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1、本科毕业论文题目全球导航卫星系统的捕获原理与单频接收机实现学生姓名：专业：电子信息工程指导教师：袁红林完成日期:2015年5月29日诚信承诺书本人承诺：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。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发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）学生签名：指导教师签名：日期：
2、摘要全球导航卫星系统是一种利用地球轨道卫星建立起来的覆盖全球的无线电导航系统。它具有全天候、实时性和高精度的特点，因而得到了广泛的应用。自美国的GPS投入运行以来，它对当今世界的经济和军事产生了重大影响，世界各国对它的依赖性不断增强。与此同时，一些国家为了保障自身安全，避免受制于美国，纷纷研制自己的导航卫星系统。紧随美国之后，俄罗斯建成了GLONASS系统，欧盟的伽利略(GALILEO)系统和中国的北斗二代导航卫星系统也正在研制和部署。卫星信号的捕获是卫星信号接收机的首要任务。只有完成卫星信号的捕获，才能开始后续处理过程，如跟踪、定位导航和观测量提取。卫星信号的捕获实际上是一个二维搜索过程，即
3、同时从伪随机码相位和载波多普勒频移方向进行搜索。这一搜索的目的是确定观测到的卫星，并估计出载波多普勒频移和码相位。本课题首先简单介绍全球导航卫星系统，对比四种导航卫星系统的定位性能；然后研究GPS的定位原理、GPS信号的构成以及单频接收机的结构和原理；接着在掌握卫星信号捕获原理的基础上，分析并研究了串行时域、并行频域与快速码相位捕获算法；最后，采用MATLAB软件在PC机上基于单频接收机实现了GPS卫星信号的快速码相位捕获算法，捕获到7号卫星信号，其多普勒频移为7KHz，C/A码初始相位为120度。关键词：全球导航卫星系统；捕获原理；单频接收机ABSTRACTGlobalnavigations
4、atellitesystemisaworldwideradionavigationsystem,whichhasbeenbuiltupbyusingsatellitesorbitingtheearth.Ithastheadvantagesofall-weather,real-timeandhighprecision,soithasbeenwidelyused.SinceAmericanGPSputintooperation,ithasputanimportantimpactontheeconomyandmilitaryworldwide,thedependenceofthecountriesa
5、roundtheworldforitgrowsincreasingly.Atthesametime,inordertoprotecttheirownsafetyandavoidthesubjecttoAmerican,somecountrieshavedevelopedtheirownsatellitenavigationsystems.ImmediatelyfollowingAmerica,RussianbuiltGLONASSsystem,theEuropeanUnionsGalileo(GALILEO)systemandtheBeidou2ndgenerationnavigationsa
6、tellitesystemofChinaarealsobeingdevelopedanddeployed.Theacquisitionofsatellitesignalistheprimarytaskofthesatellitesignalreceiver.Onlyafterthecompletionoftheacquisitionofsatellitesignal,wecanstartfurtherprocessing,suchastracking,navigationandmeasurementextraction.Theacquisitionofsatellitesignalisactu
7、allyatwo-dimensionalsearchprocess,namely,atthesametimefromthepseudorandomcodephaseandDopplerfrequencyshiftofthecarrierwavedirection.Thissearchwasdesignedtodeterminetheobservedsatellite,andestimatetheDopplerfrequencyshiftofthecarrierwaveandcodephase.Firstly,thispaperintroducestheglobalnavigationsatel
8、litesystemsimplyandcomparesthepositioningperformancesoffourkindsofnavigationsatellitesystem;then,thepositioningprincipleoftheGPS,thestructureoftheGPSsignalandthestructureandprincipleofthesinglefrequencyreceiverarestudied;andthen,onthebasisofmasteringtheacquisitionprincipleofthesatellitesignal,weanal
