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GPS接收机软件的开发与实现
北京交通大学
硕士学位论文
GPS接收机软件的开发与实现姓名:
于海滨
申请学位级别:
硕士专业:
计算机应用技术指导教师:
韩臻;王群仰20071201
北京交通人学硕十学位论文摘要摘要
摘要:
全球卫星定位系统（GPS是新一代精密卫星导航定位系统。
它所具有的高精度、全天候、全球覆盖能力等诸多优点是其他导航设备所无法比拟的。
正因为如此,GPS现已在军事及民用领域得到极为广泛的应用。
而接收设备作为其重要的组成部分更是发展迅速,新技术不断出现,产品升级换代很快。
本文基于GPS用户接收机设备的研制背景,主要着重介绍了接收机的软件实现部分,尤其对通道处理部分做了详细的论述。
通道部分是用户接收机的核心部分,它主要完成信号的捕获跟踪、位同步、帧同步,这些都直接关系着接收机的性能。
在GPS接收机具体研制中,软件是GPS接收机实现的关键,运行在TI高速DSP芯片TMS320C6713中,定位解算主要通过软件完成。
论文首先从GPS接收机的测距交会定位原理出发,简要介绍了GPS卫星星座的构成、GPS信号构成和GPS导航电文。
阐述了接收机软件的整体设计以及软件核心模块在DSP上的实现。
对系统的软硬件资源做了规划,设计了软件模块结构图和实时任务的控制及数据流图,然后对其中的关键模块进行了详细的分析和设计。
对于接收机中应用到的关键性技术,如信号捕获跟踪、信号同步等进行了深入的分析和讨论。
最后通过测试验证了接收机具备了信号捕获跟踪、位同步、帧同步、导航解算功能,达到了设计的要求。
关键词:
GPS用户接收机设备;DSP;捕获跟踪
分类号:
TP311.11
北京交通人学硕+学使论文英文摘要ABSTRACT
GlobalPositionSystem（GPSisanew-generationprecisepositioningsystem,Ithassomeadvantagesthatothersdon’thave,suchashighprecision,all—weathersuitability,andtotalglobalcoverage.GPSiswidelyusedinbothmilitaryandcivilfield.Inthiscase,GPSreceiverasoneofimportantpartofGPSisdevelopingrapidlyandllewtechnologyupgraderapidly.
nethesisisbasedonthebackgroundofdevelopingtheGPSreceiver
equipment.Thedevelopmentandthesoftwareimplementationofthereceiver,especiallyonthechannel.arepresented.111echannelthatisthecoleofthereceiver,mainlycompletesacquisitionandtracking,bit/framesynchronization,whicharedirectlyrelatedtothereceiver.nlesoftwareisthekeytotheGPSreceiver.becauseitaccomplishesthe
positioncompulation.Thesoftwareisrmmingon
theTMS320C6713.
Inthethesis,theconstitutesofGPSconstellation,WGS・84coordinationsystemforGPSpositioning,anduniversalGPStimingsystemarepreciselyintroduced.Thenitdescribestheoveralldesignofreceiversoftwareandthecoremodulesofsoftware
realizeOilDSP.FiBtly’weassignthesoftware/hardwareresourceofsystemanddesignthesoftwaremodulestructure,thecontrolofthereal-timetasksandthedataflowgraph.Then,thesignificantmodulesalerespectivelydescribed.SeveralkeytechnologiesappliedinUSerreceiverequipmentareresearched,includingsignalacquisitionandtracking,signalsynchronization,etc.Atthelast,theequipmentis
verifiedbyusinggeneraltestequipment.ThetestresultsindicatethattheUSerreceiverhasthefunctionsofacquisitionandtracking,bigframesynchronizationandnavigationsolution.Andthereceiverhassatisfiedthedemandofthedesign.
