GPS信号测距仿真分析(学习笔记).docVIP

GPS信号体制和精度仿真分析 本文主要对GPS信号的体制进行了一些详细的分析，针对C/A的产生和GPS扩频通信系统进行了简单的仿真。在此基础上又对GPS的测距精度存在的主要问题进行了一些简单的讨论。 GPS信号体制 我们知道从卫星到地面接收机这中间的信号干扰太多，距离也很长，所以如何设置一种GPS的信号体制成了至关重要的问题。通常而言，GPS信号主要由载波、伪随机噪声码、和导航电文组成[1]。 载波有两个频段，L1=1575.42MHz为民用频段，L2=1227.60MHz为军用频段。相应地，伪随机噪声码也有两种，分别用于民用和军用：C/A码（Coarse/Acquisition Code）和P(Y)码（Precise Code）。C/A码是用于进行粗略测距和捕获P码的粗码，也称捕获码。周期Tc为1毫秒，一个周期含有码片即码长等于1023，每个码片持续的时间即码片周期Tb=1ms/1023=0.977517微秒，相应的码元宽度为293.25米。C/A码是一种公开的明码，可供全球用户免费使用。但C/A码一般只调制在L1载波上，所以无法精确地消除电离层延迟。测距精度一般为±（2~3）米。P(Y)码是精确测定从GPS卫星到用户接收机距离的测距码，也称精码。实际周期为一周，码长约为10e4，码元周期0.097752微秒，相应码元宽度为29.3米。P码同时调制到L1载波和L2载波上，测距精度约为0.3米。导航电文中包含了反应卫星在空间位置、卫星钟的修正参数、电离层延迟改正数等GPS定位所必要的信息，因此导航电文也称数据码（Data Message，D码），其传输速率为50bit/s。 由于P(Y)码军用周期太长，不便于接收，所以我们本文讨论的基本上都是C/A码。又以上信息可看出，C/A码码率是导航电文的20460倍，但由于C/A码长为1023，所以每发一比特导航电文，就要发送20次C/A码，因为它们的时间是同步的。 GPS信号分析 GPS如今如此成熟的应用来源于扩频技术带给它的优越的性能。虽然GPS传输50bps的导航数据需要超过2000MHz的带宽，但是却能让地面的接收机从茫茫的噪声中顺利地提取出特定卫星的GPS信号，扩频技术的成熟应用功不可没。 GPS卫星广播的导航信号格式如下所示： 任何一种信号都由4部分组成：a.振幅；b.导航数据D(t)；c.扩频码x(t)或者y(t)；d.RF载波或者。以此为基础，我们就可以针对C/A码的功率及其他特性进行讨论。 2.1 C/A码平均功率功率谱和幅度谱 可以计算其在T（T1/fL1）内的平均功率： 由于导航数据D(t)和码x(t)都是由双极性的序列-1或者+1构成的，所以它们的平方等于1。.下面我们来讨论扩频码x(t)的数学表达式： 其中P(t)表示基础码片的波形，具有单位宽度和高度，并以原点为中心。N为码长，1023。.Xn是为第n个脉冲的幅值[2]。 在讨论幅度问题时，我们可以忽略数据调制，并将载波相位偏置置为0.定义，那么这个简化信号的Fourier变换如下所示： 其中：，我们把称为变换码，因为它只与码有关，。 由以上的结论我们可以得到C/A码的Fourier变换的具体表达式： 下图显示了C/A码的幅度谱： 产生此C/A码的两个m序列对的系数和初始状态为：initial1：[1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] ，coeff1：[1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1]，initial2：[0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 ]，coeff2：[1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1]。 2.2 Gold码和其自相关和互相关性 我们知道C/A码也称为Gold码。1023个码片过后C/A码会开始重复，但是Gold码实际上可以用来构建任何长度N=2n-1的码，只要当n模4时不为零，比如码长为7,31,63,127…但不能为15和255。Gold码是由一对m序列优选对做模二加得到的。设有一对周期为N=2r-1的m序列优选对{a}和{b}，以其中任意一个序列为基准序列，如{a}，对另一个序列{b}进行移位i次，得到{b}的移位序列{bi }，然后与序列{a}进行模二加得到一个新的周期为N的序列{ci }，则称为新序列{ci}为Gold序列，即： {ci }={a}+{bi} i=0,1,..,N 而m序列是指r级二进制反馈移位寄存器的输出序列的周期为N=2r-1，则该循环输出序列为最大周期线性移位寄存序列，简称为m序列。二进制反馈移位寄存器