论文总字数：29939字

摘 要

GPS系统是上世纪七十年代美国国防部批准陆、海、空三军联合研制出的一种基于无线电的导航与定位系统，其在测量、交通、救援、农业、娱乐消遣、现代军事中得到了广泛应用。但随着用户在导航精度等各方面要求日益提高，原始GPS的系统组成和信号结构都不再能满足当前用户的需要。为满足用户需求并提高GPS在当今各导航系统中的竞争性，诞生了GPS现代化计划，其中就包括在新升空的Block IIR-M卫星上发射L2C信号这一重要内容。

不同于传统的L1 C/A信号，L2C信号是一种新的民用新号，由CM码与CL码利用时分复用技术生成。因为民用长码CL码的码长达到1.5s，针对传统L1 C/A码的捕获算法已经不适用于CL码的捕获，所以需要提出一种可以对长周期码进行捕获的算法。本文从L2C信号的结构和特性入手研究CL码，分别分析CM码和CL码的生成原理和调制结构，在已有的一些CL码捕获算法和处理方案的基础上，结合降频处理和折叠技术提出一种基于时频域双折叠的GPS L2C CL 码快速直接捕获算法。经过对实验室实时测量得到的GPS L2C CL信号做出的实验验证，在时域折叠K=6而频域折叠m=7时，捕获CL信号所花费的时间减少到不进行折叠处理时的1/18.6，信号捕获速率得到很大提高。本文所提出的双折叠算法是在减少相干积分的时间和削弱相干积分的性能两者间达到一种平衡状态，同时考虑时间的减少，幅值的降低和噪声的增大，在现有条件下达到了GPS L2C CL码快速直捕的目的。

关键词：L2C信号，时频域双折叠技术，调制结构，CL码

Abstract

The GPS system was a radio-based navigation and positioning system jointly developed by the U.S. Department of Defense in the 1970s. It was widely used in measurement, transportation, rescue, agriculture, recreation, and modern military. However, as the user's requirements in terms of navigation accuracy and so on are increasingly increasing, the original GPS system components and signal structures are no longer able to meet the needs of current users. In order to meet the needs of users and improve the competitiveness of GPS in today’s navigation systems, a GPS modernization plan was born, which included the project of launching L2C signals on newly launched Block IIR-M satellites.

Different from the traditional L1 C/A signal, the L2C signal is a new civil number that is generated by the CM code and the CL code using time division multiplexing. Because the yard length of civilian long code CL code reaches 1.5s, the capture algorithm for traditional L1 C/A code is not suitable for the capture of CL code, so we need to propose an algorithm that can capture long period code.  In this paper, the CL code is studied from the structure and characteristics of L2C signal, and the generation principle and modulation structure of CM code and CL code are analyzed. Based on some existing CL code acquisition algorithms and processing schemes, the frequency reduction processing and folding technology are combined. A GPS L2C CL code fast direct acquisition algorithm based on time-frequency domain bi-folding is proposed. After an experimental verification of the GPS L2C CL signal measured in real time in the laboratory, when the time domain folds K=6 and the frequency domain folds m=7, the time it takes to capture the CL signal is reduced to 1/18.6 when the folding process is not performed and the signal acquisition rate is greatly improved. The double folding algorithm proposed in this paper is to achieve a balance between reducing the time of coherent integration and impairing the performance of coherent integration. At the same time, the algorithm takes into account the reduction of time, the reduction of amplitude and the increase of noise. Under the existing conditions, the algorithm achieves the goal of fast direct capture of GPS L2C CL code.

KEY WORDS: L2C, time-frequency domain double fold technology, modulation structure, CL code

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景及意义 1

1.2.1 原始GPS及缺陷 1

1.2.2 GPS现代化 2

1.2.3 L2C信号结构及研究现状 3

1.3 论文内容及安排 3

第二章 L2C信号的结构和特性 5

2.1 L2C信号概述 5

2.2 L2C信号的结构和特性 5

2.2.1 GPS L2C信号的调制结构 5

2.2.2 L2C信号的特性 6

2.2.3 CM码和CL码的构成 6

2.3 本章小结 8

第三章 L2C导航电文结构 9

3.1 概述 9

3.2 L2C导航电文编排结构 9

3.3 L2C导航电文的改进 10

3.3.1 参数精度提高 11

3.3.2 电文参数新增 11

3.3.3 电文改进 11

3.3.4 电文删减 11

3.3.5 电文编排变化 11

3.4 本章小结 12

第四章 本地码选取和接收机简介 13

4.1 本地码选取 13

4.2 接收机处理 14

4.2.1 数字中频信号获取 14

4.2.2 数字通道处理 14

4.3 本章小结 16

第五章 CL码捕获算法 17

5.1 CM码辅助捕获 17

5.2 CL码直接捕获 17

5.2.1 重叠舍弃法 17

5.2.2 延长补零法 18

5.2.3 折叠法 19

5.3 本章小结 20

第六章 基于时频域双折叠的GPS L2C CL码快速直接捕获 21

6.1 降频处理 21

6.2 时频域双折叠捕获算法 21

6.2.1 时频域折叠可行性分析 21

6.2.2 频域折叠 22

6.2.3 时域折叠 23

6.2.4 时频域双折叠 23

6.3 实验验证 23

6.4 本章小结 26

第七章 结论与展望 27

7.1 本文回顾及结论 27

7.2 研究展望 27

致 谢 28

参考文献 29

绪论

引言

全球定位系统即GPS是上世纪七十年代美国三个军种联合开发的基于无线电的导航与定位系统。它由空中卫星、地面卫星数据注入站、地面跟踪监测站、数据通讯网络与地面数据处理中心这五个相互联系的部分构成，普通民用用户只需出资购买一个GPS接收机终端，就能获得免费的导航、授时与位置服务。通过20多年的试验与建设，在1994年，24颗原始GPS卫星发射与空间布置任务完毕，可以覆盖全球98%地区，初步达到给军用和民用户提供实时的、全天候的与全球性的导航定位服务的目标。

然而，近年来随着全球军用和民用用户对卫星定位的精确、干扰性和保密性要求越来越高，原有的GPS系统已渐渐不能满足相应的要求。针对这一问题，美国政府在上世纪末提出了GPS现代化计划以满足民用用户在导航与定位服务精度方面日益提高的要求。L2C信号就是GPS现代化计划中新增加的一个由Block IIR-M卫星发射的民用信号，其由中等长度CM码和长码CL码经由时分复用产生，并使用前向纠错编码。L2C信号独特的结构和性质使得其具有更低的载波跟踪门限与数据解调门限，尤其是其组成部分CL码的载波上并未调制导航电文，使得在不影响捕获及后续数据解算情况下进行长时间相干积分成为可能，因而能够在建筑、树木等遮挡物较多的复杂环境下捕捉到微弱的卫星信号，从而进行精准导航与定位，以满足各种用户日益提高的导航定位精度要求。但是，相较于C/A码，L2C信号拥有更长的码长，CM码码长达到20ms，CL码码长更是达到了1.5s，因此若仍然使用已有的C/A码捕获算法，计算量将会大大增加，并且考虑到现有硬件的性能，很可能无法满足捕获和跟踪的计算要求。因此随着对民用GPS信号性能需求的不断提高，研究如何在遮挡物较多或者偏远的地区只能获得微弱卫星信号的情况下，亦或是存在强烈电磁波干扰影响接收机信号捕获的情况下进行软件处理以减少数据运算量和捕获时间而又不影响捕获质量的算法成为当下热点问题。

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