = 1:5% plot(lmd(21*m+1:record(m,1)+21*m-1), fai(21*m+1:record(m,1)+21*m-1)); plot(lmd(record(m,1)+21*m:21*(m+1)), fai(record(m,1)+21*m:21*(m+1)));% endtitle(['T=4h¹ìµÀ£¬Çã½Çi=', num2str(i)])T=4h轨道，倾角i=60-200-150-100-50050100150200。
《GPS基本原理及其Matlab仿真》课件第3章
图3-6 岁差旋转
首先作顺时针Givens转动：
cos sin 0
RZ () sin cos 0
0
0
1
（3-1）
其意义是以Z0轴为旋转轴，顺时针转动ξ角，使X0轴旋转并到达
通过（观测）平天极的子午面上。
第二步是作逆时针Givens转动：
cos 0 sin RY () 0 1 0
5）
黄道是指地球绕太阳公转时的轨道平面和天球表面相交的 大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所看到的太阳
在天球面上作视运动的轨迹。黄道平面和天球赤道面的夹角ε 称为黄赤交角，ε≈23.5°。
6）
黄极是指过天球中心且垂直于黄道平面的直线和天球表面
的交点。黄极也有黄北极（KN）和黄南极（KS）的区分。
大地高H——地面点沿椭球面法线到椭球面的距离。
因此，地面任意一点P的位置， 在地球坐标系中可表示为 地心空间直角坐标（X， Y， Z）或地心大地坐标（B，L， H）。
图3-9 地心大地坐标系
这两种坐标系的换算关系为：
X (N H ) cos B • cos L Y (N H ) cos B • sin L Z [N (1 e2 ) H ]sin B
Z
L arcsin Y X2 Y2
ce2 tan B 1 e2 tan 2
B
H X2 Y2 N cos B
（3-16）
式中，c=a2/b为极点处的子午线曲率半径；e′2=(a2-b2)/b2 为椭球第二偏心率。式（3-16）中，大地纬度B需迭代计算，
但其收敛速度很快，迭代4次后，大地纬度B的精度可达0.000
232621.448 46.815T 0.00059T 2 0.001813T 3
matlab教学PPT第7讲MATLAB仿真SIMULINK
第7讲 SIMULINK 图2-18 通过命令启动Simulink仿真
第7讲 SIMULINK
可见，仿真完成之后，工作空间中出现了“ScopeData” 结构变量，其中包含了示波器显示的全部波形数据。通过 “plot”命令可以作出这些数据对应的波形，
组建用户自定义模块库如果建立了许多自定义的子系统并且已经封装好了而这些已经封装的自定义模块又是会反复使用的就像simulink提供的模块库中那些模块一样在这种情况下就有必要对这些自定义的重用性较好的模块进行建库以方便管理和反复使用同时也可以作为新的专业库提供给其他用户使用
第7讲 SIMULINK
第7讲 MATLAB仿真_SIMULINK
第7讲 SIMULINK
• Simulink全方位地支持动态系统的建模仿真，它支持连 续系统、离散系统、连续离散混合系统、线性系统、非 线性系统、时不变系统、时变系统的建模仿真，也支持 具有多采样速率的多速率系统。可以说，在通用系统仿 真领域，Simulink是无所不包的。
• 结合MATLAB编程和Simulink可视化建模仿真各自的特 点，可以构建更为复杂的系统模型，并进行自动化程度 更高的仿真和仿真结果的数据分析，这是MATLAB的高 级应用方面。
第7讲 SIMULINK 图2-15 仿真结果
第7讲 SIMULINK
• 更换信号源为Sources子模块库中的SignalGenerator，并设置 信号源为0.2Hz的方波，幅度为1，如图2-16左边对话框所示。
• 设置示波器显示窗口的属性（Parameters），使之成为双踪 显示，然后将示波器第二输入节点与信号源输出相连，这 样我们就可以同时观察系统的输入输出波形了。系统建模 如图2-16中间窗口所示。
GPS卫星运动及定位matlab仿真设计毕业设计
