GPSL2C信号仿真和分析研究

论文摘要

美国政府启动的GPS现代化的一个主要措施是在L2频段上增加第二个民用码-L2C（L2 Civil）码以满足民用用户对复杂环境下高精度导航定位的需求。至2010年2月,能发送L2C码信号的现代化GPS Block IIR-M卫星已经达到8颗,国际GPS服务机构（IGS）也组织成立了L2C码信号跟踪站网络。L2C信号采用前向纠错编和时分复用技术,具有更低的载波跟踪门限和数据解调门限使得L2C能够实现在室内、树阴遮蔽等微弱信号条件下的捕获。同时,日益增长的双频GPS用户可以利用L1C/A信号和L2C信号校正电离层传输延时来消除电离层误差和快速解决相位模糊度。另外由于采用更为紧凑的导航电文帧格式以及分离的有数据通道和无数据通道使得L2C信号比传统的L1 C/A码信号具有更多的优势,必将会得到广泛深入的应用,对L2C信号的深入研究越来越引起学术界的重视。本文以GPS现代化新增民用信号的仿真处理作为研究目标,以GPS L2C信号处理作为研究对象。由于信号模拟器是新信号研究的重要方法和工具,故本文主要内容集中于GPS L2C信号软件仿真技术的探索和研究,以及L2C信号的捕获算法的实现,包括基于快速傅里叶变换的圆周卷积算法和基于双块零扩展的算法。本文的主要工作可以概况为以下几点:1.在对导航电文结构探索和研究的基础上,对传统的GPS导航电文结构和民用导航电文结构进行了对比分析。从电文结构、电文内容和电文播发三个方面进行了比较,说明了L2C民用导航电文的先进性。2.详细分析了GPS L2C信号的组成结构和特点,重点强调了与C/A码不同的时分多址机制和前向纠错技术,并通过Simulink的仿真模块实现了CM码,CL码的产生以及最终的L2C信号的生成。并通过对仿真生成的信号进行自相关特性和频谱特性的验证,证明了仿真信号的正确性,为下一步仿真信号的捕获研究提供理论依据和技术支撑。3.介绍了针对GPS L2C信号的捕获方法,包括理论推导和必要的模型设制,然后通过跟踪仿真实验进行了实现。主要对两种方法进行实现,一种是基于快速傅里叶变换和反变换的循环卷积捕获法和基于双块零扩展的捕获法。跟踪实验结果表明,两种方法都具有稳定和优越的捕获性能。本文在阐述了L2C信号的构成和产生的基础上,使用Simulink对L2C信号进行仿真,并分析了GPS L2C信号的时域和频域的特性,阐述了明确的设计思路,并通过仿真实验初步验证了其可行性,为现代化的GPS软件接收机的研究提供可靠的信号数据源。并在此基础上研究L2C信号的基于FFT的循环卷积算法和改进的双块零捕获算法,利用Matlab平台实现了对L2C信号的捕获处理。最后对L2C码的民用导航电文和C/A码的导航电文从结构、内容和播发三个角度分别进行了比较,为深入研究GPS L2C信号提供了有益的探索,具有较强的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.2.1 原始GPS系统及缺陷
• 1.2.2 GPS现代化
• 1.2.3 L2C信号
• 1.3 研究内容及安排
• 第二章 GPS L2C信号的结构与特性
• 2.1 GPS L2C信号的结构
• 2.1.1 GPS L2C信号的调制结构
• 2.1.2 CM码和CL码的构成
• 2.2 CM码和CL码的产生
• 2.3 前向纠错技术和导航电文结构
• 2.4 与C/A码的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 CNAV与NAV导航电文比较
• 3.1 电文的结构
• 3.2 电文的内容改进
• 3.3 电文的播发
• 3.4 本章小结
• 第四章 GPS L2C信号的软件模拟
• 4.1 GPS L2C信号的软件模拟结构
• 4.1.1 单卫星的L2C中频信号数学模型
• 4.1.2 多卫星的GPS L2C中频信号数学模型
• 4.2 基于SIMULINK实现的L2C中频信号模拟
• 4.2.1 设计框架
• 4.2.2 扩频码产生模块
• 4.2.3 L2C码的时域仿真
• 4.2.4 载波及噪声源模块
• 4.3 中频信号仿真结果分析
• 4.3.1 仿真信号的自相关特性
• 4.3.2 仿真信号的频域特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于循环卷积与双块零扩展的L2C信号捕获
• 5.1 L2C信号的捕获
• 5.2 循环卷积（FFT/IFFT）
• 5.2.1 FFT块处理技术
• 5.2.2 CM码开始时间捕获计算
• 5.3 改进的双块零扩展（DBZP）
• 5.3.1 CM码的捕获
• 5.3.2 最可能的数据位组合
• 5.3.3 精捕获
• 5.3.4 CL码捕获
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文回顾及结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