KEYWORDS:
GPSUSerreceiverequipment;DSP;acquisitionandtrack
CLASSNO:
P228.4
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学位论文作者签名:
亏博腰签字日期:
少1年12-月J7日导师签名
签字日期日
J匕京交通人学硕十学位论文独创性卢明独创性声明
本人卢明所早交的学倚论文是本人在导师指导_卜进行的研究『:
作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证{5而侵用过的材料。
与我一同一l二作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名:
孑/;坶腕签字日期:
一z∞.『年f2月
47
致谢
本论文的工作是在我的导师韩臻教授的悉心指导下完成的,韩臻教授严谨的治学念度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。
在此衷心感谢两年来韩臻老师对我的关心和指导。
裘正定教授悉心指导我们完成了科研工作,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此向裘老师表示衷心的谢意。
我的论文主要是在中国空『日J技术研究院503所实习期间完成的,在实习期间每当我遇到困难时,王群仰老师总是耐心指导,使我受益匪浅,为我今后的学习与工作奠定了基础。
同时,张凤山也为我提供了无私的帮助,使我很快的进入了角色,并对于我的困惑也总是耐心讲解.
总之,感谢所有帮助,关心我的人,正是因为他们的帮助我才能够顺利完成我的学业。
特别感谢父母对我的支持和培养,他们的支持、关心和鼓励,使得我能够顺利地完成学业。
再一次衷一0地向关心我、支持我的所有老师、亲友、同学们致谢!
北京交通人导’颐十学位论文绪论1绪论
1.1卫星导航系统概述
第二代导航卫星系统是20世纪七十年代开始兴起的一种基于中轨道卫星星座的导航系统,其基本功能是为海上、陆地、空中及空间用户全天候、实时提供精确的三维位置、三维速度和时间等七种参数信息,其扩展功能包括相对定位、相对测速.定向和定姿等。
目前J下在运行的导航定位系统包括美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统,欧洲的GAuLEO系统正在建设之中。
GPS系统是美国于20世纪七、八十年代建立的第二代导航卫星系统,原来的目标是侧重军用,兼顾民用,该系统自1995年正式投入运行以来一直稳定、有效,二十多年来其导航卫星已经几次更新换代,性能逐渐增强,目前正在进行的GPS现代化计划将全面提升GPS系统的各项性能指标和自主生存能力。
GLONASS是前苏联在GPS建立的同时建立起来的第二代导航卫星系统,也是一个军民两用的系统,该系统自1995年正式投入运行以来由于受俄罗斯经济衰退的影响,缺乏资金投入,无法及时发射补网卫星,致使导航星座残缺不全,大部分时间不能满足全球定位的基本功能,只能勉强维持俄罗斯疆域内军用用户的导航定位,其民用基本处于停滞状态。
但目前俄罗斯正在积极筹措资金,计划在几年内发射多颗补网卫星,使GLONASS恢复全运行状态,而且GLONASS导航卫星也将进行升级。
GALILEO系统是欧洲在20世纪末和本世纪初开始论证的导航卫星系统,目前处于设计验证阶段,预计2008年投入运行,其主要目标瞄准民用市场,兼顾军用。
GALILEO系统将首次提供不同级别的民用服务并进行收费授权,其性能预计不低于完成现代化后GPS达到的性能,是GPS系统未来最有力的竞争者。
我国在20世纪80年代开始论证区域性的卫星导航系统,并于90年代末建立“北斗”双星定位系统,可用于我国领土及周边地区的区域性定位和导航。
双星定位系统采用有源测距体制,主要用于军用,目前用户接收机已投入生产。
90年代术至今,我国还开展了二代导航卫星系统的研究和论证,目前己进入系统定义阶段。
北京交通人学硕十学住论文绪论1.2研究的内容和方法
本研究的主要内容是在GPs定位系统下,实现与之相配套的用户接收机的软件,用户接收机具体功能包括:
1.具有连续实时导航、定位、铡速功能。
2.具有导航信息、定位和测速结果显示与输出功能。
3.具有人机交互控制功能。
4.具有卫星星历和历书的存储、输入功能。
5.具有外部校时功能。
6.具有概略坐标和时间输入功能。
