全球导航卫星系统的捕获原理与单频接收机实现电子信息工程本科本科论文.docx
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全球导航卫星系统的捕获原理与单频接收机实现电子信息工程本科本科论文
本科毕业论文
题
目
全球导航卫星系统的捕获原理
与单频接收机实现
学生姓名：
专业：
电子信息工程
指导教师：
xx
完成日期：
2015年5月29日
诚信承诺书
本人承诺：
所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。
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指导教师签名：
日期：
摘要
全球导航卫星系统是一种利用地球轨道卫星建立起来的覆盖全球的无线电导航系统。
它具有全天候、实时性和高精度的特点，因而得到了广泛的应用。
自美国的GPS投入运行以来，它对当今世界的经济和军事产生了重大影响，世界各国对它的依赖性不断增强。
与此同时，一些国家为了保障自身安全，避免受制于美国，纷纷研制自己的导航卫星系统。
紧随美国之后，俄罗斯建成了GLONASS系统，欧盟的伽利略（GALILEO）系统和中国的北斗二代导航卫星系统也正在研制和部署。
卫星信号的捕获是卫星信号接收机的首要任务。
只有完成卫星信号的捕获，才能开始后续处理过程，如跟踪、定位导航和观测量提取。
卫星信号的捕获实际上是一个二维搜索过程，即同时从伪随机码相位和载波多普勒频移方向进行搜索。
这一搜索的目的是确定观测到的卫星，并估计出载波多普勒频移和码相位。
本课题首先简单介绍全球导航卫星系统，对比四种导航卫星系统的定位性能；然后研究GPS的定位原理、GPS信号的构成以及单频接收机的结构和原理；接着在掌握卫星信号捕获原理的基础上，分析并研究了串行时域、并行频域与快速码相位捕获算法；最后，采用MATLAB软件在PC机上基于单频接收机实现了GPS卫星信号的快速码相位捕获算法，捕获到7号卫星信号，其多普勒频移为7KHz，C/A码初始相位为120度。
关键词：
全球导航卫星系统；捕获原理；单频接收机
ABSTRACT
Globalnavigationsatellitesystemisaworldwideradionavigationsystem,whichhasbeenbuiltupbyusingsatellitesorbitingtheearth.Ithastheadvantagesofall-weather,real-timeandhighprecision,soithasbeenwidelyused.SinceAmericanGPSputintooperation,ithasputanimportantimpactontheeconomyandmilitaryworldwide,thedependenceofthecountriesaroundtheworldforitgrowsincreasingly.Atthesametime,inordertoprotecttheirownsafetyandavoidthesubjecttoAmerican,somecountrieshavedevelopedtheirownsatellitenavigationsystems.ImmediatelyfollowingAmerica,RussianbuiltGLONASSsystem,theEuropeanUnion'sGalileo（GALILEO）systemandtheBeidou2ndgenerationnavigationsatellitesystemofChinaarealsobeingdevelopedanddeployed.Theacquisitionofsatellitesignalistheprimarytaskofthesatellitesignalreceiver.Onlyafterthecompletionoftheacquisitionofsatellitesignal,wecanstartfurtherprocessing,suchastracking,navigationandmeasurementextraction.Theacquisitionofsatellitesignalisactuallyatwo-dimensionalsearchprocess,namely,atthesametimefromthepseudorandomcodephaseandDopplerfrequencyshiftofthecarrierwavedirection.Thissearchwasdesignedtodeterminetheobservedsatellite,andestimatetheDopplerfrequencyshiftofthecarrierwaveandcodephase.
Firstly,thispaperintroducestheglobalnavigationsatellitesystemsimplyandcomparesthepositioningperformancesoffourkindsofnavigationsatellitesystem;then,thepositioningprincipleoftheGPS,thestructureoftheGPSsignalandthestructureandprincipleofthesinglefrequencyreceiverarestudied;andthen,onthebasisofmasteringtheacquisitionprincipleofthesatellitesignal,weanalysisandstudythetime-domainserialacquisitionalgorithm,parallelfrequencydomainacquisitionalgorithmandfastcodephaseacquisitionalgorithm;finally,basedonsinglefrequencyreceiveronthePC,werealizefastcodephaseacquisitionalgorithmoftheGPSsatellitesignalwithMATLABsoftware,itisdemonstratedthattheNo.7satellitesignalwascaptured,whoseDopplerfrequencyshiftwas7KHzandtheC/Acodeinitialphasewas120degree.
