GPS中偽隨機(jī)碼的捕獲技術(shù)研究.pdf

1、全球定位系統(tǒng)(又稱(chēng)為GPS)是新一代的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它可以向廣大用戶(hù)提供精確的定時(shí)和定位服務(wù)。GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，是將基帶信息先經(jīng)過(guò)偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻，再對(duì)發(fā)射載波進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)而形成的。利用偽隨機(jī)碼進(jìn)行擴(kuò)頻是GPS 信號(hào)形成中的關(guān)鍵所在。本文主要研究GPS中偽隨機(jī)碼的快速捕獲技術(shù)。 在各種擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，偽隨機(jī)碼都起著至關(guān)重要的作用。對(duì)偽隨機(jī)碼捕獲技術(shù)的研究由來(lái)已久，方法也是多種多樣。GPS中用到了兩種偽隨機(jī)碼，它

2、們分別是C/A碼(粗測(cè)碼)和P(Y)碼(精測(cè)碼)。 C/A 碼具有周期較短，復(fù)雜性較低的特點(diǎn)。由于載波多普勒頻移的影響，所以對(duì)C/A 碼的捕獲是同時(shí)對(duì)偽碼相位和載波頻率進(jìn)行二維搜索的過(guò)程。本文采取PMF-FFT 的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)C/A碼的快速捕獲，此方案的主要思想是利用FFT變換來(lái)估計(jì)多普勒頻移，然后用得到的頻移估計(jì)值來(lái)調(diào)節(jié)載波 NCO (數(shù)控振蕩器)，直至完成碼相位和載波頻率的捕獲。該方法有效地利用了FFT的特性，將對(duì)碼相位和載波

3、頻率的二維搜索變?yōu)閮H對(duì)碼相位的一維搜索，大大減少了捕獲時(shí)間，提高了C/A碼接收機(jī)的實(shí)時(shí)性。此外，F(xiàn)FT 前的PMF部分有效地降低了接收到的GPS數(shù)據(jù)的速率，使后面FFT 的點(diǎn)數(shù)成倍地降低，大大節(jié)約了硬件資源。但PMF帶來(lái)的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是隨著多普勒頻移的增加，F(xiàn)FT 輸出的相關(guān)峰值會(huì)出現(xiàn)下降，且下降的程度與PMF的長(zhǎng)度x密切相關(guān)，而X的大小又直接影響著接下來(lái)FFT 的點(diǎn)數(shù)，因此，應(yīng)按照具體的要求來(lái)設(shè)置X的值。FFT也有一個(gè)缺點(diǎn)是給相關(guān)結(jié)果

4、帶來(lái)了扇貝損失，本文選擇了加漢寧窗的方法對(duì)其做了改善，取得了比較令人滿意的結(jié)果。 GPS中的P碼及其加密后生成的Y碼比C/A碼的碼速率更快、精確度更高、反欺騙容限更強(qiáng)。它在設(shè)計(jì)之初并不是用于直接捕獲，而是通過(guò)已經(jīng)捕獲到的C/A碼的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果C/A失效，則直接捕獲P(Y)碼就成了唯一的選擇。P(Y)碼的最大特點(diǎn)是具有長(zhǎng)達(dá)一周的周期，如果采用傳統(tǒng)的方法對(duì)其捕獲，將會(huì)消耗很長(zhǎng)的時(shí)間，這對(duì)于實(shí)時(shí)接收機(jī)來(lái)說(shuō)是不能接受的。采用硬件并行

5、相關(guān)技術(shù)可以縮短捕獲時(shí)間，但代價(jià)非常昂貴。本文采用的疊加平均法是對(duì)直接平均法的一種改進(jìn)。它一方面采取了數(shù)據(jù)平均的方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)P(Y)碼的快速捕獲，而且其小點(diǎn)數(shù)的FFI’讓硬件的消耗大大降低，實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單；另一方面，疊加平均法與直接平均法相比，最主要的改善就是它的相關(guān)峰值在一定范圍內(nèi)不受碼相位偏移的影響，即使有噪聲存在的情況下，它的這一特性仍然保持穩(wěn)定。此外，作者又拿疊加平均法與一些經(jīng)典的P(Y)碼直接捕獲方法的性能做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它

6、在某些方面的捕獲性能要優(yōu)于這些算法，如其抗噪聲性能就優(yōu)于XFAST算法，捕獲時(shí)間短于直接法等等。本文詳細(xì)分析了GPS中兩種偽隨機(jī)碼各自的特點(diǎn)，介紹了幾種常用的偽隨機(jī)碼捕獲方法，對(duì)傳統(tǒng)GPS接收機(jī)上慣用的滑動(dòng)相關(guān)法的原理作了比較詳細(xì)的講解。針對(duì)C/A碼而采用的PMF-FFT捕獲方案，詳細(xì)介紹了其工作原理，對(duì)其捕獲性能也作了深入的討論，尤其是分別對(duì)PMF和FFT缺點(diǎn)的改善方法做了認(rèn)真細(xì)致的分析。文中用MATLAB對(duì)PMF-FFT捕獲結(jié)構(gòu)的結(jié)