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1、0毕业设计（论文）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。本人签名 导师签名 年 月 日1*大学毕业设计（论文）任务书姓名 学号 毕业届别 专业毕业设计（论文）题目 GPS 接收机导航电文解调算法实现指导教师 学 历 职 称1、要求（作为评分标准）：（1）基本要求：1） 、掌握 GPS 工作原理及 MATLAB 工具
2、的使用；2） 、熟悉 ICD-GPS-200，掌握导航电文的结构及特点； 3） 、掌握伪距的测量原理；4） 、用 MATLAB 完成导航电文位同步算法的仿真与实现；5） 、在位同步的基础上，用 MATLAB 仿真实现导航电文帧同步算法；6） 、用 MATLAB 仿真实现导航电文的解调；（2）创新性要求：在课题进展顺利和时间允许的情况下, 1）在完成导航电文的解调的基础上，完成原始观测量的提取，并实现伪距的计算；2、进度安排：学习并掌握 GPS 接收机的工作原理及 MATLAB 工具的运用；熟悉 ICD-GPS-200，掌握导航电文的结构及特点，掌握伪距的测量原理；用 MATLAB 完成导航电文
3、位同步算法的仿真与实现；在位同步的基础上，用 MATLAB 仿真实现导航电文的同步算法；仿真实现导航电文的解调；提取相应时间信息并结合提取的原始观测量值实现伪距的计算；完成论文的撰写； 指导教师签字：年月日 教研室意见：符合要求教研室主任签字： 日题目发出日期 设计（论文）起止时 间附注： 2华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书课题名称 GPS 接收机导航电文解调算法实现课题来源 横向课题 课题类型 BX 导 师学生姓名 学 号 专 业一、开题报告内容： 1、文献综述1.1 GPS 系统及 GPS 软件接收机1.1.1 GPS 系统全球定位系统（Global Posit4ing System
4、 GPS）是美国从本世纪 70 年代开始研制，以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面强大功能，已涉足众多的应用领域，使 GPS 卫星导航系统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 系统包括三大部分：空间部分GPS 卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS 信号接收机。 GPS 卫星星座 由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，记作（21+3）GPS 星座。24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面之间相距 60 度，即轨道的升交点赤经各相差
5、 60 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度，同一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前 30 度。 地面监控系统GPS 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个测站主要的任务就是所有 GPS 卫星的星历且保持各颗卫星处于同一时间标准GPS 时间系统。 GPS 信号接收机能够捕获一定卫星高度的待测卫星信号，并跟踪这些卫星的信号，对所收到的GPS 信号进行变换、放大和处理，以便测量出 GPS 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出 GPS 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置。1.1.2 GPS 软件接收机GPS 系统用户部分的核心是 G
6、PS 软件接收机。软件接收机主要由两部分组成：信号采集硬件电路和数据处理软件。硬件细分为天线，射频电路模块，降频模块，串并转换模块，数据采集系统。数据处理软件主要由基带信号处理和导航解算两部分组成，其中基带信号处理部分主要包括对 GPS 卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算、导航数据解码等工作。导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响、信号传输误差(主要包括电离层实时传输误差及对流层实时传输误差)等各种实时误差的计算，并将其从伪距中消除；根据上述结果进行接收机 PVT（位置、速度、时间）的解算
7、；对各精度因子(DOP)进行实时计算和监测以确定定位解的精度。3图 1 软件接收机系统框图1.2 MATLAB 工具简单介绍MATLAB 软件是由美国 Mathworks 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。MATLAB 是英文 MAT3ix LABoratory(短阵实验室)的缩写。MATLAB 软件集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在 MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外 GPS 导航的现状及发展趋势卫星导航，是接收导航
8、卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态己知的点，实时的测定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航。1958 年美国就开始了卫星导航系统的研究，它也开创了卫星应用的新领域。1963 年，第一颗导航卫星进入轨道，标志着人造卫星导航正式登上历史舞台。1994 年 3 月，第二代卫星导航系统一一“GPS卫星全球定位系统”的全面建成，不仅导致了无线电导航的一场变革，而且为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量新技术。今天，卫星导航己经成为名副其实的跨专业、跨行业、广用途、高效益的综合性高新技术。目前应用中的卫星导航系统主要是美