Keywords:
Globalnavigationsatellitesystem,Theacquisitionprinciple,Singlefrequencyreceiver
第一章绪论
1.1全球导航卫星系统的发展概况
1.1.1美国GPS发展现状
美国政府于20世纪70年代初正式提出了GPS导航卫星系统的研制计划，之后经过20多年的实验和研究，至20世纪90年代初，构建完成了几乎覆盖全球的GPS体系卫星星座。
该系统于1995年建成并正式开始投入运行，其研制最初的目的是服务于美国的作战部队，为其提供战术性导航定位服务，主要用途在于军事方面，如核爆监测，应急通信以及信息收集等。
美国GPS导航卫星系统的建设是其独霸全球战略中的重要组成部分，也是美国历史上第三大国家级的航天规划。
简单地说，GPS导航卫星系统是一个由24颗地球轨道卫星构成的全球性的卫星导航体系，截止到2009年底，美国共发射了4种类型的GPS卫星。
GPS是全球卫星导航系统中第一个投入运行和应用的导航系统，并且该系统是1999年以来唯一的一个一直稳定运营的系统。
GPS系统为了确保其在轨卫星能够收集到目标观测点的精确位置信息，以实现系统的定位、导航和授时等功能，要求其卫星星座的构建能够满足在地球上任何位置都能实时观测到四颗或四颗以上的GPS在轨卫星。
1.1.2俄罗斯GLONASS发展现状
俄罗斯GLONASS系统于上世纪七十年代由苏联国防部独立控制和研发，与美国GPS系统的研发几乎是同时起步，主要用于应对美国GPS的垄断。
在应用方面与美国GPS系统较为相似的是，俄罗斯GLONASS系统也建立了完善的民用渠道，可供民间、国防使用，并且不计划对用户收费。
与之不同的是，GLONASS系统不附带任何使用限制，也在早期声明中强调不引入会降低定位精度的可用性选择。
苏联在上世纪八十年代末分两次公布了GLONASS系统的界面控制文件，这在很大程度上促进了GLONASS系统导航定位业务的推广。
由于二十世纪九十年代俄罗斯经济的衰退，GLONASS系统的发展相对滞后，其卫星星座的建设进度也远落后于GPS系统，体系的卫星无法得到有效的维护和补充，甚至其在轨卫星数量出现过大量减少的状况，导致体系星座完整度遭到严重破坏，致使其可用性大大降低。
近年来随着导航卫星系统在现代战争中战略性地位的提升以及俄经济的复苏，俄罗斯政府加快了GLONASS系统现代化步伐，使其得到了快速发展，并逐渐成为可以与GPS相媲美的全球第二大导航系统。
在全球性卫星定位系统的发展过程中，GLONASS系统自从出现就开始了向GPS系统的垄断地位发起挑战，它极大促进了全球导航卫星系统的服务政策向用户倾斜。
1.1.3欧盟GALILEO发展现状
GALILEO系统是欧盟正在研发建设中的全球性卫星定位系统，实际上，也是继GPS系统和GLONASS系统之后，第三个可以提供民用窗口的全球性导航卫星系统
。
GALILEO系统于2010年开始运营，它是全球第一个既具有商业性质又完全向民用开放的定位系统。
欧盟研发本土卫星定位系统的主要目的是增强卫星定位信号对高纬度国家和地区的覆盖（如芬兰、瑞典等国家），减少对美国GPS导航系统的依赖，打破美国GPS系统一家独大的局面，增强欧盟的凝聚力，提高欧盟的科技实力和国际地位，为全球用户提供更高质量的定位服务。
欧盟希望GALILEO导航系统既能为军方和政府提供更高安全级别的加密信号，又能够为民用个体提供更高精度的导航定位信号。
2011年卫星导航定位的验证阶段完成后，欧盟又发射其余的26颗卫星完成了GALILEO系统卫星星座的布设，预计在2018年前后形成一个可以面向全球开展服务的导航定位系统。
GALILEO导航系统在欧盟各国的大力支持下得到了快速发展，并以强劲的竞争力跻身全球导航卫星系统市场，并与其他的全球性卫星定位系统实现兼容，能够为用户提供高质量和高可靠性的导航定位服务，并在很大程度上加快了GNSS的现代化步伐。
1.1.4中国北斗导航卫星系统