GPS卫星运动及定位matlab仿真设计毕业设计目录第一章前言 (1)1.1课题背景 (1)1.2本课题研究的意义和方法 (2)1.3GPS前景 (2)第二章 GPS测量原理 (4)2.1伪距测量的原理 (4)2.1.1 计算卫星位置 (5)2.1.2 用户位置的计算 (5)2.1.3 最小二乘法介绍 (5)2.2载波相位测量原理 (6)第三章 GPS的坐标、时间系统 (10)3.1坐标系统 (10)3.1.1 天球坐标系 (10)3.1.2 地球坐标系 (12)3.2时间系统 (13)3.2.1 世界时系统 (14)3.2.2 原子时系统 (15)3.2.3动力学时系统 (16)3.2.4协调世界时 (16)3.2.5 GPS时间系统 (16)第四章卫星运动基本定律及其求解 (18)4.1开普勒第一定律 (18)4.2开普勒第二定律 (19)4.3开普勒第三定律 (20)4.4卫星的无摄运动参数 (20)4.5真近点角的概念及其求解 (21)4.6卫星瞬时位置的求解 (22)第五章 GPS的MATLAB仿真 (25)5.1卫星可见性的估算 (25)5.2GPS卫星运动的MATLAB仿真 (26)结论 (38)致谢 (40)参考文献 (41)附录 (42)第一章前言1.1 课题背景GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit），1958年研制，64年正式投入使用。
该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。
然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。
由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。
美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统[13]。
1973年12月 ,美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统: NAVSTAR/GPS。
GPS用户位置求解Matlab仿真
伪距观测方程变化为：
j axjx ayjy azjz cu
(7)
把方程组(2)中的每个方程线性化，得到下面的线性方程组：
1 ax1x ay1y az1z cu
2
ax 2 x
a y 2 y
az 2 z
c u
非常接近真实坐标(xu, yu, zu)时才有效。如果(x, y, z)太大，需要用本次计算得出的坐 标(xu, yu, zu)作为下一次计算的估计坐标(x0, y0, z0)，重新迭代上述计算过程，直到计算得 到的(x, y, z)的值比较小为止。
二、Matlab 程序代码
下面 Matlab 程序完成利用伪距测量用户位置的 Matlab 仿真计算。 1、主程序
function Prange=CalculatePseudoRange(SatellitePosition,UserPosition) %计 算机模拟伪距测量
c=3e5;
%光速，单位：km/s；
DeltaT=1e-4; %钟差为 1e-4 数量级秒，假设卫星钟间时钟一致，DeltaT=Tu-Ts；钟差不
%时钟差初始值
Wxyz=SatellitePosNew; %卫星位置坐标
Error=1000;
ComputeTime=0;
while (Error>0.01) && (ComputeTime<1000) %开始迭代运算
ComputeTime=ComputeTime+1;
R=ones(1,VisSatNum);
f
(x0 , y0 , z0 )
f
(x0 , y0 , z0 ) x x0
【精品】用MATLAB计算GPS卫星位置-最新文档资料
用M A T L A B计算G P S 卫星位置-最新文档资料用MATLAB计算GPS卫星位置GPS定位的基本原理简单来说就是在WGS-84空间直角坐标系中，确定未知点与GPS卫星的空间几何关系。
因此利用GPS 进行导航和测量时，卫星是作为位置已知的高空观测目标。
那么如何精确快速的解算出卫星在空间运行的轨迹即其轨道是实现未知点快速定位的关键。