9、国的全球卫星导航系统(GPS)以及俄罗斯的（Glonass）卫星导航系统、中国的北斗一 l 卫星导航系统。正在建设开发中的有欧盟的伽利略(Galllco) 卫星导航系统，印度的印度区域导航卫星系统 (IRNSs)，日本的准天顶卫星系统(QZSS)。我国也在积极推进北斗二代(BD-2) 卫星导航系统的开发工作。在未来的 20 到 30 年内，卫星导航发展的主要趋势是:(1)发展全球、全天候、高精度、连续、实时的全球卫星导航系统;(2)发展由多种导航设备组合到一起的组合导航系统;(3)发展集通信、导航、指挥等功能于一体的综合导航系统;(4) 发展时间基准波束扫描微波着陆以及利用 GPS 等进行精密
10、着陆的开发。导航设备实现小型化、微型化、数字化和自动化，进而无人值守。总的来说，以卫星导航为基准的相对单一的无线电导航系统将是人类在和平时期的发展主流。1.3.2 国内 GPS 导航的研究现状我国卫星导航技术研究起始于 60 年代末的 691 计划，70 年代后期以来，国内开展了适合国情的卫星导航定位系统研究，先后提出了单星、双星、三星和 3-5 星的区域性卫星导航系统方案，以及多星的全球系统设想，并考虑到了导航定位与通信等综合运用4问题。2000 年 10 月 31 日和 12 月 21 日我国相继成功发射了第一颗和第二颗导航定位试验卫星，自行建立了第一代卫星导航定位系统“北斗导航系统”(也
11、称双星系统)。这个系统建成后，主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航服务，对我国国民经济建设将起到积极推动作用。 “北斗”由两个经度上相距 600 的地球静止卫星 (GEO)对用户双向测距，由一个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布全国的参考标校站和大量用户机。1.4 论文关键部分介绍1.4.1 GPS 信号的解调在对信号完成捕获以后，得到的载波频率和 C/A 码相位只是对 GPS 信号的粗略估计。跟踪部分的主要目的就是得到更精确的载波频率和 C/A 码相位，保持对信号的跟踪和解调出特定卫星的导航数据。图 2 解调原理框图图中给出了从输入信号中解调出导航信息的基本原理。首先
12、，输入信号和一个载波信号相乘，相乘后可以消除输入信号中的载波。然后将消除载波后的信号和 C/A 码相乘，相乘后输出导航信息。由以上过程可以看出，跟踪模块必须产生载波信号和 C/A码信号来完成准确的跟踪和卫星信号的解调。1.4.2 同步和导航电文的提取对接收到的 GPS 信号进行捕获和跟踪等处理后，得到导航数据信息、码相位和多普勒频率等观测量。对解调出的导航数据信息进行进一步的同步和奇偶校验处理，可以提取出 GPS 定位需要的导航电文。在卫星发送的导航电文中包含卫星轨道摄动参数、时间参数和开普勒参数等数据，根据这些数据，可以计算出卫星的瞬时位置和 GPS 接收机与卫星之间的伪距，进而计算出 GP
13、S 接收机的位置。图 3 GPS 导航定位过程位同步：因为从跟踪环输出的信号是 1000bps 的导航数据信息，所以在对导航数据解码前，要将 1000bps 的导航数据信息转化为实际的 50bps 导航数据，也是就要将20 个连续的值用 1 个值来代替，这个转换过程即为位同步。进行位同步，首先要找到导航信息序列中数据位跳变的时刻，然后再将 1000bps 的导航数据信息转换为 50bps 的导航数据。在 GPS 软件接收机采用“直方图”算法来实现，获取不同卫星导航数据的同步位信息，并将 1000bps 导航数据信息转化为实际的 50bps 导航数据。子帧同步和奇偶校验：在实现位同步以后，可以得
14、到同步位信息和 50bps 导航数据。要提取导航数据中所包含的导航电文信息，首先要找到导航数据中各个子帧在50bps 导航数据中的相对位置，所以要对所获得的 50bps 导航数据进行子帧同步。然后在子帧同步完成以后，要对导航数据进行奇偶校验。经过上述两个过程后，就可以对5GPS 导航电文中导航信息提取了。 提取导航电文信息：奇偶校验通过后，就可以按照导航电文的编码格式得到电文中提供的参数了。例如导航电文第一数据块中的电离层时延改正参数位于子帧 1 的第 197位开始的 8 个数据位中，将这 8 个数据位的数转化为十进制数，然后乘以缩放因子 2-3，即可得到导航电文中真实的电离层时延改正参数信息
15、。提取出的导航电文信息还包括轨道摄动参数、时间参数、开普勒参数等数据，根据这些数据，可以计算出卫星的位置、接收机和卫星之间的伪距，进而计算出接收机的位置。1.4.3 伪距的计算GPS 是基于时间测距原理来定位的，需要测量信号传播时间，即从位置己知的卫星发射时刻的信号到达用户接受机经历的时间，然后乘以光速得到卫星和接收机的距离。接收机测量的距离中包含了卫星时钟接收机时钟不同步，传播过程中由于电离层、对流层的影响而带来的误差，所以不同于真实距离，故称之为伪距.GPS 系统涉及到的时间有钟面时和 GPS 系统时,其中钟面时包括卫星钟面时和接收机钟面时设卫星发送 GPS 信号的卫星钟面时为 t1、GPS 系统时为 t2;接收机接收到该信号的接收机钟面为 t3、GPS 系统时为 t3。则卫星钟差、接收机钟差分别为 :t1= t1-t2,t3= t3-t3 (1)信号传播时间、卫星至接收机的距离分别为:= t3-t2,R = c(t3-t2) (2)其中 c 为真空中的光速。实际上只能测得 GPS 信号发射时刻的卫星钟面时 t1 和接收该信号的接收机钟面时,所得观测量为:=t3-t1 (3)基于(1)(3)式 ,考虑电离层延迟、对流层延迟及多径延迟等误差,有:=t3-t3-(t2+t1)+t4+t6+t