北斗导航卫星系统是继GPS系统和GLONASS系统之后建立起来的第三个全球性卫星定位系统，也是由我国独立研发和控制的面向全球用户的定位系统。
中国作为世界上最大的发展中国家，在发展导航卫星系统时具有很大的市场潜力，同时导航卫星系统在未来军事中也将具有无可替代的地位。
在海湾战争中，美国GPS系统在现代战争中展现出其突出的战略地位，无论是出于国家安全考虑还是政治经济利益的需要，建设研发自己的全球导航卫星系统都迫在眉睫。
我国北斗导航卫星系统的建设研发总体规划分三步实施：
第一步，到2000年前后服务范围完全覆盖本土；第二步，到2010年前后服务范围覆盖整个亚太地区；第三步，到2020年前后服务范围覆盖全球。
中国北斗导航卫星系统在发展中将遵照“自主、开放、渐进、兼容”的原则，积极实现与其它全球性卫星定位系统间的兼容，在国际上开展广泛的交流与合作，逐步在卫星导航定位领域的国际舞台上占有一席之地[1]。
1.2全球导航卫星系统定位性能对比分析
1.2.1GPS系统定位性能
GPS系统的卫星定位信号有两种不同类型的伪随机噪声码：
①精码，即P码，主要用于军事方面的高精确度定位，加密后的精码称为Y码，并且Y码的使用需要经过GPS授权；②粗码，即C/A码，主要用于民事用途[2]。
利用GPS卫星信号定位时，其定位精度受很多因素的影响，例如电离层对卫星信号的干扰、在轨卫星时钟误差和星历误差、卫星信号接收机对导航信号的处理能力以及卫星信号传输时延误差等。
GPS系统采用码分多址复用的方式发送导航定位信号，并且每颗卫星发送的伪随机码各不相同，因此，可以使用伪随机噪声码进行区分工作在相同频率上的卫星信号。
美国在刚开始建设研制GPS定位系统时，其定位精度对于粗码来说是100m，而对于精码来说是10m。
后来，随着GPS系统现代化步伐的加快以及卫星信号接收机的迅速发展，GPS系统卫星信号的定位精度得到了大幅度提高。
就目前来说，自从美国政府实施GPS现代化政策以来，GPS系统卫星星座得到进一步完善，其在轨工作卫星的数目远远超过之前的规划数量，这在很大程度上降低了卫星信号接收机的定位误差。
在实际上，一般民用的GPS卫星信号接收机在条件良好的情况下可达到5m以内的定位精确度，而对于经过加密处理的军用导航定位信号而言，其定位精度甚至可以达到厘米级。
1.2.2GALILEO系统定位性能
GALILEO系统为欧盟自主研发的多模式全球导航卫星系统，能够提供高可靠性和高精确度的导航定位服务，并且完全向民用开放。
GALILEO系统正式投入运营后，用户可以使用其独特的多制式卫星信号接收机处理相对较多的卫星信号，这一举措极大地提升了GALILEO系统的定位精度。
GALILEO系统属于完全商业管控运营的，它可以向全球用户提供非常可靠的导航定位服务[1]。
与GPS系统一样，GALILEO系统卫星信号的编码方式是CDMA，即码分多址编码方式，其卫星信号调制频段分为四种，即L1频段、E6频段、E5A频段和E5B频段。
目前，GALILEO系统的每颗在轨卫星均可广播六种不相同的导航定位信号，编号分别是L1P、L1F、E5A、E6A、E5B及E6B。
到目前为止，GALILEO系统能够提供一种搜索援救服务和四种导航定位服务，其导航定位服务中包含三种付费的授权服务和一种无需付费的开放式服务，这些服务分别是：
①商业服务（CS）；②公共管理业务（PRS）；③生命安全服务（SOL）；④搜救业务（SAR）；⑤开放服务（OS）[1]。
GALILEO系统使用中轨道和高轨道卫星完成星座组网，其卫星星座的结构与GLONASS系统、GPS系统结构大致相同。
与GLONASS系统和GPS系统不同之处在于，GALILEO系统设计规划参与组网的卫星为30颗，使得GALILEO系统星座结构得到进一步的改善，能够为用户提供更高精度的导航定位服务。
欧盟在GALILEO系统的建设规划中提出，对获得一般授权的商业用户而言，GALILEO系统能够提供定位精度在1m以内的定位服务；对使用免费民用信号的普通用户而言，其定位精度在5m左右。
