1、基于MATLAB的GPS信号的仿真摘要 扩频通信是近几年来迅速发展起来的一种通信技术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。扩频技术在军事应用上的最成功范例可以以美国和俄国的全球定位系统（GPS和GLONASS）为代表；在民用上GPS和GLONASS也都得到了广泛的应用，这些系统的基础就是扩频技术。全球定位系统（GPS）用于对全球的民用及军用飞机、舰船、人员、车辆等提供实时导航定位服务。GPS系统采用典型的CDMA体制，这种扩频调制信号具有低截获概率特性。该系统主要利用直接序列扩频调制技术，采用的伪码有C/A码和P(Y)码两
2、种。 本文讲述的是直接序列扩频通信技术在全球定位系统（GPS）中的应用。主要介绍扩频通信中的伪码仿真，简要论述M序列和伪随机噪声码（P码和C/A码）及其产生，并使用MATLAB7.0仿真M序列、P码和C/A码的编码过程和仿真结果，介绍直扩频技术伪码的相关知识，重点介绍P码。关键字：全球定位系统；直接扩频通信；伪码仿真Abstract Spread spectrum communication is a communications technology developed rapidly in recent years. In early studies the main purpose of
3、 this technology is to improve the military communications confidential and anti-jamming performance, therefore the development and application of this technology is always in secret state. Spread spectrum technology in the most successful military application examples are the United States and Russ
4、ia could the global positioning system (GPS and GLONASS) for representative; In civil GPS and GLONASS also have been widely used，which foundation of system is the spread spectrum technology.Global positioning system (GPS) is used to provide real-time navigation and positioning services for global ci
5、vil and military aircraft, ships, personnel, vehicles and so on. GPS system adopts the typical CDMA system, which kind of spread spectrummodulation signals have low intercept probability characteristic. This system mainly used the direct sequence spread spectrum modulation technology, using the PRN
6、code including C/A code, P codes and Y codes.This article tells the direct sequence spread spectrum communication technology applied in global positioning system (GPS) .The article mainly introduces the pn code spread spectrum communication simulation, briefly discussing M sequence and pseudo random
7、 noise code (P yards and C/A yards) and its produce and use MATLAB7.0 simulate M series, P yards and C/A yards of encoding process and the simulation results, introducing pn code straight spread-spectrum technology knowledge, especially P yards.Key: GPS; DS-SS;Pn code simulation引言全球卫星定位系统，简称GPS系统，可在
8、全球范围内，全天候为用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。文中目的就是搭建一个GPS仿真平台，使得各种信号生成的算法能在该仿真平台上得以仿真实现，以验证算法的性能，从而为信号模拟器的研制提供理论依据。因此对GPS的卫星信号的仿真必将推动中国自主研制的卫星导航系统的发展。目前，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS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系统中P
9、码的捕获通常是先捕获到C /A码，然后利用C /A 码调制的导航电文中的转接字(HOW )所提供的P码信息对P码进行捕获。然而，C /A 码的码长短、码速率低，易受敌方干扰和欺骗, 在强干扰和欺骗的战争环境下，很难通过C /A 码来捕获到P码。因此，直接捕获P码一直倍受美国军方的关注。产生P码并对其特性进行分析对进一步研究直接P码的捕获有着重要的意义。 本设计所针对的是GPS卫星信号的伪码仿真，主要是M序列的生成方法和P码的编码原理及其仿真。本课题研究思路是： 研究GPS信号的生成原理和直扩频通信技术基础，M序列和P码算法原理。 在理论研究的基础上，实现MATLAB软件生成M序列和P码，并对其
