学士学位论文—-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.doc
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1、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。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名: 日 期: 本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留论文及送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定
2、)学生签名: 指导教师签名: 日期: xxx大学毕业论文摘 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
3、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
4、频接收机 ABSTRACTGlobal navigation satellite system is a worldwide radio navigation system, which has been built up by using satellites orbiting the earth. It has the advantages of all-weather, real-time and high precision, so it has been widely used. Since American GPS put into operation, it has put an
5、 important impact on the economy and military worldwide, the dependence of the countries around the world for it grows increasingly. At the same time, in order to protect their own safety and avoid the subject to American, some countries have developed their own satellite navigation systems. Immedia
6、tely following America, Russian built GLONASS system, the European Unions Galileo (GALILEO) system and the Beidou 2nd generation navigation satellite system of China are also being developed and deployed. The acquisition of satellite signal is the primary task of the satellite signal receiver. Only
7、after the completion of the acquisition of satellite signal, we can start further processing, such as tracking, navigation and measurement extraction. The acquisition of satellite signal is actually a two-dimensional search process, namely, at the same time from the pseudo random code phase and Dopp
8、ler frequency shift of the carrier wave direction. This search was designed to determine the observed satellite, and estimate the Doppler frequency shift of the carrier wave and code phase.Firstly, this paper introduces the global navigation satellite system simply and compares the positioning perfo
9、rmances of four kinds of navigation satellite system; then, the positioning principle of the GPS, the structure of the GPS signal and the structure and principle of the single frequency receiver are studied; and then, on the basis of mastering the acquisition principle of the satellite signal, we an
10、alysis and study the time-domain serial acquisition algorithm, parallel frequency domain acquisition algorithm and fast code phase acquisition algorithm; finally, based on single frequency receiver on the PC, we realize fast code phase acquisition algorithm of the GPS satellite signal with MATLAB so
11、ftware, it is demonstrated that the No.7 satellite signal was captured, whose Doppler frequency shift was 7 KHz and the C/A code initial phase was 120 degree.Keywords: Global navigation satellite system, The acquisition principle, Single frequency receiver目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 全球导航卫星系统的发展概况11
12、.1.1 美国GPS发展现状11.1.2 俄罗斯GLONASS发展现状11.1.3 欧盟GALILEO发展现状21.1.4 中国北斗导航卫星系统21.2 全球导航卫星系统定位性能对比分析21.2.1 GPS系统定位性能21.2.2 GALILEO系统定位性能31.2.3 GLONASS系统定位性能31.2.4 北斗导航卫星系统定位性能41.2.5 对比分析总结41.3本课题研究背景和意义51.4本课题研究内容6第二章 GPS系统概述72.1 GPS系统原理72.1.1 GPS系统结构72.1.2 GPS定位原理82.2 GPS导航定位信号92.2.1 GPS载波信号92.2.2 GPS伪随机噪
13、声码102.2.3 GPS导航电文122.3 GPS接收机132.3.1 GPS接收机分类132.3.2 GPS接收机结构132.3.3 GPS接收机原理14第三章 GPS卫星信号的捕获163.1 多普勒效应163.2 捕获原理183.3 捕获关键参数193.4 捕获算法203.4.1 串行时域捕获算法203.4.2 并行频域捕获算法213.4.3 快速码相位捕获算法223.5 捕获算法性能23第四章 单频接收机实现GPS卫星信号捕获254.1 伪随机码的产生254.1.1 C/A码仿真254.1.2 P码仿真264.2 GPS信号的产生294.3 GPS信号的捕获32第五章 总结与展望34参
14、考文献35致 谢36IV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
15、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GL
16、ONASS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
17、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
18、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
19、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
20、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1.2.1 GPS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: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;粗码,
21、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
22、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。1.2.2 GALILEO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。G
23、ALILEO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:商业服务(CS);公共管理业务(PRS);生命安全服务(SOL);搜
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