1.2.3GLONASS系统定位性能
GLONASS系统的卫星信号使用频分多址的编码方式，这不同于其他GNSS系统卫星信号所使用的编码方式。
GLONASS系统区分不同的卫星依靠的是其卫星信号载波频率上的变化，其设计研发的最初目的是为了有效提高导航定位系统抗干扰的能力，与GPS系统类似，GLONASS系统所有在轨卫星都广播2种不同载频的导航定位信号，即L1信号与L2信号。
根据俄罗斯的规划，未来发射的GLONASS系统卫星在保留原有的FDMA体制信号的同时，也将广播CDMA体制的信号，这为GLONASS系统在未来的发展开辟了广阔的道路。
随着俄罗斯经济的复苏，GLONASS系统现代化步伐不断加快，现有的G-K卫星已经具备广播CDMA体制信号的能力，这一措施将有效地提高GLONASS系统的测距范围和定位精度，并能更好地与其它卫星定位系统实现兼容。
近年来，随着GLONASS系统卫星星座的完善，其定位精度得到不断提高，特别是在最近5年里，其定位精度惊人地提高了将近一个数量级，若是在地面设备的辅助下，其在俄罗斯本土的定位精度已达厘米级。
实际上，随着卫星信号接收机和地面控制站的不断升级和发展，GLONASS系统在全球范围内的导航定位精度已经降低到1m左右，其性能并不亚于GPS系统。
1.2.4北斗导航卫星系统定位性能
北斗导航卫星系统的卫星星座由30颗NGEO卫星和5颗GEO卫星（地球同步卫星）构成，它的非静止轨道卫星包括3颗IGEO卫星和27颗MEO卫星。
IGEO卫星轨道倾角是
，3颗卫星均匀地分布在3个轨道面上，卫星轨道高度是36000千米；MEO卫星轨道倾角是
，27颗卫星均匀地分布在3个轨道面上，卫星轨道高度是21500千米[1]。
北斗卫星导航系统在S和Ｌ两个频段广播导航定位信号，其中在L频段三个频段上提供授权和开放服务。
北斗卫星导航系统在应用方面有五大特点：
①系统自主，特别适合关键特殊部门应用，信号运用复杂保密算法进行加密设计，稳定、安全、可靠；②适合多用户大范围监管以及有数据传送需求的用户进行可靠的数据传送；③具有独立的定位、导航和通信功能，不需要其它通信设备的铺助；④覆盖范围广，全天候服务，稳定性高，实时传输；⑤独特的管理型接收机设计以及集中模式的导航定位处理，能够同一时间解决通信双方的位置问题。
北斗导航卫星系统具有三种独特的功能：
①短报文通信服务，北斗导航卫星系统卫星信号接收终端能够进行双向短报文通信，用户使用终端设备每次能够发送50个汉字左右的报文；②定位速度快，北斗导航卫星系统具有高精度、全天候、实时高效的导航定位性能；③精确授时，北斗系统具备高精确度授时能力，能够为用户接收终端提供高达20纳秒的时间同步精度[2]。
1.2.5对比分析总结
GPS系统、GLONASS系统、GALILEO系统及BD-2系统参数指标对比如表1.1所示。
表1.1导航系统参数指标对比
类别
BD-2
GPS
GLONASS
GALILEO
卫星数目
35
24
24
30
轨道数目
3
6
3
3
轨道面间隔
120°
60°
45°
12°
轨道倾角
55°
55°
64.8°
56°
轨道高度/km
21500
20180
19100
23616
绕地球周期
11H58Min
11H58Min
11H15Min
14H21Min
时钟类型
铷原子钟
铯和铷钟
铷原子钟
铷钟和无源氢钟
军用定位精度/m
10
2
≤10
1
民用定位精度/m
20
20
30
10
GLONASS系统卫星导航定位信号采用频分多址的编码方式，系统依据导航定位信号的载频来分辨不同的卫星，而调制在每种载率上的PRN码是一样的。
不同的卫星信号的载频互不相同，使得系统能够防止其广播的卫星信号被人为地干扰，因此GLONASS定位系统具备较强的抗干扰性能。
而GPS系统卫星导航定位信号则使用码分多址的编码方式，不同卫星的导航定位信号的调制方式和载频是一样的，系统根据PRN码来区别不同的GPS卫星。