1 标准格式RINEX格式简述在进行GPS数据处理时，由于接收机出自于不同厂家，所以厂家设计的数据格式也是五花八门的，但是在实际中，很多时候需要把来自不同型号的接收机的数据放在一块进行处理，这就需要数据格式的统一，为了解决这种矛盾，RINEX（英文全称为：The Receiver Independent Exchange Format）格式则应运而生，该格式存储数据的类型是文本文件，数据记录格式是独立于接收机的出自厂家和具体型号的。
由此可见，其特点是：由于是通用格式，所以可将不同型号接收机收集的数据进行统一处理，并且大多数大型数据处理软件都能够识别处理，此外也适用于多种型号的接收机联合作业，通用性很强。
RINEX标准文件里不是单一的一个文件，而是包括如下几种类型的文件[1]。
（1）观测数据文件（ssssdddf.yyo），记录的是GPS观测值信息，（OBServation data，简写OBS，为接收机记录的伪距、相位观测值；O文件，如XG012191.10O）。
（2）导航电文文件（ssssdddf.yyn），记录的是GPS卫星星历信息（NAVavigation data，简写NAV，记录实时发布的广播星历；N文件，如XG012191.10N）。
（3）气象数据文件（ssssdddf.yym），主要是在测站处所测定的气象数据（METerological data，简写MET，记录气象仪器观测的温、压、湿度状况；M文件，如XG012191.10M）。
（4）GLONASS导航电文文件（ssssdddf.yyg），记录的是地球同步卫星的导航电文。
基于MatLabSimulink的GPS系统仿真
(2) 我
δS = S − S 0 = δS d + δS w
引入的相位延迟为
δφ d =
(6)
们 在 仿 真 中 不 妨 采 用 一 9 位 LFSR
生成多项式为
其中 Tk 为绝对温度 P 为大气压(mbar) e0 为水汽风压(mbar) S 为实际传播路径 S0 为信号在真空中的传播路径 hs 为 90o 20o 15o 10o 5o 时 δS 的典型值分别为 2.51m 7.29 m 9.58 m 14.04 m 25.82 m 无线信道由于多径效应产生时延扩展 若收发信机处
k =1
N
ˆ(t) x
航电文经伪随机序列扩频并调制后的信号
则 L1 和 L2 载
N
波上的 GPS 信号可分别简单的建模为 S L1 (t ) = AP Pi (t )Wi (t )Di (t ) cos(w1t + ϕ1 ) + AC Ci (t )Di (t ) sin(w1t + ϕ1 )
S L 2 (t ) = B P Pi (t )W i (t ) D i (t ) cos( w 2 t + ϕ 2 )
• 1857 •
第 18 卷第 7 期 2006 年 7 月
系 统 仿 真 学 报 其中 hs 为 GPS 卫星相对观测站的高度角
11 12
Vol. 18 No. 7 July, 2006
组成 生成多项式分别为
X 1A ( x) = 1 + x + x + x + x
6 8
δS d = 1.552 × 10 − 5
[1]
ˆ (t ) − rq (t ) x ˆ (t ) 们采用 Jake 移动信道模型[7] y (t ) = ri (t ) x
基于MATLAB平台的GPS仿真的开题报告
基于MATLAB平台的GPS仿真的开题报告一、研究背景和意义随着卫星导航系统技术和应用的不断发展，全球定位系统（GPS）已经成为了现代化社会中不可或缺的一部分。
GPS已广泛应用于空中、陆地、海洋等各个领域，成为了现代化社会中最为重要的技术之一。
因此，GPS仿真技术的研究具有重要的实际意义。
GPS仿真技术可以帮助人们更好地理解GPS系统的工作原理和实际应用中可能遇到的问题，并有助于提高GPS系统的性能和可靠性。
基于MATLAB平台的GPS仿真具有良好的可视化效果和高效的计算能力，在相关领域得到了广泛应用。
二、研究目的和内容本次研究旨在基于MATLAB平台开发一款GPS仿真软件，具体研究内容包括：1. GPS信号发射和接收原理的研究2. GPS信号的建模和仿真技术3. GPS信号接收机算法的研究4. GPS误差源模型的建立及相关校准算法的研究5. GPS仿真算法的优化和性能测试三、研究方法和技术路线本次研究将采用以下研究方法和技术：1. 文献研究法：对GPS信号发射和接收原理、信号建模和仿真技术、接收机算法、误差源模型和校准算法等相关文献进行综合研究和分析。
