中频数据模拟软件开发报告作者：李子月2012-7-10第1章绪论1、1软件编写背景、意义卫星导航和惯性导航是现在运用最为广泛的两种导航模式，两种导航模式具有性能互补特性，GPS/INS组合导航是一种比较理想的导航模式。

松组合、紧组合中两种系统相互辅助不够密切，并且理论上存在一定的误差，系统性能不够稳定，1999年被提出的GPS/INS深组合导航是现在国际上的研究热点。

GPS/INS深组合导航理论上不同于松、紧组合模式，在数据同步、数据处理、误差分析、状态估计方面都存在难点，硬件实现非常困难。

现在国外从事深组合研究的除了一些先进研究所以及军工单位搭建了硬件测试平台，大部分都是处于半实物仿真阶段；国内研究由于技术上受到种种限制，科研主要以仿真为主，其中，国防科技大学、哈工大、北航等导航基础较强的高校有的实验室搭建了简易的半实物仿真平台。

由于深组合导航算法复杂，需要用到I、Q相关数据和惯导数据进行数据融合，并且数据同步难以实现，所以对数据要求也很高，真实数据有时难以满足软件需要，特别是在理论研究的初期，仿真数据的优势远大于真实采集数据。

除此之外仿真中频数据还有其他方面的优势：（1）可以仿真现实中难以获得的运动轨迹数据。

以高动态导航为研究背景的科研工作者很难获取高速、高动态载体的卫星数据，软件仿真中频数据可以仿真任意飞行轨迹参数下的数据。

（2）可以任意设定信噪比，以及可以捕获到的卫星数目，这就方便了弱信号跟踪、抗干扰等技术的研究。

（3）仿真的中频数据由于所有参数都是人为设定，科研人员就可以清楚的知道实验的理论值，方便了误差分析。

不但在GPS/INS深组合研究中仿真中频数据具有很大的优势，在很多领域仿真中频数据都是一个很好的选择。

国外很早就有了GPS中频数据仿真的matlab 工具箱，但是价格十分昂贵，国内的很多实验室都开发了自己的仿真软件。

1、2 软件的功能和系统概况本软件是全部采用matlab语言编写，基本功能就是仿真出可供软件接收机识别并处理、解算出位置、速度等信息的数据。

基于本软件有些参数和数据可以任意选取，具体如下：（1）仿真中频数据必须采用RINEX格式的导航电文文件，其中包含了固定时间段之内的数据解算卫星信息，这种数据文件时可以任意选取的。

（2）载体的轨迹信息可以任意设定，其中包含了载体的位置、速度以及加速度，并且要根据载体位置以及选取的仿真时刻确定可见星。

（3）仿真数据的信噪比可以在一定范围之间任意设定，同时还可以设定电离层延迟、对流层干扰、多径效应等误差源模型。

软件主要分为导航电文文件数据读取、卫星信息以及多普勒计算、卫星数据生成三部分组成，其中卫星数据读取中还包含改进的十进制转二进制、奇偶校验位计算、导航位编排等函数；卫星信息计算及多普勒计算中还包含可见性分析以及选取函数；卫星数据生成中还包含C/A码生成、采样、噪声计算等一些函数。

第2章 GPS卫星信号2.1 GPS信号仿真GPS信号的格式完全按照真实GPS信号进行仿真，真实的卫星发射的GPS信号由载波、伪码、导航电文调制而成，接收到的信号在传输过程中加入了一些噪声、数据延迟以及多普勒频移。

导航电文中包含卫星的参数数据，但是由于导航电文频率为50HZ，不能从卫星发射到地球，卫星发射的信号是导航电文经过1.023MHZ的伪码进行扩频，然后调制在载波上形成的信号。

GPS卫星采用的载波有两个频段，L1载波频率为1575.42MHZ，L2载波频率为1227.60MHZ，调制在两种载波上对应于两种GPS信号，即L1信号和L2信号，其中L2信号只调制有P(Y)码，是供军方使用的加密码，本软件没有对L2信号进行仿真。

2.1.1 GPS信号结构本软件只进行仿真L1信号，完整的GPS信号的生成原理如下：图2.1 GPS信号产生原理L1信号的表达式为：()()()()()()11111()cos ()sin i L p i i L c i i L S t A P t D t t A C t D t t ωω=+Φ++Φ （2.1） 其中，下标i 用来指代不同的卫星，p A 表示P 码的幅度，c A 表示C/A 码的幅度，()i P t 表示P 码，()i C t 表示C/A 码，()i D t 表示数据码，1L ω是载波L1的角频率，1Φ是载波L1信号的初始相位。

去除掉P(Y)码，本软件中的信号表达式为：()()()()111()sin i L c i i L i S t A C t D t t n ω=+Φ+ （2.2）式中i n 表示信号的噪声。

从公式2.2中可以看出，仿真的中频信号包含理论上包含伪码、导航电文和载波信号，这三种信号调制在一起再加上噪声就构成了GPS 信号。

伪码用来捕获和计算伪距，导航电文中包含了定位所需要的卫星轨道参数以及信号中的时间参数，载波中的多普勒频移可以计算速度，载波相位可以用来精确定位。

三者在调制过程中的关系如下：图2.2 载波、C/A 码、导航电文调制2.1.2 C/A 码信号C/A 码也就是PRN 码，是一种由0、1数字组成的伪随机码。

GPS 官方文档ICD-GPS-200提供了C/A 码的产生原理，如图2.3所示：19cm图2.3 C/A 码生成原理C/A 码码片速率为1.023MHz ，每个C/A 码长度为1023码片，对应的C/A 码周期为1ms ，码片宽度大约为1s μ。