9、ysisandstudythetime-domainserialacquisitionalgorithm,parallelfrequencydomainacquisitionalgorithmandfastcodephaseacquisitionalgorithm;finally,basedonsinglefrequencyreceiveronthePC,werealizefastcodephaseacquisitionalgorithmoftheGPSsatellitesignalwithMATLABsoftware,itisdemonstratedthattheNo.7satellites
10、ignalwascaptured,whoseDopplerfrequencyshiftwas7KHzandtheC/Acodeinitialphasewas120degree.Keywords：Globalnavigationsatellitesystem,Theacquisitionprinciple,Singlefrequencyreceiver目录摘要.ABSTRACTII第一章绪论1.1.1全球导航卫星系统的发展概况1.1.1.1美国GPS发展现状1.1.1.2俄罗斯GLONASS发展现状1.1.1.3欧盟GALILEO发展现状2.1.1.4中国北斗导航卫星系统2.1.2.1 1.2全
11、球导航卫星系统定位性能对比分析2GPS系统定位性能2.1.2.2 GALILEO系统定位性能3.1.2.3 GLONASS系统定位性能3.1.2.4北斗导航卫星系统定位性能41.2.5对比分析总结4.1.3本课题研究背景和意义5.1.4本课题研究内容6.第二章GPS系统概述7.2.1 GPS系统原理7.2.1.1 GPS系统结构7.2.1.2 GPS定位原理8.2.2 GPS导航定位信号9.2.2.1 GPS载波信号9.2.2.2 GPS伪随机噪声码10GPS导航电文1.2GPS接收机13GPS接收机分类1.3GPS接收机结构1.3GPS接收机原理14第三章GPS卫星信号的捕获1.63.1多普
12、勒效应.163.2捕获原理.183.3捕获关键参数193.4捕获算法203.4.1串行时域捕获算法203.4.2并行频域捕获算法213.4.3快速码相位捕获算法223.5捕获算法性能23第四章单频接收机实现GPS卫星信号捕获254.1伪随机码的产生25C/A码仿真25P码仿真26GPS信号的产生29GPS信号的捕获32第五章总结与展望34参考文献35致谢.3.6.第一章绪论1.1全球导航卫星系统的发展概况1.1.1美国GPS发展现状美国政府于20世纪70年代初正式提出了GPS导航卫星系统的研制计划，之后经过20多年的实验和研究，至20世纪90年代初，构建完成了几乎覆盖全球的GPS体系卫星星座。
13、该系统于1995年建成并正式开始投入运行，其研制最初的目的是服务于美国的作战部队，为其提供战术性导航定位服务，主要用途在于军事方面，如核爆监测，应急通信以及信息收集等。美国GPS导航卫星系统的建设是其独霸全球战略中的重要组成部分，也是美国历史上第三大国家级的航天规划。简单地说，GPS导航卫星系统是一个由24颗地球轨道卫星构成的全球性的卫星导航体系，截止到2009年底，美国共发射了4种类型的GPS卫星。GPS是全球卫星导航系统中第一个投入运行和应用的导航系统，并且该系统是1999年以来唯一的一个一直稳定运营的系统。GPS系统为了确保其在轨卫星能够收集到目标观测点的精确位置信息，以实现系统的定位、
14、导航和授时等功能，要求其卫星星座的构建能够满足在地球上任何位置都能实时观测到四颗或四颗以上的GPS在轨卫星。1.1.2俄罗斯GLONASS发展现状俄罗斯GLONASS系统于上世纪七十年代由苏联国防部独立控制和研发，与美国GPS系统的研发几乎是同时起步，主要用于应对美国GPS的垄断。在应用方面与美国GPS系统较为相似的是，俄罗斯GLONASS系统也建立了完善的民用渠道，可供民间、国防使用，并且不计划对用户收费。与之不同的是，GLONASS系统不附带任何使用限制，也在早期声明中强调不引入会降低定位精度的可用性选择。苏联在上世纪八十年代末分两次公布了GLONASS系统的界面控制文件，这在很大程度上促
15、进了GLONASS系统导航定位业务的推广。由于二十世纪九十年代俄罗斯经济的衰退，GLONASS系统的发展相对滞后，其卫星星座的建设进度也远落后于GPS系统，体系的卫星无法得到有效的维护和补充，甚至其在轨卫星数量出现过大量减少的状况，导致体系星座完整度遭到严重破坏，致使其可用性大大降低。近年来随着导航卫星系统在现代战争中战略性地位的提升以及俄经济的复苏，俄罗斯政府加快了GLONASS系统现代化步伐，使其得到了快速发展，并逐渐成为可以与GPS相媲美的全球第二大导航系统。在全球性卫星定位系统的发展过程中，GLONASS系统自从出现就开始了向GPS系统的垄断地位发起挑战，它极大促进了全球导航卫星系统的
16、服务政策向用户倾斜。1.1.3欧盟GALILEO发展现状GALILEO系统是欧盟正在研发建设中的全球性卫星定位系统，实际上，也是继GPS系统和GLONASS系统之后，第三个可以提供民用窗口的全球性导航卫星系统。GALILEO系统于2010年开始运营，它是全球第一个既具有商业性质又完全向民用开放的定位系统。欧盟研发本土卫星定位系统的主要目的是增强卫星定位信号对高纬度国家和地区的覆盖（如芬兰、瑞典等国家），减少对美国GPS导航系统的依赖，打破美国GPS系统一家独大的局面，增强欧盟的凝聚力，提高欧盟的科技实力和国际地位，为全球用户提供更高质量的定位服务。欧盟希望GALILEO导航系统既能为军方和政府提供更高安全级别的加密信号，又能够为民用个体提供更高精度的导航定位信号。2011年卫星导航定位的验证阶段完成后，欧盟又发射其余的26颗卫星完成了GALILEO系统卫星星座的布