2. 算法设计法：设计基于MATLAB平台的GPS仿真算法，包括GPS 信号的建模和仿真技术、接收机算法和误差源模型及相关校准算法等。
3. 编程实现法：基于MATLAB平台开发GPS仿真软件，将算法实现为软件的各个功能模块，完成GPS信号发射、接收与处理，以及GPS误差源的建立和校准等功能。
4. 性能测试法：通过对GPS仿真软件的性能测试评估，评估软件的精度、效率、稳定性和可靠性等指标。
四、预期研究结果和意义预期本次研究将获得以下结果：1. 基于MATLAB平台的GPS仿真软件，实现了GPS信号发射和接收模拟、信号处理和误差源模型建立和校准等主要功能。
2. 对GPS系统的信号发射和接收原理、信号建模和仿真技术、接收机算法和误差源模型及相关校准算法等进行研究和分析，进一步提高了人们对GPS系统的认识和理解。
第7章 控制系统的MATLAB仿真
z [ z1 , z 2 , , z m ] p [ p1 , p 2 , , p n ] k [ k ]
7
第 7章
控制系统的MATLAB仿真
在MATLAB中，可用函数命令zpk()来建立控制系统
的零极点增益模型，其调用格式和功能分别为： （1）sys= zpk(num, den) ； （2）sys= zpk(num,den, Ts)； （3）sys= zpk(M)；
1 1 1 0 0 0 X(t ) U(t ) 0 0 0 1 0 0 10]X(t )
21
第 7章
控制系统的MATLAB仿真
（3）求系统的零极点增益模型 该系统的零极点增益模型也可以通过MATLAB的模型转 换函数来完成。 在MATLAB命令窗口输入以下命令： [z, p, k]=tf2zp(num, den); sys= zpk(z, p, k) 执行以上语句后可得系统的零极点增益模型为： Zero/pole/gain: 6 (s+1.929) (s^2 + 0.07058s + 0.8638) -------------------------------------------------------------(s^2 + 0.08663s + 0.413) (s^2 + 1.913 s + 2.421)
17
G( s)
12s 3 24s 2 12s 20
基于MATLAB的GPS信号的仿真研究
基于MATLAB的GPS信号的仿真研究一、本文概述随着全球定位系统（GPS）技术的广泛应用，其在导航、定位、授时等领域的重要性日益凸显。
为了更好地理解GPS信号的特性，提高GPS接收机的设计水平和性能，对GPS信号进行仿真研究显得尤为重要。
本文旨在探讨基于MATLAB的GPS信号仿真方法，分析GPS信号的特点，以及如何利用MATLAB这一强大的数值计算环境和图形化编程工具，对GPS信号进行高效、精确的仿真。
文章首先介绍了GPS系统的发展历程、基本原理和信号特性，为后续的信号仿真提供了理论基础。
随后，详细阐述了GPS信号仿真的一般流程，包括信号生成、传播模型、噪声添加等关键环节。
在此基础上，重点介绍了如何利用MATLAB编写GPS信号仿真程序，包括信号生成、传播模型建立、噪声模拟等方面的具体实现方法。
文章还通过实际案例，展示了基于MATLAB的GPS信号仿真在接收机设计、性能评估等方面的应用。
通过仿真实验，可以深入了解GPS信号在不同环境下的传播特性，为接收机算法优化和性能提升提供有力支持。
本文的研究不仅有助于加深对GPS信号特性和仿真方法的理解，也为GPS接收机的研究和开发提供了一种有效的技术手段。
通过MATLAB的仿真研究，可以更加直观地揭示GPS信号的本质规律，为实际应用提供有力指导。
二、GPS信号原理及特性全球定位系统（GPS）是一种基于卫星的无线电导航系统，它利用一组在地球轨道上运行的卫星来提供全球范围内的定位和时间服务。
每个GPS卫星都不断地向地球表面发射射频信号，这些信号被地面上的接收器接收并处理，从而确定接收器的三维位置和速度，以及精确的时间信息。
