GPS软件仿真平台的设计与实现外文翻译资料

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GPS软件仿真平台的设计与实现

摘要

由于不同需求的全球定位系统(GPS)应用程序中,GPS接收器的性能有很大区别。为了评估一个GPS接收机的性能, Matlab仿真平台基础上开发了这项研究。这个平台包括四个元素:用户界面、GPS信号模拟器(中频,如果),平民(C / A)软件接收机和噪声发生器。在此对平台的设计和实现做详细介绍。首先，介绍了一个中频GPS信号模拟器的数学模型。在此基础上,确定可视卫星的方法和计算传输时间通过使用现有的星历也进行了讨论。其次，软件的关键算法接收器,介绍了包括采集和跟踪。最后,演示了一个实验来测试平台的有效性。预先设计之间的紧密对应用户轨迹和定位软件接收机认证的结果这个平台的有效性。相对于硬件模拟,该平台更加有效和灵活。接收机的性能完全可以通过改变信号模拟器的不同场景来测试。这个平台的所有关键技术被模块化并用Matlab语言编写。它很容易理解和使用。从这个意义上说,该仿真平台可以成为本领域初学者的理想工具去掌握GPS的原则。

1 介绍

GPS卫星定位系统在全世界各个地方任何天气下为军事用户和民间用户提供持续的定位和时间信息。到目前为止，GPS系统的应用数量远比我们之前想象 的多。其应用范围从陆路运输、民航到矿山勘探的地质调查。这么多的应用使GPS接收器有广泛多样的需求。研究人员已经开发出新型先进的接收机算法来满足这些需求。许多的搜寻组织正在考虑如何去分析GPS接收器的表现。然而，以往的研究大多是采用硬件仿真器和接收器实现，花费高且缺乏灵活性。随着电脑技术的发展，信号处理和计算负载正变得越来越少关注，因此开发一个软件仿真平台来解决这个工作时可行的。相比于硬件仿真，软件仿真是一个有效的途径，它为研究员和开发人员提供更多评估和测试的灵活性.建立最新信号处理算法并将它与没有硬件发展时不同算法的表现进行比较是很容易的。出于这些原因，一个GPS模拟器平台被这些研究人员在MATLAB的基础上建立起来。如Fig.1所示，这个平台包括四个部分，用户界面向全球定位系统信号模拟器和噪声发生器发送模拟命令和初始化值。根据设置参数，GPS信号模拟器产生一个IF GPS信号，包括C/A信号和P信号。GPS信号和噪声结合后保存在硬盘中，然后由一个GPS软件接收机对各种先进算法进行测试。锁相环锁定值，位置误差在用户界面中显示。

本文专注于GPS信号模拟器和软件接收机的仿真器技术，安排如下。第二部分提出了一个IF GPS信号模拟器的数学模型。讨论了GPS信号模拟器的结构和一些关键技术。第三部分提供了C/A信号软件接收机的功能性说明。第四部分的一个实验证明了该平台的有效性。第五部分总结了这项研究并得出了一些结论。

2 IF GPS信号模拟器

1 IF GPS信号模拟器模型

GPS信号模拟器包括两个频率部分，L1的中心频率为1575.42MHz，L2的中心频率为1227.6MHz。图Fig.2表示了从卫星中产生的GPS信号流，通过大气传输至接收机进程。在这过程中，GPS信号收到许多错误来源的影响，包括卫星时钟、星历、电离层、对流层、多路径和量化等。一些错误来源，例如电离层误差和多路径误差，对卫星定位精度有很大的影响。在GPS信号模拟器中，对这些误差源的特性影响是非常重要的。在数字中频数字信号处理中，由于数字信号处理是在实际的接收机中发生的，所以在数字信号处理中选择了信号模拟点。

可视卫星的信号和噪声组合产生IF GPS信号。混合IF信号模型包括所有视线中的卫星为：

N为视线中所有卫星的数目，Pr为卫星收到的信号功率，Di为卫星的导航数据，Ci为卫星的扩频码，为卫星的电离层延迟误差，为模拟GPS信号的预期载波频率，为RF GPS L1型信号频率，V0为卫星的随机相位。噪声是所有不想要的信号。，Tp是从卫星和卫星接收天线的信号传播时间。为卫星对流层延迟误差。为卫星的时钟误差。

该模型构成了信号模拟器的基础。从方程（1），我们可以看到为了模拟GPS信号，可视卫星的数量、导航数据和信号传播时间必须计算。RINEX格式星历，包括估算卫星参数，可以根据ICD 200转换为二进制数据组成帧格式。其他关键技术将在下面的章节中描述。

2 IF GPS信号模拟器结构

用MATLAB建立数字化IF GPS信号模拟器机能结构如图Fig.3所示。根据图Fig.3，GPS模拟器有三个部分：

1）计算可视卫星：有三种用户轨迹：静态的，单独的直线运动，以恒定的速度和一个恒定的角速度移动。用户轨迹可以根据不同的场景计算出。当给出一个仿真时间，卫星位置可以从RINEX星历中计算出。利用卫星位置和用户位置的知识，传播延迟可以被计算出。30个数据位组成一个导航词；10个词组成一个准框架；5个准框架组成一页；25页组成一个超级框架。在一个实际GPS系统中，导航数据是一个50Hz的双相位编码。所以一个超级框架的时间为12.5m。

