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基于MATLAB的GPS信号的仿真研究

作　者: 庄自强
导　师: 宋吉江
学　校: 山东理工大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: MATLAB/Simulink 全软件仿真系统直接序列扩频双相相移键控调制
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

GPS卫星信号模拟器可以根据载体的动态环境,精确产生其上安装的GPS接收机接收到的GPS卫星信号,可用于GPS接收机的功能测试、测量精度鉴定、目标运动特性仿真等,是GPS接收机研制不可或缺的一种测量设备。此外,GPS卫星信号模拟器也能充分模拟载体飞行过程中GPS接收机遇到的各种复杂情况,提供仿真结果,完善测量方案,有效降低了GPS使用风险,提高了试验成功率。国外较早开展了这方面的研究,并已获得成功,而国内在该领域仍处于空白。因此,研制GPS信号模拟器对建立和发展我国的卫星导航系统以及运载火箭、弹道导弹、载人航天工程等均有着重大的战略意义。本课题率先从软件领域入手,开展了基于MATLAB的GPS系统全软件仿真的研究,在此基础上提出了基于MATLAB的GPS全软件仿真系统的概念和设计方案,并成功设计出一套完整的GPS软件仿真系统,初步完成了软件GPS模拟器的设计。该系统以MATLAB/Simulink作为研发平台,整个系统由信号发射模块、传输信道模块、接收模块、逻辑判断滤波器模块等组成,主要研究工作如下：一、基于伪随机码的构成原理及码元特性,利用MATLAB/Simulink对C／A码/P码的时域／频域及相关性等进行了仿真分析,提出并引入了“混合算法”仿真模型。二、基于对GPS信号的分析,提出了基于MATLAB的GPS全软件仿真系统的概念和结构模型。主要研究了数据码的直接序列扩频(DSSS)和双相相移键控调制(BPSK)在仿真中的实现问题；重点是搭建起发射模块,仿真出完整的GPS信号。三、以发射端产生的GPS信号为基础,进行了GPS信号在空间传输部分的仿真研究,模拟了当信号受到高斯噪声和多径干扰影响时,其时域／频域波形发生的变化。四、搭建GPS信号接收模块,完成了对信号的接收、采样工作；从射频信号(RF)中提取出本地数字中频信号(IF)。鉴于软件仿真的特点,提出并引入了“并行同步解扩算法”和“并行同步解调算法”,成功实现了对GPS信号的捕获与跟踪。五、由于信号在传输过程中受到高斯噪声与多径干扰等的影响,接收端接收还原出的数据码存在严重的失真现象。因此,提出并引入“逻辑判断滤波算法”对信号进行了二次滤波处理,成功解决了信号失真问题,还原出了完整的数据码。六、以MATLAB/M语言作为编程开发工具,以GPS接收机所提供的卫星星历为已知变量,成功计算出了“仿真参考点”的位置坐标,实现了从“信号波形仿真”→“坐标定位仿真”的跨越。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-8
第一章绪论  8-11
  1.1 课题背景与意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9
  1.3 本课题的研究内容  9-10
  1.4 本章小结  10-11
第二章扩频通信及其在GPS中的应用  11-19
  2.1 扩频通信原理  11
  2.2 GPS的信号组成  11-13
    2.2.1 C/A码结构  12
    2.2.2 P码结构  12-13
  2.3 C/A码和P码的仿真  13-18
    2.3.1 C/A码时域仿真  13-14
    2.3.2 C/A码频域仿真  14
    2.3.3 C/A码相关性仿真的混合算法  14-16
    2.3.4 C/A码功率谱仿真  16-17
    2.3.5 P码时域仿真  17-18
  2.4 本章小结  18-19
第三章 GPS发射端仿真模型的建立与信号仿真  19-24
  3.1 GPS扩频模块的搭建与信号仿真  19-21
  3.2 GPS调制模块的搭建与信号仿真  21-23
  3.3 本章小结  23-24
第四章干扰源对GPS信号的影响分析  24-32
  4.1 信号主要干扰源  24-25
  4.2 多径信号引入的载波相位跟踪误差分析  25-27
  4.3 多径信号特点与误差模型的建立  27-29
  4.4 噪声干扰模块的搭建与仿真  29-31
  4.5 本章小结  31-32
第五章 GPS接收端信号仿真  32-43
  5.1 信号的接收与下变频  32-34
    5.1.1 下变频原理  32-33
    5.1.2 下变频模块的搭建与中频信号的获得  33-34
  5.2 GPS信号的捕获与跟踪  34-37
    5.2.1 码元同步  35
    5.2.2 并行同步解扩仿真算法  35-36
    5.2.3 载波同步  36-37
    5.2.4 并行同步解调仿真算法  37
  5.3 GPS捕获模块的搭建与信号仿真  37-40
    5.3.1 时域滑动相关捕获法原理  37-38
    5.3.2 时域滑动相关捕获法仿真  38-39
    5.3.3 频域并行码相位捕获法原理  39-40
    5.3.4 频域并行码相位捕获法仿真  40
  5.4 GPS跟踪模块的搭建与信号仿真  40-42
  5.5 本章小结  42-43
第六章逻辑判断滤波算法对解决信号失真的分析  43-47
  6.1 问题的引出  43
  6.2 逻辑判断滤波算法的引入  43-44
  6.3 逻辑判断滤波器模块的搭建与信号仿真  44-45
  6.4 逻辑判断滤波算法的使用条件  45-46
  6.5 本章小结  46-47
第七章位置坐标的仿真定位  47-54
  7.1 GPS导航定位的原理与前提条件  47
  7.2 定位仿真计算  47-53
    7.2.1 卫星可见性的计算  48-49
    7.2.2 可见星空间位置坐标的计算  49-51
    7.2.3 "仿真参考点"位置坐标的计算  51-52
    7.2.4 坐标误差分析  52-53
  7.3 本章小结  53-54
第八章总结与展望  54-56
  8.1 论文总结  54
  8.2 课题创新点  54-55
  8.3 未来工作展望  55-56
致谢  56-57
参考文献  57-61
攻读硕士期间参加课题和发表论文  61-62
附录一多径干扰与噪声干扰仿真电路  62-63
附录二捕获仿真电路  63-67
附录三解扩/解调/滤波仿真电路  67-68
附录四 GPS系统仿真试验平台  68-69
附录五信号特性仿真电路  69-70
附录六不同捕获法得到的仿真结果  70-71

基于MATLAB的GPS信号的仿真研究

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