GPS卫星发射的信号是L波段的射频信号，分为两个频段：L1（142 MHz）和L2（160 MHz）。
每个频段都包含两种类型的信号：C/A码（粗捕获码）和P码（精密码）。
C/A码是对公众开放的，用于民用和商业应用，而P码则用于军事和特定的高精度应用。
GPS与测距法的融合技术及其MATLAB仿真
综 上所 述 ，在 移动 高精 度定位 平 台 的定位 与导 航 研 究 中，如果 单独 依靠 ＧＰ Ｓ进 行定 位 ，则不 可避 免 的产 生误 差 ，甚至 很难 工作 。因此 ，采 用多传 感 器 数据 融合 技术 ，可 获得更 可靠 的位 置估 计 。本 文 主 要介 绍一 种 Ｇ Ｓ 信 号 与测 距法 融合 的模 型 ，在 Ｐ
Ｇ Ｓ信 号发 生突 变 时，该模 型仍 能提供 相对 准确号稳 定 ， 么 该模型 可得 到 Ｐ 那
更 为准确 的位 置估 计 。最 后运用 ＭＡ Ｌ Ｂ 仿真 ， ＴＡ
定 的 、从相 同的卫星 发 出信 号 的能力 。在 移动 导航 中， Ｓ 接 收机 定位 精度 通 常受 到卫 星 信 号状 况和 ＧＰ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ： ＧＰ ； Ｏｄ ｍｅｒ ； Ｆ ｓｏ ｏ ｅ； Ｍ Ａ ＡＢ ｄｓ Ｓ ｏ ｔ ｙ ｕ ｉｎＭ ｄ ｌ ＴＬ
全 球卫星 定位 系统 （ Ｐ ） 由于 能够对 全球 任 Ｇ Ｓ 何位 置提供 实 时的三 维位 置信 息 ，因而 被广 泛应 用 于军 事、 民问 的诸 多领域 。其 采用 差分 Ｇ Ｓ定位 ， Ｐ 精 度 能到 ３ ５ 左 右 。 于 广大 多数用 户 来说 ，此 ｍ．ｍ 对 定位精度 即可 以满 足 要求 ，但 对于 需要 更高 定位 精 度 支持 的移 动平 台 ，进一 步提 高其 定位 精度 成为 能
２１ ０ ０年 １ 第 ６期 ２月
现 代 导航
・ ７・ ４
Ｇ Ｓ与测距 法的融合技术及其 ＭＡＴ Ａ Ｐ Ｌ Ｂ仿真
解 晶 ， 张岩
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第7章 GPS接收机及其电路 (4) 接收机将工作在什么类型的动态（如加速、匀速）条 件下。例如，用于歼击机的GPS接收机要求设计成在经受多少 个“g”的加速度时还可以维持完好的性能，而指定用于测绘的 GPS接收机一般不要求能够经受严酷的动态环境。 (5) 是否需要具有差分GPS（DGPS）能力？(DGPS是一种提 高精度的技术，它能提供比独立的PPS或SPS更高的精度。) (6) 应用中是否要求接受以地球静止卫星为基础的重叠服 务（比如国际海事卫星（INMARSAT）），是否考虑所采用的 GPS设备和/或GLONASS卫星的完好性、测距和DGPS信息？
第7章 GPS接收机及其电路 电源可能是整装的、外接的，或者两者相结合。在整装或 自备实现方式（比如手持式移动设备）中，一般使用电池供电。 而在集成方式的应用中（比如装在个人计算机的接收机板上的 电源）一般用已有的电源。 机载、 车载和船载GPS设备一般 用平台电源， 然而GPS接收机一般都具有内置的电源变换器 （交流变直流或直流变交流）和电压调节器。 接收机内置电 池用以在平台电源断电时维持存储在RAM中的数据和运行内置 的实时时钟。 常用的一些GPS接收机类型如表7-1所列。
按接收机通道方式分类 按采用的电子器件分类 按性能分类
按用途分类 按工作模式分类
第7章 GPS接收机及其电路 GPS接收机的分类 7.1.2 GPS接收机的分类 GPS接收机可分为两种基本类型：同时跟踪P（Y）码和C/A 码的PPS接收机以及仅跟踪C/A码的SPS接收机。PPS接收机同时 在L1和L2波段上跟踪P（Y）码。 PPS接收机初始工作时在L1上 跟踪C/A码，然后转换到在L1和L2上跟踪P（Y）码。P(Y)码跟踪 只有在加密单元的辅助下才能产生。SPS接收机只跟踪L1上的 C/A码。 在这两种基本接收机类型中，还有其他一些变形，比 如无码L2跟踪接收机，这种接收机跟踪L1上的C/A码，并同时跟 踪L1和L2频率上的载波相位。利用载波相位作为测量点，测量 精度能够达到厘米级甚至毫米级。多数接收机有多个通道，每 个通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。