7.具有可见及锁定卫星指示功能。
8.具有卫星号、卫星概略方位显示功能。
9.具有模块故障报警等工况信息显示功能。
lO.具有数据接口,完成信息输入/输出功能。
11.设备断电后具有内部数据保护功能。
12.具有坐标和坐标系转换功能。
本研究是在DSP平台上,采用1rI公司专门为实时多任务应用配置的BIOS实时多线程开发环境,通过软中断和硬中断来调度不同的处理模块,完成实时处理。
在本研制过程中,作者本人承担了软件总体构架,接收机通道部分大部分软件开发工作。
由于接收机对时间要求严格,各个进程都是通过中断调用完成的,这就对软件的设计提出了较高的要求,必须合理安排各进程的执行流程,并且要兼顾效率。
而通道部分则是整个接收机的关键部分,它主要完成信号的捕获跟踪以及同步,只有通道稳定,才能进行下一步的导航解算,这也对软件的实施提出了比较高的要求。
从试验结果看,软件构架设计合理,运行可靠且效率较高,通道部分运行稳定,对信号的锁定较好,达到了设计的要求。
具体细节在下面的章节中详细介绍。
北京交通人学硕+学何论文GPS系统简介26PS系统简介
2.1GPS系统概述
全球定位系统（GlobalPositioningSystem,GPS是美国从20世纪70年代开始研制的,历时20年。
耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
经近10年我国测绘等部门的使用表明,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
GPS是美国第二代卫星导舷系统,是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。
和子午仪系统一样,全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户设备部分组成。
2.1.1空间部分
空间部分由已经布设完毕且投入使用的32颗GPs导航星构成,轨道高度为20182km。
32颗导航星分布于6个轨道面。
轨道面倾角为55。
。
这样的轨道配置可以保证在全球任何位置、任何时间均可同时观测到至少4~6颗卫星,从而保证了全球连续实时定位的能力。
卫星上装有稳定度为10”的精密原子钟,各个卫星的原子钟相互同步,并且与地面站组的原子钟同步,这样就建立起导航星精密时间系统,也就是GPS时间系统。
导航星上的遥测发射机将卫星的各种遥测数据发送到地面站组,同时卫星上接收机接收上行注入站发射的导航信息。
包括大气校正参量、时钟校J下参量、卫星星历以及全部32颗导航星的历书等,同时也接收地面主控站的控制指令。
为了提高信号的抗干扰性能和保密性能,卫星上的导航发射机采用码多分址（CDMA的技术在两个频率（LI=1575.42MHz,L2=122760MH2上广播测距码和导航数据。
导航数据提供给接收机,以确定卫星在发射信号时的位置,而测距码使用户接收机能够确定信号的延时,从而确定卫星到用户的距离。
这种技术要求用户接收机也包含一个时钟。
利用这种技术来测量接收机的三维位置时,要求测量到4颗卫星的TOA（单向达到时问》距离。
如果接收机已经是与卫星时钟同步的,便只
北京交通人学硕十学位论文GPS系统简介
需要3个距离测量值。
然而导航接收机中一般使用石英钟,以使接收机的价格、复杂性和尺寸减至最小。
因此,为测量用户的经度、纬度、高度和接收机相对于内在系统时的偏移,需要有4个测量值。
GPS提供两种服务:
标准定位服务（SPS和精密定位服务（PPS。
SPS是指定为民用社团使用的,而PPS是指定为美国核准的军方用户和选定的政府部门用户使用的。
每一个GPS卫星发射的信号包括三种成分:
数据码、伪随机码和载波频率信号。
其中:
数据码记作D《f,又称为导航电文编码,包括卫星星历、历书、卫星钟差改正参数、大气电离层参数以及测距时间标志等信息。
伪随机码包括C/A码和P码,伪随机码在作为扩频码的同时也用作测距码。
载波频率信号取L波段的两种不同频率信号。
2.1.2地面监控部分
地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。
每个监控站的位置是精密测定的。
监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器以及进行数据初步处理的计算机,其主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据送到主控站,主控站负责对地面监控站的全面控制。