与GPS系统相比较，GALILEO系统在近地空间或者地面位置的定位精度略高于GPS系统，其时间同步精度达到100ns，免费的民用卫星信号的定位精度可达5米。
GALILEO系统卫星采用信号中继的方式传输卫星信号，即卫星与用户终端数据传输可以通过其他系统（如移动通信网）的中继来实现，这一点不同于GPS系统。
另外，GALILEO系统卫星信号接收机既能够接收本系统的卫星信号，也能够接收GLONASS系统或者GPS系统的卫星信号，即实现了与其他GNSS之间的兼容和互操作。
GALILEO系统还能将移动电话功能与导航功能相合，与GPS系统和GLONASS系统相比，可谓后来居上。
北斗卫星导航系统的定位精度和覆盖范围暂时略逊于其他的全球性定位系统，但其起步晚，发展快，投资小，设备简单，性价比高。
相对于其他的卫星导航系统，短报文通信功能是北斗卫星导航系统最突出的特点，其用户接收设备能够进行双向短报文通信。
1.3课题研究背景和意义
卫星定位技术自诞生以来便得到了迅速的发展，应用范围涉及诸多领域。
进入21世纪的头20年，由于世界经济总体发展欠佳，在一定程度上制约着卫星导航产业的发展，其发展速度与之前相比放缓，但相对于其他产业来说，卫星导航定位技术相关产业的发展前景和发展势头相对较好。
在未来军事领域的应用中，卫星导航定位技术将继续发挥着不可替代的作用，这使得对卫星导航定位技术的研究变得更加重要。
完成卫星信号的捕获是卫星信号接收机的首要任务，只有完成卫星信号的捕获，才能开始跟踪、定位、导航等后续处理过程[3]。
PRN码的捕获技术随着扩展频谱通信技术的发展而在不断进行着更新和改进。
随着我国自主研发的导航卫星系统向全球范围内推广，卫星导航产业的发展将逐渐成为国家重要的经济增长支柱，卫星导航定位技术将会成为研究热点，所以本课题对卫星导航系统捕获原理和单频接收机技术的研究具有极其重要的现实意义。
1.4本课题研究内容
论文首先简要介绍四种导航卫星系统发展概况，然后对比分析四种导航卫星系统的定位性能。
文章主要探究GPS的定位原理和GPS信号的构成和产生以及单频接收机的结构原理，在掌握卫星信号捕获原理的前提下，分析研究常用的捕获算法及其性能。
最后，基于MATLAB仿真平台，使用单频接收机实现GPS卫星信号的产生和捕获。
第一章：
首先阐述全球导航卫星系统的发展概况，接着对比分析四大卫星定位系统的定位性能，并总结出论文的研究背景和意义，最后给出了论文的内容和基本框架。
第二章：
本论文的理论基础。
首先阐述GPS系统原理，接着分析GPS卫星定位信号的构成和产生方法，最后分析研究GPS接收机。
本章节所做的工作为后续的章节提供重要的理论依据。
第三章：
重点研究GPS卫星信号的捕获。
首先简单分析GPS卫星信号的捕获过程，接着分析卫星信号捕获的关键参数，重点研究常用的捕获算法，最后评估这些捕获算法的性能。
第四章：
利用单频软件接收机实现GPS信号的捕获，基于MATLAB软件，仿真GPS信号的产生和捕获。
第五章：
总结展望全文。
概括本文所得成果，指出其中的不足，并展望下一步的研究方向。
第二章GPS系统概述
2.1GPS系统原理
实现GPS系统卫星信号的传输和接收基于扩展频谱通信理论，所谓扩频是指将基带信号的频谱通过某种调制方式扩展到占用很宽的带宽。
扩展频谱通信技术在GPS系统中的应用，简单地说就是：
在GPS卫星信号发送端用高比特率的伪随机序列去扩展数据信息码元的频谱（用多个伪随机码代替一个信息码元），整个过程分为伪随机码调制和载波调制两个阶段；信号到达卫星信号接收机则用同样伪随机序列进行解扩，获得数据信息。
扩展频谱通信技术在GPS系统中的应用具有两大特点：
伪随机编码调制和信号混频滤波处理，使其具有抗干扰、抗多径衰落、抗噪声、保密性强等优点，这是窄带通信技术所不具备的。
导航电文与伪随机
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