第7章 GPS接收机及其电路
图7-2 多通道GPS接收机组成框图
第7章 GPS接收机及其电路 一个多通道GPS接收机的组成框图如图7-2所示。通常采用 一个无源的带通滤波器对所接收到的射频卫星信号进行滤波， 以减小带外射频干扰。 通过前置低噪声放大器(LNA)放大后， 射频信号下变频到中频（IF）。模/数（A/D）转换器对IF信号 进行采样，A/D采样速率典型情况下为PRN基码速率的8～12倍 （对于L1 C/A码PRN速率为1.023 MHz，对于L1和L2 P（Y）码 为10.23 MHz）。最小采样速率是码的截止带宽的2倍，以满足 奈奎斯特判定的要求。对于只接收L1 C/A码的接收机，截止带 宽大于2 MHz，而对于接收P（Y）码的接收机，截止带宽大于 20 MHz。
第7章 GPS接收机及其电路 7.1.3 数字GPS接收机 数字GPS接收机 GPS接收机 一个数字GPS接收机的组成框图如图7-3所示。在视界中所 有卫星的GPS射频（RF）信号被右圆极化（RHCP）天线接收， 经前置低噪声放大器（LNA）放大， 接收机的噪声系数与LNA 有关。通常在天线和LNA之间设置一个无源带通滤波器， 以降 低带外射频干扰。这些被放大的射频信号与来自本机振荡器 （LO）的信号混频，下变频到中频（IF）。本地振荡器频率是 根据接收机的频率设计，由基准振荡器经频率合成器产生的。 每一级下变频器需要一个本地振荡器信号。下变频有采用两级 下变频形式、一级下变频形式，或甚至直接在L频段作数字采 样的。本地振荡器信号在混频过程会同时产生上边带和下边带 信号，因此在混频器之后，采用带通滤波器选择下边带信号， 而滤去上边带信号，获得下变频到中频（IF）的信号。模/数 转换（A/D）和自动增益控制（AGC）功能均在中频上完成。
第7章 GPS接收机及其电路 (7) 航路点存储能力以及航路和支路数量为多大？ (8) 接收机是否必须和外部系统相连接？是否已经有合适 的I/O硬件与软件？ (9) 对于数据输入和显示特性，接收机是需要外接的还是 整装的CDU能力？是否要求当地坐标系数变换或者WGS-84已经 够用了？ (10) 是否需要设计成便携式并考虑物理尺寸、 功耗、 成本等因素？
第7章 GPS接收机及其电路 通过模/数转换（A/D）数字化了的中频（IF）信号输入到 N个数字接收机通道。这些数字接收机通道一般用一个或几个 专用集成电路（ASIC）来组成， 完成环路鉴相和滤波、数据 解调、测量、锁相和批示等功能。接收机处理器是一个高速微 处理器，用来完成接收机基带控制与处理、 导航处理和用户 接口等功能。
第7章 GPS接收机及其电路
第7章 GPS接收机及其电路
7.1 GPS接收机 接收机 7.2 基于RF8009的GPS接收机电路 基于 的 接收机电路 7.3 基于嵌入式系统的 基于嵌入式系统的GPS应用设计 应用设计
第7章 GPS接收机及其电路
7.1 GPS接收机 接收机
GPS接收机的基本构成 接收机的基本构成 7.1.1 GPS接收机的基本构成 GPS接收机的基本构成框图如图7-1所示， 它由天线单元 （有源或者无源）和接收单元两大部分组成。
第7章 GPS接收机及其电路 I/O端口是在GPS接收机和用户之间的接口。 I/O端口有两 种基本类型：整装的和外置的。对于许多应用来说，I/O端口 是一个CDU（控制显示单元）。CDU允许操作员进行数据输入， 显示出工作状况和导航参数，还有许多导航功能，如输入航路 点、待航时间等。大多数手持式设备有整装的CDU。 其他设备， 比如某些机载或船载设备，有可能其I/O是集成在已有的仪器 或控制面板上的。 除了到用户和操作员的接口之外， 在与其 他传感器（例如惯导）组合使用时要求有数字数据接口以输入 和输出数据。通用接口有ARINC429、 MIL-STD-1553B、 RS232和RS-422。
第7章 GPS接收机及其电路
7.2 基于 基于RF8009的GPS接收机电路 的 接收机电路