10、做简单的相关性分析。 文章最后对仿真过程中实现的功能及出现的为题做出总结，总结论文所做的工作和需要更仔细研究的方向。1GPS理论及其特性1.1GPS系统概述 全球定位系统（GPS）是美国政府于20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成的高精度、高动态的星际导航定位系统，该系统全天候地向全球范围内具有GPS接收机用户提供精确、连续的三维位置、三维运动和时间需要。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军规的标准精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）。 GPS目前处于良好的运行状态，并满足20
11、世纪60年代所提出的最佳定位系统标准。这个系统向有适当接收设备的全球范围内的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。 GPS也向全球广播世界协调时（UTC）。组成卫星星座的24颗卫星被安排在6个轨道平面上，即每个平面上4颗。这样的卫星星座配置确定了卫星某一时刻在轨道中的位置，而为hi与地平线以上的卫星数会随着时间和地点的不同而不同，最少可见到颗，最多可见到11颗，因此保证了在开放的天空下，地球上和近地空间任一点在任何时刻均可以同时观测到至少4颗GPS卫星，为准确定位提供可能。GPS系统采用CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）技术将在轨的24颗卫星分开
12、，每颗卫星使用同样的调制方式在相同的载波频率上调制各自唯一的伪随机码和数据信息，然后使用星载卫星天线发射信号。卫星轨道分布如图1.1所示：图1.1 卫星轨道分布1.2GPS信号构成 GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的信号，是一种调制波，但有别于常用的无线电广播电台发送的调频调幅信号，它是利用伪随机噪声码传送导航电文的调相信号。GPS卫星信号是目前常用的两种违心导航定位信号之一，它包含有三种信号分量，即载波（L1和L2）、测距码（C/A码和P码）和数据码（D码，亦称基带信号或导航电文）。而这所有这些信号分量都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生的。GPS卫星信号示意图如图1
13、.2所示：图1.2GPS卫星信号频率构成 GPS卫星发送的GPS卫星信号采用L波段的两种载频作载波，分别被称作L1的主频率和L2的次频率。这些载波频率由扩频码（每一颗卫星均有专门的伪随机序列）和导航电文所调制。所有卫星均在这两个相同的载波频率上发射，但由于伪随机码调制不同，因此无明显的相互干扰。GPS使用L频段的两种载频为（其中f0是卫星信号发生器的基准频率）： L1载波：fL1=154f0=1575.42 MHz，波长1=19.032 cm； L2载波：fL2=120f0 =1227.6MHz，波长2=24.42 cm。 选择L波段的好处是：(1）减少拥挤，避免“撞车”。目前L波段的频率占用
14、率低于其他波段，与其他工作频率不易发生“撞车”现象，有利于全球性的导航定位测量。(2）适应扩频，传送宽带信号。GPS卫星采用扩频技术发送卫星导航电文，其频带高达20 MHz左右，在占用率较低的L波段上，易于传送扩频后的宽带信号。 在载波L1上调制有C/A码、P码的数据码，而在载波L2上，只有调制有P码的数据码。 在无线通信技术中，为了有效地传播信息，一般均将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，而这时频率较低的信号成为调制信号。 GPS信号是一种调制波，它不仅采用L波段的载波，而且采用扩频技术传送卫星导航电文。所谓“扩频”，是将原来打算发送的几十比特速率的电文变换成发送几兆甚至几十兆比特速率的
15、由电文和伪随机噪声码组成的组合码。采用扩频技术时，若信号功率仅为噪声功率的1/10，那么信号将深深地淹没在噪声之中而不易被他人捕获，从而使得信号具有极强的保密性。 GPS信号的调制波，是卫星导航电文和伪随机噪声码（PseudoRandom Noise Code，简称PRN码，或称伪噪声码）的组合码。卫星导航电文是一种不归零二进制码组成的编码脉冲串，称之为数据码，记作D(t)，其码率为50 b/s。对于距离地面20 000 km之遥的GPS卫星，扩频技术能有效地将很低码率的导航电文发送给用户。其方法是用很低码率的数据码作二级调制（扩频）。第一级，用50 Hz的D码调制一个伪噪声码，例如调制一个被
16、叫做P码的伪噪声码，它的码率高达10.23 MHz。D码调制P码的结果，便形成了一个组合码P(t)D(t)，使得D码信号的频带宽度从50 Hz扩展到10.23 MHz，也就是说，GPS卫星从原来要发送50 b/s的D码，转变为发送10 230 b/s的组合码P(t)D(t)。 在D码调制伪噪声码以后，再用它们的组合码去调制L波段的载波，实现D码的第二级调制，而形成向广大用户发送的已调波。如图4-1所示，D码的数据首先同伪噪声码C/A码和P(Y)码模二相加后，形成组合码C/A(t)D(t)和P(t)D(t)，然后才调制L1载波。需要注意的是，组合码C/A(t)D(t)和P(t)D(t)是通过相移键控（BPSK）调制到L1载波上的。在L1载波上，C/A(t)D(t)调制和P(t)D(t)调制在相位上是正交的。因此在这两个合并的L1载波频率上的C/A(t)D(t)调制和P(t)
