卫星导航中P码直接捕获的研究

论文摘要

GPS是20世纪70年代由美国研制的新一代卫星导航定位系统,向全球范围内的用户提供导航、定位和授时服务。GPS采用扩频系统的架构,主要采用两种扩频码:C(Coarse)码和P(Precise)码。与C码相比,P码码速率高而且周期长,具有精确度高、抗干扰能力强的特点。为了能够得到电文信息,接收机需要正确解调和解扩信号。解调的前提是要能够找到多普勒频移,解扩的前提是要能够找到扩频码的初始相位。传统的P码捕获方法是先捕获C码,解算出电文,然后从电文中提取信息HOW(Handover Word),最后再根据这个时间信息捕获P码;但是当C码遭受攻击时,必须完成对P码的直接捕获。本文针对GPS接收机中的码捕获技术进行了研究,提出了P码直接捕获的方法,使用MATLAB对其进行了理论仿真。首先,本文介绍了选题背景以及GPS的相关知识,给出了P码的直接捕获的重要意义。其次,详细介绍了导航接收机的结构及各个功能单元的作用,并给出了几种常用的码捕获方法;再次,阐述了卫星导航中所使用的扩频码生成框图,并从相关特性的角度对比出P码的优越性。为了捕获P码,本文还推导了P码的任意时刻加载模型。最后,本文给出了通过C码捕获引导P码捕获的硬件实现流程并提出了利用FFT直接捕获P码的方案。在不同的载噪比环境下,仿真了系统的捕获性能。同时,本文还提出了两个改进模块:使用信号平方法抵抗比特翻转以及使用分块法计算长序列的相关值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 本课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外卫星导航定位接收机研究现状
• 1.3.1 GALILEO 卫星系统
• 1.3.2 GLONASS 系统
• 1.3.3 中国北斗系统
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 GPS 接收机原理与结构
• 2.1 引言
• 2.1.1 二维位置的确定
• 2.1.2 公共时钟的偏差与补偿
• 2.1.3 公共通过卫星产生定位的原理
• 2.2 GPS 信号的特性
• 2.2.1 调制方式
• 2.2.2 扩频方式
• 2.2.3 复用方式
• 2.3 GPS 接收机结构
• 2.3.1 数字接收机通道
• 2.3.2 载波跟踪环
• 2.3.3 码跟踪环
• 2.3.4 码和载波的捕获
• 2.4 本章小结
• 第3章 扩频系统及常用的伪码捕获技术
• 3.1 引言
• 3.2 扩频系统的构成
• 3.3 常用伪码捕获技术
• 3.3.1 滑动相关法
• 3.3.2 码环匹配滤波器同步法
• 3.4 本章小结
• 第4章 GPS 中的扩频码生成及特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 m 序列及 Gold 序列的产生
• 4.3 C 码分析
• 4.3.1 C 码的产生
• 4.3.2 C 码特性分析
• 4.4 P 码分析
• 4.4.1 P 码的产生
• 4.4.2 P 码的加载模型
• 4.4.3 P 码的特性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于FFT 的捕获原理及实现
• 5.1 引言
• 5.2 FFT 与自相关的关系
• 5.2.1 相关函数与线性卷积的关系
• 5.2.2 FFT 与线性卷积
• 5.3 P 码的引导捕获及硬件实现
• 5.3.1 捕获基于的硬件平台及硬件接口描述
• 5.3.2 设计DSP 的Bootloader
• 5.3.3 C 码的捕获
• 5.3.4 比特同步和帧同步
• 5.3.5 CRC 校验
• 5.3.6 转换码
• 5.4 基于FFT 的P 码直接捕获原理仿真
• 5.4.1 基于FFT 捕获的原理
• 5.4.2 非周期序列的补零处理
• 5.4.3 P 码直接捕获算法
• 5.4.4 P 码捕获仿真结果
• 5.4.5 仿真时间需求分析
• 5.4.6 存储资源需求分析
• 5.5 对载波环捕获进行的改进
• 5.5.1 二次曲线拟合
• 5.5.2 信号平方法
• 5.6 对FFT 算法进行分块实现
• 5.6.1 算法描述
• 5.6.2 误差分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