它负责收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据,利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道位置以及卫星钟修正值,依次外推一天以上的卫星星历以及钟差,并按一定格式转化为导航电文。
上行注入站任务是当导航星运行到其上空时,通过S波段的指令和控制线路将导航数据及主控站指令注入卫星。
其后,由监控站继续收集卫星的遥测检验数据,以核实卫星注入过程。
主控站至少收集一条来自监控站接收机信道的遥测数据,才能完成注入检验任务。
2.1.3RP￥信号构成
GPS卫星采用CDMA体制,所有的GPS卫星使用相同载波广播信号,GPS卫星之阃采用不同的伪随机码来区分和识别。
GPS卫星所广播的信号,包括载波信号、伪随机码和数据码,其中载波信号包括L1载波和L2载波,伪随机码包括P码和C/A码,L2载波用于调制P（Y码,Ll载波上调制有P码和C/A码,P码用于精密定位服务（PPS,C/A码用于杯准定位服务（SPS。
此外,目前在GPS现代化过程中,GPs:
卫星广播信号又拟增加Lj载波和M码,本设计所研发的GPs接收机只捕获
L1载波的C/A码.因此,仅就I,l载波GPS信号进行描述。
每一个GPS卫星发射的信号包括兰种成分:
数据码、伪随机码和载波频率信4
号。
其中:
数据码记作D“,又称为导航电文编码,包括卫星星历、历书、卫星钟差改J下参数、大气电离层参数以及测距时『自J标志等信息。
伪随机码包括C/A码和P码,伪随机码在作为扩频码的同时也用作测距码。
载波频率信号取L波段的两种不同频率信号:
L1载波（频率_f:
一54x.‘=1575.42MHz,波长丑=19.03em和L2载波（频率疋=120×兀=1227.6MHz,波长^=24.42cm,所有这三种信号分量都是在同一个基本频率fo=10.23MHz的控制下产生的。
GPS信号产生如图2一l所示:
2.1.4GPS导航电文
图2-1GPS信号产生
GPS卫星的导航电文是由地面监控系统的注入站上注给GPS卫星的,它是用户进行定位和导航的数据基础,主要包括:
卫星星历、时钟修J下、电离层时延修正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
这些信息是以二进制码的形式按规定的格式组成,按帧向外播送,卫星电文又叫数据码（D码。
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主帧子帧字
子帧1子帧2子帧3子帧4子帧5
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图2-2GPS导航电文结构
如图2—2所示,GPS导航电文的基本单位是主帧,25个主帧组成一个超帧。
每个主帧包括5个子帧,每个子帧有10个字,每个字有30bit,因此一个主帧总长1500bit。
由于D码的传输速率是50bit/s,所以传完一个主帧需30秒。
第1、2、3子帧构成一个完备的数据集合,每30秒重复一次。
第4、5子帧各有25个页面（分别包含在25个主帧中,要连续接收25个主帧才能够得到一个完备的数据集,即需要750秒（12.5分钟。
导航处理模块将接收到的电文分为两类进行管理:
历书和精密星历。
历书由第4、5子帧中的1--32号星的历书和第4帧中的电离层修正模型和UTC数据构成,其内容最快6天更新一次,历书中的参数用于选择和预报星座,以便于通道较快地捕获到所选的待测卫星。
典型情况下GPS接收机在对5个分帧作25次迭代（12.5分钟之后才得到完整的导航电文。
2.1.5GPS坐标系统
卫星定位中常采用空间直角坐标系及其相应的大地坐标系,一般取地球质心作为坐标系的原点。
根据坐标轴指向不同,可分为天球坐标系和地球坐标系。
地球坐标系随地球旋转,便于描述地面点的空间位置,天球坐标系与地球自转无关便于描述空『自J卫星的位置。
由于地球是不均匀的椭球体,在闩月引力等因素的影响下,使地球自转轴的方向发生变化,天球坐标系由于存在岁差和章动,一般采用协议天球坐标系:
同样地球坐标系存在极移,一般采用协议地球坐标系。
GPS接收机通过接收4颗以上GPS卫星信号来测定接收机位置,接收机空问位置随地球的自转而运动.而GPS卫星是围绕地球质心旋转而与地球自转无关。
