GPS软件关键技术研究

将GPS软件（Software Receiver，SR）与硬件进行比较，它们执行相同的功能，并且可以执行定位，速度测量等gps接收机连接，但是实现环境不同. SR是在PC上完成的，使用软件实现，此软件方法非常灵活，它可以处理由各种类型的硬件收集的数据. 无需更改硬件即可轻松验证新算法. 这对于研究强干扰信号，高动态跟踪等问题具有重要意义，有利于节省开发成本和加快算法的速度.

GPS软件主要由两个模块组成: 基带信号处理和导航定位解决方案. 基带信号处理包括信号采集和跟踪. 导航定位解决方案模块包括星历计算，伪距计算和定位解决方案. 其中，信号的快速捕获，高动态信号的跟踪，高精度定位等部分是接收机的关键技术.

本文以SR算法流程为主要内容，对接收机中的关键技术进行了单独研究: 在快速信号采集方面，设计了一种新的采集方案以使采集速度更快，结果准确高动态方面在信号跟踪方面，三阶锁相环用于载波跟踪，二阶环用于代码环，载波环用于辅助代码跟踪环. 因此，可以减少代码循环的带宽，并且可以提高跟踪精度. 推导了伪距的计算，并考虑了精确伪距的影响，提高了伪距测量的准确性. 鉴于最小二乘法定位解决方案的缺点，没有考虑载波运动模型的缺点. 本文对卡尔曼滤波器的定位结果进行处理，以获得高精度的结果，并有效减小了定位偏差.

1个SR组成模块

SR对下变频后的中频数字信号进行处理，并对信号进行捕获，跟踪和数据解调，以实现GPS接收机的定位，定时和速度测量功能.

2基带数字信号处理

基带数字信号处理由两部分组成: 信号采集和跟踪. 信号采集是接收机实现定位，速度测量和其他功能的第一步. 它用于确定接收信号中包括哪些卫星信号. C / A代码的起点和多普勒频移为跟踪做好了必要的准备. 信号跟踪是对捕获的卫星信号的多普勒频移和C / A码相位的精确跟踪，是计算卫星星历和伪距的前提.

从文献中知道，由于和卫星的相对运动，地面上的固定载波产生的多普勒频移在-5和5 kHz之间. 对于导弹等高速航母，会产生多普勒频移. 频移在-10至10 kHz之间. 通常，对于一般的运动载波，将多普勒频移搜索范围设置为-7至7 kHz，在采集过程中多普勒频移搜索步长为1 kHz，并使用1 ms的数据.

本文采用基于FFT的并行码相位快速获取方法，即在一定的本地振荡频率下，可以同时计算所相位的相关值，并得到多普勒频率根据判定方法和阈值确定卫星信号的偏移. C / A代码阶段. 该算法首先通过傅立叶变换将时域转换为频域，将时域的相关运算转换为频域的乘法，然后使用傅立叶逆变换来找到傅立叶变换中每个码相的相关值. 时域. 基本原理如下:

长度为N的有限序列x（n）的离散傅立叶变换为:

信号采集包括粗采集和精采集. 粗略采集用于确定信号是否包含卫星信号，所含信号的C / A码相位起始点以及分辨率为500 Hz（采集步长为1）kHz）多普勒频移，精细采集用于确定计算更精确的多普勒频移，以满足跟踪环路的要求. 下面介绍本文设计的粗捕获和精捕获的实现方法.

2.1粗捕获的实现方法

在信号的多普勒频移处，将出现一个大的相关峰. 在其他多普勒处，相关峰将逐渐减小，直到噪声的大小与相关值相似为止.

因此，在获取期间，以1 kHz为步长搜索多普勒频移. 如果使用多普勒频移，则将当前相关峰与先前计算的较小相关峰进行比较. 如果比率If大于阈值（通常约为1.8），则数据中存在卫星信号，因此可以确定分辨率为500 Hz的载波频率和编码相位. 否则，如果信号中不存在卫星信号，则可以知道在所有多普勒搜索范围内峰值都相对平坦.

本文设计的粗略采集算法仅需要计算每个多普勒频移下的相关峰值，而无需计算相关平均值或次最大值. 与其他算法相比，计算量小，实现速度快.

2.2精细载波频率的实现方法

粗略采集可以获得分辨率为500 Hz的载波，无法满足载波跟踪环路的要求. 因此，通过精细采集，本地振荡器频率与信号载波频率之间的差必须在几十赫兹以内.

本文采用通过粗采集获得的C / A码相位来缩短多普勒频移搜索步骤来计算相关值，并使用二次曲线拟合的方法来计算精细载波频率.

算法实现步骤如下:

1）使用通过粗捕获获得的C / A代码的起始位，生成1 ms本地C / A代码序列，将其与中频信号相乘，然后将1 ms C / A代码剥离后，输入信号变为连续载波信号.

2）通过粗采集计算出的多普勒频移是信号多普勒频移在[fdop-500，fdop + 500] Hz以内，在750 fdop之前和之后的步长为△fdop = 250 Hz. 在Hz范围内，用连续载波进行相关计算以获得7个相关值，取最大相关值和两侧的相关值，并取其对应的多普勒频移. 建立二次曲线的模型方程:

此时的X是计算出的精细多普勒频移，也就是馈入跟踪环路的多普勒频移.

这种精细的捕获算法计算量少，捕获结果准确，操作简便，并且对导航数据位跳转不敏感.

2.3完整的捕获解决方案

根据载波和卫星的运动特性，已知在地面上移动的载波具有更可能为±2，±3 kHz的多普勒频移分布，因此请搜索这些多普勒频移首先，即在采集过程中使用跳频搜索可以减少计算量并提高采集速度. 稳定采用的多普勒搜索的顺序是[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，单位It是kHz.

将以上粗略采集算法，精细采集算法和多普勒跳频跳频搜索方法相结合gps接收机连接，形成一个完整的采集方案. 信号模拟器生成的实际采集信号和多组信号用于仿真验证. 采集大约需要9 s. 多普勒频移和C / A码相位采集精度高，可以满足跟踪环路的要求.

3个卡尔曼滤波处理定位结果

传统定位解决方案仅使用单点测量信息，而没有考虑载体的运动特性. 定位精度容易受到观察噪声的影响. 本文对载体的运动进行建模，并采用卡尔曼滤波进行数据处理，以获得高精度的定位结果.

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