毕业论文--基于MATLAB的GPS信号的仿真

吉林大学远程教育本科生毕业论文（设计）中文题目基于MATLAB的GPS信号的仿真学生姓名梁飞专业计算机科学技术层次年级2013秋专升本学号201308659124指导教师徐沛娟职称教授学习中心中共永丰县委党校奥鹏学习中心[43]成绩2015年10月11日摘要扩频通信是近几年来迅速发展起来的一种通信技术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。扩频技术在军事应用上的最成功范例可以以美国和俄国的全球定位系统（GPS和GLONASS）为代表；在民用上GPS和GLONASS也都得到了广泛的应用，这些系统的基础就是扩频技术。全球定位系统（GPS）用于对全球的民用及军用飞机、舰船、人员、车辆等提供实时导航定位服务。GPS系统采用典型的CDMA体制，这种扩频调制信号具有低截获概率特性。该系统主要利用直接序列扩频调制技术，采用的伪码有C/A码和P(Y)码两种。本文讲述的是直接序列扩频通信技术在全球定位系统（GPS）中的应用。主要介绍扩频通信中的伪码仿真，简要论述M序列和伪随机噪声码（P码和C/A码）及其产生，并使用MATLAB7.0仿真M序列、P码和C/A码的编码过程和仿真结果，介绍直扩频技术伪码的相关知识，重点介绍P码。关键字：全球定位系统；直接扩频通信；伪码仿真AbstractSpreadspectrumcommunicationisacommunicationstechnologydevelopedrapidlyinrecentyears.Inearlystudiesthemainpurposeofthistechnologyistoimprovethemilitarycommunicationsconfidentialandanti-jammingperformance,thereforethedevelopmentandapplicationofthistechnologyisalwaysinsecretstate.SpreadspectrumtechnologyinthemostsuccessfulmilitaryapplicationexamplesaretheUnitedStatesandRussiacouldtheglobalpositioningsystem(GPSandGLONASS)forrepresentative;IncivilGPSandGLONASSalsohavebeenwidelyused，whichfoundationofsystemisthespreadspectrumtechnology.Globalpositioningsystem(GPS)isusedtoprovidereal-timenavigationandpositioningservicesforglobalcivilandmilitaryaircraft,ships,personnel,vehiclesandsoon.GPSsystemadoptsthetypicalCDMAsystem,whichkindofspreadspectrummodulationsignalshavelowinterceptprobabilitycharacteristic.Thissystemmainlyusedthedirectsequencespreadspectrummodulationtechnology,usingthePRNcodeincludingC/Acode,PcodesandYcodes.Thisarticletellsthedirectsequencespreadspectrumcommunicationtechnologyappliedinglobalpositioningsystem(GPS).Thearticlemainlyintroducesthepncodespreadspectrumcommunicationsimulation,brieflydiscussingMsequenceandpseudorandomnoisecode(PyardsandC/Ayards)anditsproduceanduseMATLAB7.0simulateMseries,PyardsandC/Ayardsofencodingprocessandthesimulationresults,introducingpncodestraightspread-spectrumtechnologyknowledge,especiallyPyards.Key:GPS;DS-SS;Pncodesimulation目录引言.....................................................................51GPS理论及其特性......................................................61.1GPS系统概述.......................................................61.2GPS信号构成.......................................................81.2.1M序列........................................................101.2.2C/A码........................................................131.2.3P码..........................................................141.3小结.............................................................182MATLAB软件..........................................................202.1MATLAB软件简介...................................................202.2MATLAB应用概述...................................................212.2.1MATLAB功能介绍................................................212.2.2MATLAB使用方法................................................223GPS卫星导航信号算法及其MATLAB仿真...................................303.1C/A码仿真代码及其仿真结果.........................................303.2P码的仿真代码及其仿真结果.........................................333.3结果分析及其相关性分析.............................................37结论....................................................................38致谢....................................................................38参考文献................................................................41附录P码源代码..........................................................54引言全球卫星定位系统，简称GPS系统，可在全球范围内，全天候为用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。文中目的就是搭建一个GPS仿真平台，使得各种信号生成的算法能在该仿真平台上得以仿真实现，以验证算法的性能，从而为信号模拟器的研制提供理论依据。因此对GPS的卫星信号的仿真必将推动中国自主研制的卫星导航系统的发展。目前，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT经济新增长点。GPS系统中P码的捕获通常是先捕获到C/A码，然后利用C/A码调制的导航电文中的转接字(HOW)所提供的P码信息对P码进行捕获。然而，C/A码的码长短、码速率低，易受敌方干扰和欺骗,在强干扰和欺骗的战争环境下，很难通过C/A码来捕获到P码。因此，直接捕获P码一直倍受美国军方的关注。产生P码并对其特性进行分析对进一步研究直接P码的捕获有着重要的意义。本设计所针对的是GPS卫星信号的伪码仿真，主要是M序列的生成方法和P码的编码原理及其仿真。本课题研究思路是：⑴研究GPS信号的生成原理和直扩频通信技术基础，M序列和P码算法原理。⑵在理论研究的基础上，实现MATLAB软件生成M序列和P码，并对其做简单的相关性分析。文章最后对仿真过程中实现的功能及出现的为题做出总结，总结论文所做的工作和需要更仔细研究的方向。1GPS理论及其特性1.1GPS系统概述全球定位系统（GPS）是美国政府于20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成的高精度、高动态的星际导航定位系统，该系统全天候地向全球范围内具有GPS接收机用户提供精确、连续的三维位置、三维运动和时间需要。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，StandardPositioningService）和军规的标准精确定位服务（PPS，PrecisePositioningService）。GPS目前处于良好的运行状态，并满足20世纪60年代所提出的最佳定位系统标准。这个系统向有适当接收设备的全球范围内的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。GPS也向全球广播世界协调时（UTC）。组成卫星星座的24颗卫星被安排在6个轨道平面上，即每个平面上4颗。这样的卫星星座配置确定了卫星某一时刻在轨道中的位置，而为hi与地平线以上的卫星数会随着时间和地点的不同而不同，最少可见到颗，最多可见到11颗，因此保证了在开放的天空下，地球上和近地空间任一点在任何时刻均可以同时观测到至少4颗GPS卫星，为准确定位提供可能。GPS系统采用CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，码分多址）技术将在轨的24颗卫星分开，每颗卫星使用同样的调制方式在相同的载波频率上调制各自唯一的伪随机码和数据信息，然后使用星载卫星天线发射信号。卫星轨道分布如图1.1所示：图1.1卫星轨道分布1.2GPS信号构成GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的信号，是一种调制波，但有别于常用的无线电广播电台发送的调频调幅信号，它是利用伪随机噪声码传送导航电文的调相信号。GPS卫星信号是目前常用的两种违心导航定位信号之一，它包含有三种信号分量，即载波（L1和L2）、测距码（C/A码和P码）和数据码（D码，亦称基带信号或导航电文）。而这所有这些信号分量都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生的。GPS卫星信号示意图如图1.2所示：图1.2GPS卫星信号频率构成GPS卫星发送的GPS卫星信号采用L波段的两种载频作载波，分别被称作L1的主频率和L2的次频率。这些载波频率由扩频码（每一颗卫星均有专门的伪随机序列）和导航电文所调制。所有卫星均在这两个相同的载波频率上发射，但由于伪随机码调制不同，因此无明显的相互干扰。GPS使用L频段