2）混合多卫星信号：该模块从不同的视觉定位系统中生成复合的GPS信号。单颗卫星信号包括：载波频率（L1或L2），伪随机码（C/A或P），导航数据，频率（由于卫星和用户之间的相对移动）。一个具有不同幅度和延迟相同的卫星信号可以模拟模拟多径信号。

3）模拟通道：该模块确定由于大气衰减接收到的GPS信号功率。基于Klobuchar模型和Saastamoinen模型计算电离层延迟和对流层延迟。模拟的GPS信号根据量化比特被过滤和量化。

3 IF 关键技术

1）可视卫星：众所周知，低仰角的卫星受到的功率衰减和大气误差增加，10度的仰角阈值被用来确定视觉卫星。接收机轨迹可以对不同场景进行模拟。给GPS信号一个仿真时间，可以用开普勒定律卫星星历数据计算出卫星的位置。 在计算仰角的过程中，卫星位置和接收位置应在同一坐标系中。模拟接收机的位置是在东北部（端）系统。 然而，从星历计算出的卫星位置在地心地固（ECEF）框架。因此，卫星位置必须转换为结束帧，以保持与接收机位置一致。

假设用户的地理坐标（phi;，lambda;，H）和卫星的位置向量x。RL变换矩阵从ECEF坐标轴三初等旋转得到。坐标转换的表达式为方程（2）。

让XL= (xE , xN , xU )作为结尾处Xs的代表，有XL=RLXs。仰角（el）在ENU框架定义显示如图4所示，计算公式为：

如果elge;10°，这颗卫星就在视野中。

2）估计全球定位系统的信号传播时间 ：从方程（1），我们可以看到计算GPS的信号传输时间是模拟GPS信号的关键点。 直观地说，信号传播时间就是卫星与接收机之间的距离除以光的速度。 然而，GPS系统采用ECEF坐标格式旋转地球。也就是说接收位置的发送时间和接收时间是两种ECEF坐标。真正的信号传输时间是卫星在发射位置和接收位置之间的距离除以光的速度。地球自转大约影响的50米不能被GPS系统忽略。[8] 提出了一个迭代过程来计算信号传输时间的假设，即在传播过程中的速度的卫星的速度是恒定的。虽然这种方法的收敛速度快，但是计算负担是巨大的，因为它需要坐标变换和非线性方程。[9] 用迭代法与线性计算减少计算的初始传播设置70ms条件负担。 如图Fig.5所示为算法流程图。首先，随着知识的接受时间（仿真时间），传播时间初始化为70ms（卫星和地面之间的近似时间）。其次，发送时间等于接收时间减去传输时间。 然后，根据时间和星历文件传输，在卫星定位的传输时间是利用开普勒定律计算。 再者，从接收时的接收位置和卫星位置之间的距离除以光的速度获得一个新的发射时间。 最后，与旧的传输时间相比，如果差异比阈值更大，那么旧的传输时间被新的替换，然后重复该流程。只要旧的传输时间差异比阈值更小循环马上结束。 从卫星信号的发射时间可以发现许多其他的参数，如多普勒频率、多普勒频率速率、卫星和接收机之间的相对速度等。

作为一种描述语言，MATLAB已成为大学生流行的计算工具。然而，它运行缓慢。为了加快模拟器速度，采用了两种方法。第一，不是所有的GPS信号模拟参数的采样时间点计算。由于卫星短时间地仿真步长移动，采样点的模拟参数根据步进时间仿真参数的线性插值得到。第二，用C语言编写一些关键功能，可以提高系统运行效率。

3 GPS中C/A 码软件接收机

1软件接收机结构

除了射频（RF）前端，所有软件接收机的信号处理算法都由软件完成。与传统的硬件定位系统接收器相比，软件全球定位系统接收器更适合研究与开发，以及与其他传感器的深度整合。本文所描述的软件接收机是基于Matlab开发的非实时系统，它已经被实际GPS信号多次验证。软件接收机中包含的模块如图Fig.6所示。模块一是信号采集模块，它用来得到粗估计伪码和载波偏移；软件接收器中有8个跟踪信道，每个跟踪环路都采集一个视觉卫星和变种伪码的偏移，采用延迟锁相环（DLL）和相位载波多普勒锁相环（PLL）,位同步是为了找到在一个队列中发生位转换的时刻，子帧同步是为了找到根据前导码子帧开始导航数据的时刻。跟踪环的研究结果表明，测量推导模块通过位同步和子帧同步来测量发射时间和传入的载体信号。通过比较这些测量结果对应于本地接收机的时间，可以得到伪距和载波相位测量结果。随着卫星位置和伪距知识的发展，最小二乘法作为一种导航解决方案来计算用户位置。

