GPS原理与接收机设计

将伪码中的一位二进制数称为一个码片,或者称为一个码元,一个码片的持续时间称为码宽,单位时间内所包含的码片数目称为码率。

GPS信号中的C/A码属于金码,能产生金码的一对m序列称为优选m序列对。通过调节其中一个m序列的延时,一对n级优选m序列可组合产生2^n-1个不同金码,再加上自身的m序列,总共就有2^n+1个金码。

C/A码(或P码)的目的之一是实现码分多址,目的之二是用来测距。

C/A码是周期为1023个码片的金码,每毫秒重复一周,码率是1.023*10^6码片/秒,

P码:除了C/A码之外,P码是GPS信号中的另一种伪码,P码的周期为7天,码率为10.23Mcps,码宽Tp约等于0.1微秒或30m。加密后的P码称为Y码,只有特许用户才能破译,Y码不再是金码。

由于P码周期很长,如果GPS接收机通过相关运算逐个依次搜索接收信号中P码的码相位,搜索捕获P码的信号会需要很长的时间,因为C/A码周期比P码周期短很多,所以接收机一般都是先搜索、捕获C/A码,然后从C/A码信号中获取当前时间,以此估算出P码的相位,再较快的捕获P码。C/A码称为粗捕获码,P码称为精码。

数据码的码率为50bps,数据码一般用比特,伪码一般用码片称呼。  

GPS信号结构:载波、伪码和数据码三个信号层次,构成了GPS卫星发射的信号。数据码首先与伪码异或相加实现扩频,两者的组合码再通过双相移位键控对载波进行调制。

扩频调制,在卫星信号发射端,PRN变

GPS信号的实际传播时间由两部分组成:一是信号以真空光速c穿过卫星与接收机之间的几何距离r所需的传播时间,二是大气折射造成的传播延时,大气传播延时分为电离层延时和对流层延时。

伪距与测距码相位

载波相位测量值

GPS测量误差:

1)与卫星有关的误差;

2)与信号传播有关的误差

3)与接收机有关的误差

差分GPS

伪码与载波相位的结合

1)载波相位平滑伪距
2)整周模糊度估算

GPS接收机及其射频前端(硬件)

载波环(软件)

GPS接收机将天线接收到的卫星信号经射频前端处理后变成数字中频信号,接收机基带数字信号处理功能模块对数字中频信号的处理,接收机的每个信号通道对于所跟踪的GPS卫星的信号处理过程分成捕获、跟踪、位同步和帧同步四个阶段。接收机对卫星信号的跟踪是一个与该接收信号同步的二维信号的复制过程。

在信号接收端,如果接收机内部能同时复制出相应的载波和伪码信号,并且两者又分别与接收到的该卫星信号中的载波和伪码保持同步一致,复制载波与接收信号进行混频可以实现载波剥离及将信号下变频到基带,而复制伪码与接收信号进行相乘可以实现伪码剥离和信号解扩。接收信号中剩下的便只是数据码,接收机可以同时复制载波信号的参数获得卫星信号的多普勒频移和载波相位测量值,又可以根据复制伪码的参数获得该卫星信号的码相位和伪距测量值。

  

码环通过内部的码发生器复制出与接收信号中的C/A码一的码。

载波环    

码环和基带数字信号处理

码跟踪环主要功能是复制C/A码与接收C/A码之间的相位一致,得到对接收信号的码相位及其伪距测量值。

非相干积分:自相关幅值E,P,L体现C/A码在不同相位差异处的自相关状况,非相干积分在码环鉴别器的积分-清除器中进行的,一般以软件的形式加以实现。

鉴相方法的种类:

1.非相干超前滞后幅值法

2.非相干超前滞后功率法

3.似相干点积功率法

4.相干点积功率法

信号的跟踪:接收机

基带数字信号处理:

位同步,     
帧同步
奇偶检验和电文译码
测量值的生成

多路径效应及其抑制

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