软件定义的GPS和伽利略接收机

gps 软件接收机原理 matlab仿真实现本书由总装备部装备科技译著出版基金资助出版软件定义的GPS和伽利略接收机[丹麦] Kai borre[美] Dennis m.Akos[丹麦] Nicolaj Bertelsen Peter Rinder Spren Holdt Jensen著杨东凯张飞舟张波译·北京著作权合同登记图字:军-2008-064号图书在版编目(CP)数据软件定义的GPS和伽利略接收机[丹]博尔卡伊(Bore,K.)等著;杨东凯,张飞舟,张波译.一北京:国防工业出版社,2009.3ISBN978-7-118-06014-0I.软..Ⅱ.①博..②杨..③张.④张..Ⅲ.①全球定位系统(GPS)②卫星导航一导航接收机Ⅳ.P28.4TN965.5中国版本图书馆CIP数据核字(2008)第164650号Translation from the English language editionA Softuare-Defined GPS and Galileo Receiver by K. Borre, D. M. Akos, N. Bertelsen, P. Rinder, andS.H. JeensenCopyright o 2007 Birkhauser BostonSpringer is a part of Springer Science Business MediaAll Rights Reserved版权所有,侵权必究。※阳所·草出散社出版发行(北京市海淀区紫竹院南路23号邮政编码100048)天利华印刷装订有限公司印刷新华书店经售开本710×9601/16印张10字数200千字2009年3月第1版第1次印刷印数1-3000册定价28.00元(含光盘)(本书如有印装错误,我社负责调换)国防书店:(010)68428422发行邮购:(010)68414474发行传真:(010)68411535发行业务:(010)684727前言软件定义无线电(SDRs)概念的提出已有10多年的时间。自 Dennis Akos于1997年第一次对基于软件无线电的GPS系统进行了完整论述,几个研究小组已分别在这一领域做出了自己的贡献。因此,我们认为出版一本更新的书来介绍GS系统软件接收机的最新研究成果的时机已成熟,同时介绍即将投入使用的欧洲伽利略导航系统。GPS系统和伽利略系统同属于全球导航卫星系统(GNSS)。SDR技术发展迅速,影响巨大,并且在接收机产业中得到了广泛应用。SDR技术的目标在于建立灵活可变的开放式体系结构的接收机,允许对不同的模块动态选择参数,实现可重构的SDRs。接收机对软件无线电节点上的所有通道采用同一个宽带A/D转换器,然后利用通用处理器上的软件对通道波形进行提取、下变频、解调。其主要思想是将宽带AD转换器的位置尽可能地靠近天线,然后将抽样结果送入可编程模块,应用数字信号处理技术获得需要的结果。对于研究、测试算法,甚至综合其他设备来说,SDR都是一个理想的平台。我们选择 MATLAB(版本7.x)作为编程语言,其编程环境对于工科院校的学生来说都很熟悉,而且语言灵活、易学。另外, MATLAB提供了非常强大的绘图功能,可以直观清楚地显示数据和结果。这项计划的概念在近10年前就已经成熟定型,只是由于当时技术不成熟而无法完全实现。本书配上DVD光盘,主要提供了以下内容:(1)文本内容,详细介绍了GNSS软件接收机。(2)DVD光盘,包括GPS软件接收机的 MATLAB完整实现程序,以及原始采样数据。程序允许读者改变里面不同的参数来观察参数的作用。(3)一个附加可选USB2.0接口的GNSS射频前端模块,最终在 Windows操作系统或 Linux操作系统下实现模拟信号到数字信号的转换(订购方法可在DⅤD光盘上找到)。数字信号经由USB2.0接口送入 MATLAB程序。利用以上三部分,读者可开发自己的GNSS接收机并且能够准确定位。GNSS软件接收机绝不是一个简单的装置。基于多方面的原因,本书中提供的接收机是接收处理Ll波段C/A码信号的单频GPS接收机。首先,这种接收机的结构相对简单;其次,通过轨道参数、时钟参数和电离层参数的修正,再加上欧洲静地星导航重叠系统( EGNOS)和广域增强系统(WAAS)等卫星增强系统(SBAS)提供的完整性,Ll单频接收机的精度完全可以和GNSS双频接收机相媲美。只有未来的GNSS宽带信号或者增加信号能量,才能提供优于L波段的性能;最后,在即将投入使用的欧洲伽利略系统中,同样有L波段分量。由于伽利略系统有足够的卫星,Ll波段信号的性能更加优良。书中也介绍了伽利略系统中要用到的二进制偏置载波(BOC)调制,以便读者能对这种新型的信号调制方式有所了解。本书对射频前端模块的设计也做了介绍,主要分析了模块是如何将天线信号中含有的大量信息分配到与各跟踪卫星相对应的功能模块。对于和本书设计相关的射频前端模块,具体购买方式请查询htp://car. colorado.edu/gns本书用 MATLAB程序实现了一个完整的GPS软件接收机,具备捕获、码和载波跟踪、导航信息提取、导航电文解码、伪距估算和位置计算等功能。我们知道,如今的教材大都配备 Power Point,教师大大减轻了工作。实际上,2004年2005年,在不同课堂上,我们使用了本书的大部分内容当作教材讲解。如今能把这些材料整理出来出版,我们感到非常高兴。本书的电子版可在gs.aau.dksoftgps上下载。以下是对本书内容和主题范围的一个简介。第1章:简单介绍了确定性信号和随机信号。研究了脉冲信号的幅度谱、自相关特性以及它的傅里叶变换,同时重点描述了其抽样过程。其次,讨论了线性时不变系统的相关特性。第1章主要是为以后的章节进行数学准备。第2章:讨论了GPS系统的信号结构以及导航数据,详细阐述了PRN序列及其相关特性,涉及多普勒频移和码跟踪方面内容。最后讨论了导航数据及其格式。