RF8009 8009简介 7.2.1 RF8009简介 RFMD公司的RF8009 GPS接收机是为OEM（原始设备制造商） 使用的即插即用模块，它具有12个并行信道， 能够完成GPS信 号处理，产生精确的导航数据，实现高速精确地确定第一次定 位时间（TTFF）及信号重新采集，支持2D和3D导航模式， 采 用38 mm×38 mm封装，可广泛地应用在GPS终端产品上，如舰 队导航、 汽车导航、远程信息处理和物体（财产）跟踪。
第7章 GPS接收机及其电路 选择天线时需要考虑的参数有天线增益场形、可用的安装 面积、空气动力性能、使用波束控制或自适应调零天线以 抵制干扰。波束控制技术采用电子的方法将天线增益集中在卫 星的方向上以使链路的容量最大。而自适应调零天线是电子可 调的，在天线方向图中，在干扰源（任何电子辐射，不管是来 自朋友或敌方的，只要干扰了GPS信号的接收和处理，均视为 干扰源）方向上建立零点。
第7章 GPS接收机及其电路 在接收单元，GPS射频信号被下变频到中频（IF），利用 模/数（A/D）转换器对IF信号采样和数字化。基带处理器对接 收机进行控制，包括信号的截获、信号跟踪和数据采集。此外， 基带处理器也可以由接收机测量值形成PVT解。在一些应用中， 也可用专门的微处理器同时完成PVT计算和相关联的导航功能。 大多数处理器在1 Hz速率的基础上提供独立的PVT解。然而， 用做飞机自动着陆和其他宽动态应用的接收机， 至少需要以5 Hz的速率计算独立的PVT解。 格式化了的PVT解和其他与导航 有关的数据送至I/O端口。
第7章 GPS接收机及其电路
图7-1 GPS接收机的基本构成框图
第7章 GPS接收机及其电路 卫星信号是通过天线接收到的，天线单元由接收天线和前 置放大器组成。天线为右圆极化（RHCP）形式，典型的覆盖角 是160°，其增益变化在天顶约为2.5 dBic，在仰角为10°时接 近于1（RHCP天线的单位增益也可以用全向圆极天线表示为0 dBic=0 dB），在10°以下增益一般变为负的。由于卫星信号是 RHCP形式，适合于用圆锥螺旋天线或其变形（如定向天线、 偶极子天线、微带天线、螺旋天线等）进行接收。同时在L1和 L2波段上跟踪P（Y）码的GPS接收机需要同时在两个频率上具 有20.46 MHz的带宽。如果GPS接收机只跟踪L1波段上的C/A码， 天线（和接收机）在飞机上倾向于使用薄剖面、低空气阻力的 片状天线，而陆上运载体（如汽车）可使用较大外形的天线。
第7章 GPS接收机及其电路 过采样会降低接收机对于A/D量化噪声的敏感度，因而减少 在A/D转换器中所需的位数。采样结果送到数字信号处理器 （DSP）中。DSP包含N个并行通道，以同时跟踪来自多达N (5<N<12)颗卫星的载频码。每个通道中包含码和载波跟踪环， 以完成码和载波的相位测量，以及导航电文数据的解调。通道 可以计算三种不同的测量值： 伪距、Δ距离（有时称做Δ伪距） 和积分多普勒频移。所希望的测量值和解调后的导航消息数据 送至基带处理器。基带处理器对接收机信号的截获、跟踪和数 据采集进行控制，并处理接收机的测量值形成PVT解。在一些应 用中， 也可用专门的微处理器同时完成PVT的计算和相关联的 导航功能。
第7章 GPS接收机及其电路
图7-3 数字GPS接收机组成框图
第7章 GPS接收机及其电路 GPS接收机的选择 7.1.4 GPS接收机的选择 对于每一种应用来说，一些与环境、使用和性能有关的参 数必须仔细考虑，如： (1) 满足对冲击、振动、温度、湿度、大气中盐的含量的 基本要求和最大限制，是否需要工作在提高抗干扰能力的环境 之中? (2) 是民用、军用或是其他用途？如需要PPS操作，一般 必须选择带加密能力的双频GPS接收机。 (3) 需要多快的PVT更新率？飞机、汽车、行人对PVT更 新率的要求是不同的。
第7章 GPS接收机及其电路 接收单元包括信号通道单元、存储单元、计算和显示单元 以及电源四部分。其中核心部分是信号通道单元，通常由硬件 和软件组成。每一通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星，当此卫 星被锁定后便占据该通道，直到失锁为止。目前GPS接收机广 泛应用并行多通道技术，即一个GPS接收机可同时跟踪多颗卫 星，同时锁定多颗卫星，大大缩短了确定卫星的PVT时间。