1. 采集：采集是一个是一个粗同步过程，给出大致的PRN码偏移和载波多普勒。所以信号采集是一个二维的搜索过程，其中副本代码和载体与接收到的信号对齐。有多种方法可以实现GPS信号的采集，在此我们选择基于快速傅里叶变换的方法来加速采集过程。图7显示了该方法的流程图。收入信号乘以一个本地生成的载体信号和90度移相载波信号得到I和Q信号，然后I和Q信号组合形成了一个复杂的输入信号 x(n) = I (n) jQ(n) 给傅里叶变换函数，生成的伪随机码转换到频域，结果得到一个复杂的共轭函数。输入信号的傅里叶变换乘以PRN码的的傅里叶变换的结果经过逆傅里叶变换（IFFT）变换到时域，输出的IFFT的绝对值体现了输入信号和PRN码的关联性，这些相关值被保存到数组中，将本地载波转换到另一种频率，再执行上面描述的过程，在所有的频率都进行处理后，可以得到一个多维数组的相关值，求这个数组的峰值，一维的峰值是伪码相位，另一个就是载波频率。从这个图中，我们可以看到两个FFT和一个IFFT可以在载箱中完成整个伪码搜索。FFT和IFFT快速算法可以极高地改善搜索速度。
2. 跟踪：采集回路给出粗步估计的载波多普勒和伪随机码的输入偏移信号，然后，控制权交给跟踪环路，其功能就是跟踪由视线和卫星接收器之间的动态变化而产生的载波变化和偏移。为了跟踪一个全球定位系统的信号，载波相位和C/A码必须与本地生成的相匹配，最终，载波锁相环（FLL和PLL）对于载波和延迟锁定环的码，需要进行耦合，如图8所示。一旦其中一个失去锁，另一个也会丢失锁。输入的数字化采样信号与同相正交载波数控振荡器输出信号结合产生I和Q信号。将多普勒信号除去后，I和Q的采样信号与早期，实时和晚期的PRN码有关，其积累形成了相关值。I_E/Q_E，I_P/Q_P，I_L/Q_L 分别是早期的相关值，实时的相关值和晚期的相关值。积累时间通常是1ms（C/A码的一个周期），PRN码跟踪维护是通过一个反馈回路，其中的误差信号是由早期和晚期的相关函数不同造成的，在这里采用的鉴频器如方程（4）所示：

鉴频器的输出经过过滤和缩放，然后反馈给NCO码来调整编码器的速度。PLL和FLL的结合是为了跟踪载体，由于不敏感的动态应力，FLL只在一开始被用来结束载波循环，然后过渡到锁相环。这个方法使得接收器对于接收应力更具挑战性相比于那些值使用了一种载波环的接收器而言。PLL的鉴相器:

FLL的鉴相器:

其中 是最后一次PRN码提示的相关版本。鉴频器的值都进行过滤用来调整载波环，在这个接收器中选择使用一阶滤波器，滤波器系数按照循环带宽，预检积分时间和阻尼因子来计算。

4 实验

为了测试这种IF GPS信号仿真器的可用性，一个GPS信号作为一个例子。在仿真前，仿真参数如场景参数、仿真开始时间、模拟长度、仿真步骤、采样率、信号类型和IF频率必须通过软件接口来设置。所有必要参数在Table 1中被定义后，仿真过程将被自动执行，且GPS信号将被保存在硬盘中。信号的幅度被设计成最小可用水平。 没有干扰信号被添加。如图Fig.9所示，在模拟时间内可见六颗卫星，他们是卫星3,8,11,13,16,19。我们将在这个平台上模拟所有可视卫星。有用户和卫星之间的相对移动引起的多普勒频率如图Fig.10所示。卫星频率正值向用户方向移动。相反的，负值显示卫星正反向用户方向移动。频率的绝对值与卫星和用户的相对速度成正比。与其他卫星相比，卫星19的开普勒频率有一个小的变化，所以它看起来像一条直线。从这幅图我们也可以找出静态用户最大的开普勒频率小于5000Hz，限制在plusmn;5KHz的采集搜索范围内。

本研究开发的GPS软件接收机，经实际应用验证了这个模拟信号。图Fig.11显示了一套二维图的模拟GPS数据采集结果。采集结果的最高特权在（3750,437）。卫星8的多普勒频率约为3750Hz，约等于图Fig.11的所示值。图Fig.12显示了相对于模拟时间的锁相环锁定指示值的变化。 如我们所知，锁相环锁定的值是一个函数的相位误差，接近1时，相位误差变小。软件接收机位置误差出现的位置分别为14和15。导航结果符合设计用户跟踪和位置误差小于7m。这个实验证明该GPS软件模拟器可以用来测试软件接收机的性能。

5总结

本文建立了一个基于Matlab的GPS模拟平台，GPS信号模拟器和软件接收机的关键算法已经进行了详细地讨论，为了检测这个平台的可靠性，在本文中进行了一次证明实验。根据用户轨迹和仿真时间，信号模拟器产生的IF GPS信号满足了用户的特殊要求。在这个平台下开发的G

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