第3章:介绍了伽利略LlOS信号和BOC调制,同时详细阐述了CASM调制、CRC校验机制、FEC前向纠错以及块交织机制,并讨论了伽利略系统消息结构及导航数据内容。第4章:介绍了GNSS射频前端模块,包括天线、滤波器、放大器、混频器和A/D变换器,同时讨论了经其处理后的采样数据特性。最后,介绍了如何利用ASICs设计微型GNSS射频前端。第5章:总体上分析了GNSS接收机的信号处理流程,从单一通道的功能描述开始,对从捕获到位置解算的全过程都进行了简单介绍。第6章:详细阐述了GPS信号捕获方法,对串行和并行的搜索方法都进行了讨论。第7章:详细阐述了码和载波跟踪方法以及数据解调。讨论了不同的DLL鉴别器及跟踪载波时常用的PLL和FLL,它们的性能对GNSS系统的精度有非常重要的影响;并对不同情况下的多径误差的包络进行了研究。第8章:恢复导航数据并将它们转换为星历,星历为计算卫星位置提供了基础。接下来介绍如何估算传输时间的整数和小数部分以计算伪距。为了使本书内容更加完整,对于系统的误差源、时间系统以及不同坐标系统之间的转换也进行了讨论。在本章也可以学习到精度衰减因子(DOP)以及坐标和时间参考系的概念,并给出了一个适用于GPS和伽利略接收机的定位程序。接下来是难度各异的习题。目的是希望这些问题能够激励读者更加全面深入地理解本书所包含的内容。如果读者能够做到对程序中的关键参数(DLL和PL的环路噪声带宽和阻尼系数,相关间隔,捕获门限,抽样频率,中频,屏蔽角,捕获带宽)进行修改,并能学习领会这些修改所起的作用,那么作者的目的也就达到了。本书最后是两个附录。附录A是对 MATLAB程序的一个总体展示。尽管实际的源代码都有序地整理在光盘的m文件里,但我们觉得还是应该添加一些结构上的一般性说明。列举了GPS和伽利略信号的不同点,以便为实现伽利略LIOS信号的接收软件做好准备。附录B讲述了如何利用 Simulink设计实现GPS信号模拟器。基于参考文献,同样利用 Simulink,还实现了伽利略Ll0S信号产生器。产生的信号频谱与接收到的伽利略在轨验证卫星A( GIOVE-A)的频谱非常相似。Darius Plausinaitis对源代码进行了总体修订,修改绘制了大量的图形,测试,编码实现了伽利略模拟器,并且写了 Windows系统下的USB驱动程序,其贡献不可低估。 Henrik Have Lindberg对CASM的某些方面进行了说明。Troels pedersen改善了多径描述。 Kristin Larson测试了 MATLAB算法。SiGe半导体所的研究人员,尤其是 Stuart Strickland和 Michael ball,他们开发了USB接口的GNSS射频前端模块,其工作值得肯定。另外, Stephan Esterhuizen和Marcus Junered开发了 Linux系统下的USB驱动,同时对模块的相关应用进行了开发。同时,非常感谢来自许多评论家的建设性意见。再次感谢来自 Danish技术研究委员会的坚实资助,同时感谢 Det ObelskeFamiliefond对 Windows环境下的USB驱动程序开发的支持。非常荣幸 Birhauser boston作为我们的出版商。现在,在图书处理过程中TEX是非常出色的出版工具,我们并不是欣赏并使用该工具的唯一用户。本书采用的是 LATEX2e和AMS-TEX,字体采用Y&Y设置为10/20 Times和MathTime格式。出色的版面设计和大量复杂的TEX编排方案来自于 FrankJensen。在这里还要提到 John D. Hobby的 Meta Post,本书中的25幅图形即完成于该环境,该环境是 Donald Knuth的 METAFONT和 Adobe的 PostScript的组合,使用起来非常方便。Aalborg,2006年8月Kai borreDennis akosNicolaj BertelsenAalborg UniversityUniversity of ColoradoPrivate consultantborre@ gps aau. dkdma@ colorado. edunicolai@ bertelsendk目录第1章信号与系统…1.1信号特性…1.1.1连续时间确定性信号1.1.2离散时间确定性信号…1.1.3单位脉冲…………1.1.4矩形脉冲1.1.5随机信号……234671.1.6随机脉冲序列1.2抽样1.3系统特性……………………………………………101.4线性时不变系统………111.5带通信号的表示13第2章GPS信号……………162.1信号与数据…………162.2GPS信号结构162.3C/A码…192.3.1Cold序列…………2.3.2Gold序列发生器——概述…202.3.3Cold序列发生器——细述…232.3.4相关特性242.4多普勒频移……252.5码跟踪52.6导航数据272.6.1遥测字和交接字………2.6.2导航电文中的数据28第3章伽利略信号…293.1信号理论293.2伽利略L0s信号303.2.1信号产生…………323.2.2相干自适应副载波调制…323.2.3二进制偏置載波调制……………………………………343.3电文结构…………………………………………393.3.1帧与页393.3.2循环冗余校验…403.3.3前向纠错及块交织4034电文内容3.4.1时间与时钟修正参数…433.4.2GST到UTC和GPST的转换3.4.3服务参数∴463.5L1OS信号的接收…………47第4章GNSS天线和前端4.1背景494.2 GNSS LI前端构成……514.2.1GNSs天线…………………………………………………514.2.2滤波器524.2.3放大器544.2.4混频器/本地振荡器544.2.5模数转换器564.3生成采样数据………4.4GNsS前端ASIC…………60第5章GNSS接收机操作概述…635.1接收机通道·,·,,,·垂,·635.1.1捕获…645.1.2跟踪……………65