伪码具有良好的自相关特性，自相关函数如下：,01()()(),(,)T i i i i R c t c t dt T T Tτττ=+∈-⎰ （2.3） 由公式2.3可得，只有当同一个C/A 码并且码相位误差很小的时候,()i i R τ才能得到一个较大的峰值。

GPS 接收机每一个通道中的C/A 码与输入信号做相关运算，利用C/A 码良好的自相关性就可以检测到输入信号中所包含哪几颗卫星。

C/A 码不但可以用来捕获卫星，还可以用来测量载体与卫星之间的距离，也就是伪距。

通过捕获和跟踪可以精确的知道输入信号的码相位，然后计算出信号发射时间，接收时间可以从本地时钟获得，做差就可以得到伪距。

每一个码片对应的距离大约为300米，通过C/A 码求得伪距误差为几十米左右，如果想获得更高精度的伪距，可以借助于载波测距，精度可达厘米级。

2.1.3 导航电文导航电文数据率为50bps ，对应的每一个数据位长度为20ms ，调制在GPS 信号中导航电文是0、1组成的二进制数，这些二进制数代表了计算卫星轨道信息所需要的参数。

X1导航电文每一帧包含5个子帧，每一子帧又包含10个字，每一个字包含30数据位，每一数据位占据20ms。

导航电文结构图如下：GPS导航电文结构从图中可以看出，每一个字0.6s，每一子帧6s，30s传送完一帧。

前三子帧包含当前时刻所有的卫星星历信息，历史信息保存的4、5子帧，25帧才组成完整的历书，所以完整的卫星星历需要25*6=12.5min才能发送完毕。

由于前三子帧已包含计算所需要的星历数据，18s的卫星数据就可以进行定位。

2.2 GPS信号误差卫星信号由卫星发射到接收机接收，这一过程需要信号传输2万多千米，这一过程会给信号带来很多误差。

首先，卫星发射的卫星信号中本身就包含卫星星历误差以及卫星时钟带来的误差；其次卫星信号传输需要穿越大气层，这一过程带来的误差可以归结为电离层延时和对流层延时；另外，信号传输到地面被接收机接收还会带来多路径效应、电磁干扰以及接收机噪声等误差。

总之，接收机接收到的信号包含了很多噪声，如果要精确的定位计算就必须要对这些噪声模型有一个清楚地认识，下面将分别对这些误差进行介绍。

2.2.1 时钟误差由于卫星上的原子钟时间偏移和频率漂移，造成卫星时钟与标准的GPS系统时间相比，t时刻卫星时钟所包含的误差t ，可以表示如下：2012()()f f oc f oc t a a t t a t t ∆=+-+- （2.4） 式中0f a 、1f a 、2f a 为导航电文中提供的误差参数，oc t 为导航电文提供的时间参数，Time of Clock 的缩写，表示时钟时刻。

除此之外，卫星时钟误差还包含相对论校正量和群延迟校正，总的时钟误差为：r GD t t t T δ=∆+∆- （2.5） GD T 由导航电文提供，相对论校正量r t ∆可以表示为：r k t Fe E ∆= （2.6）其中，s e 为卫星的轨道偏心率，s a 表示轨道长度半径，k E 为偏近点角，这三个参数都可以从导航电文获得。

常熟F 的值为：[]104.44280763310/F m s ==-⨯ （2.7） μ和c 为常数，可以查表获得。

2.2.2 卫星星历误差通过地面监控部分计算出的卫星轨道参数用来描述卫星的运行轨道，这些参数理论上是正确的，但是卫星在运行过程中受到的作用力十分复杂，无法精确建模。

通过星历参数计算出的卫星模型与真实的卫星运行轨道之间肯定存在着误差，但是这个误差没有精确的模型，由于地球转动十分缓慢，以及信号传输时间非常短，星历误差对定位造成的影响很小。

2.2.3 电离层和对流层误差电离层是高度约为70~100km 出的大气层，电离层中充满了电离子和电子，当电磁波穿过时波的传输速度和方向会发生改变，电离层对电磁波的影响与其频率有关，当GPS 信号穿过电离层时电离层会对伪码和载波造成相反的影响。

GPS 信号穿过电离层伪码的传输速率会变慢，而载波的速率却会变快，二者变化的量相等，方向相反。

多频接收机中电离层误差可以通过不同频率波之间的延时大小不同精确估计出延时，单频接收机中可以按照误差模型进行计算。

对流层位于离地面约为40km 的高度，对流层中包含了大气层中99%的质量，其中氧气、氮气、水蒸气是造成对流层延时的主要原因。

与电离层相比，对流层对信号造成的误差要小得多，由于对流层和气象有关，实际中不方便实时获取精确的气象资料，一般的矫正都会采用简化的对流层模型，而这种模型有多种形式的近似。

这里列举一种：2.47sin 0.0121T θ=+ （2.8） 2.2.4 其他误差卫星信号传输到地面，经过周围的建筑物反射到达天线，这种经过反射的信号会对正确的信号造成影响，对给定位结果带来误差。

另外，天线、放大器以及各部分的电子器件热噪声、信号量化误差、定位算法、软件接收机中的数值精度误差等都会给定位带来误差。

这些误差都比较小，在实际结算过程中可以归结为一项进行估计。

第三章 GPS 中频数据仿真3.1 中频信号仿真模型GPS 卫星发射的L1载波信号频率为1575.42MHz 的高频信号，难以对其进行仿真，接收机的射频前端接收到射频信号之后首先对其进行下变频，使信号载波频率变换到中频，此时的卫星数据成为中频数据。