因此GPS定位有其坐标系.与其它坐标系可以通过坐标转换来实现。
直角坐标系M转换,“泛采用布尔莎（M.Bursa模型,参心坐标系与地心坐标系|’日J转换还广泛采用莫洛紧斯基
北京交通人学硕十学位论文GPS系统简介
（Molodensky模型。
GPS卫星星历是以WGS一84（WorldGeodeticSystem1984坐标系为根据而建立的。
WGS一84大地坐标系属于协议地球坐标系,其几何定义是:
原点位于地球质心,Z轴指向BIHl984.O定义协议地球极（CTP方向,X轴指向IHl984.O定义零度子午面与CTP赤道的交点,Y轴与z,X构成右手坐标系。
四个基本常数为:
1.长半轴a=6378137m
2.地球引力常数GM=2986005x10W/s2
3.正常化二阶带谐系数C一484.16685xi酽
4.地球自转角速度w=7.292115x101rad/s
2.1.6GPS时间系统
在GPS卫星定位中,时间系统具有重要意义。
作为观测目标GPS卫星以3.8km/s的速度运动,对观测者来说卫星的位置和速度都在不断变化。
在计算卫星位置时,必须给出对应的时刻。
GPS定位是通过测量GPS信号传播时间来计算接收机和卫星间的伪距,高精度定位必须精确测定信号的传播时间。
而且由于地球的自转,在天球坐标系中,地球上点的位置是不断变化的。
通常时间系统有以下几种:
1世界时（UniversalTime—uT:
以地球自转运动为基础,分恒星时（SiderealTimr_ST、平太阳时（MeanSolarTime__MT、世界时,是一种不均匀的时间系统。
2原子时（AtomicTimP—AT>:
位于海平面上的艳133原子基态两个超精细能级,在零滋玄场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间,为一原子时秒。
该原子时秒为国际制秒（SI的时间单位。
在卫星测量学中,原子时作为高精度的时间基准,普遍地用于精密测定卫星信号的传播时间。
3力学时（DynamiCTimP—DT:
在天文学中,天体的星历,是根据天体动力学理论建立的运动方程而编算的,其中所采用的独立变量是时问参数T,这个数学变量T,便定义为力学时。
力学时是均匀的。
4协调世界时（CoordinateUniversalTime—UTC:
在诸如大地天文测量、天文导航和空『白J飞行器的跟踪定位等应用中,当前仍需要以地球自转为基础的世界时。
但是,由于地球自转速度长期变慢的趋势（近二十年来,世界时每年比原子时约慢lS,从1972年便采用了一种以原子时秒为基础,在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷的时1.日J系统,称为协调世界时（UTC。
协调世界时秒长,严格等于原子时的秒长,采用跳秒的办法,使协调时与世界时的时刻相接近。
目前,几乎所有的国家时号的发播,均以Wc为基础。
为了精密导航和测量的需要,全球定位系统
北京交通人学硕十学位论文GPS系统简介
建立的专用GPS时间系统（GPST。
GPS时属于原f时系统,其秒长与原子时相同,但与国际原子时具有不同的原点。
GPST与UTC的时刻,规定于1980年1月6闩O时相一致。
2.1.7用户设备
用户设备接收导航星发射的信号,经解扩、解调,从中提取卫星星历、伪距、伪距变化率、时钟修正、大气校正参量等数据,从而解算出用户的三维位置、三维速度、时钟信息等。
用户机可分为许多种类:
按照使用环境来分,可分为低动态、高动态用户接收机。
按照所使用的码型来分可分为C/A码接收机和P码接收机。
目前存在两种基本类型的接收机:
（1仅跟踪C/A码的;（2同时跟踪C/A码和P（Y码的。
PPS用户一般使用同时在Ll和L2上跟踪P（Ⅵ码的设备,这类设备在初始工作时在L1上跟踪C/A码,然后转换到跟踪Ll和L2上的P（Y码。
SPS用户使用只跟踪Ll上的C/A码设备,这是因为C/A码通常只在Ll频段上广播。
2.2GPS系统的导航原理
GPS卫星的发射都使用了直接序列扩频（DSSS调制,同时向用户传送测距信号和导航电文。
测距信号是一些伪随机码（PRN,二进制相移键控（BPSK调制在卫星的载频上。
导航电文中含有卫星的位置信息。
用户接收机在某一时刻同时接收三颗以上的导航星信号,测量出测量点（接收机天线中心P至各颗卫星
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