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基于MATLAB的GPS信号的仿真研究

庄自强  
【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。


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