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1、毕业设计（论文）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。本人签名 导师签名 年 月 日*大学毕业设计（论文）任务书姓名学号毕业届别专业毕业设计（论文）题目 GPS接收机导航电文解调算法实现指导教师学 历职 称1、要求（作为评分标准）：（1）基本要求：1）、掌握GPS工作原理及MATLAB工具的使用；2）、熟悉ICD-
2、GPS-200，掌握导航电文的结构及特点； 3）、掌握伪距的测量原理；4）、用MATLAB完成导航电文位同步算法的仿真与实现；5）、在位同步的基础上，用MATLAB仿真实现导航电文帧同步算法；6）、用 MATLAB仿真实现导航电文的解调；（2）创新性要求：在课题进展顺利和时间允许的情况下, 1）在完成导航电文的解调的基础上，完成原始观测量的提取，并实现伪距的计算；2、进度安排：学习并掌握GPS接收机的工作原理及MATLAB工具的运用；熟悉ICD-GPS-200，掌握导航电文的结构及特点，掌握伪距的测量原理；用MATLAB完成导航电文位同步算法的仿真与实现；在位同步的基础上，用MATLAB仿真实
3、现导航电文的同步算法；仿真实现导航电文的解调；提取相应时间信息并结合提取的原始观测量值实现伪距的计算；完成论文的撰写； 指导教师签字： 年月日 教研室意见：符合要求 教研室主任签字： 日题目发出日期设计（论文）起止时间附注： 华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书课题名称GPS接收机导航电文解调算法实现课题来源 横向课题课题类型BX导 师学生姓名学 号专 业一、开题报告内容： 1、文献综述1.1 GPS系统及GPS软件接收机1.1.1 GPS系统全球定位系统（Global Posit4ing System GPS）是美国从本世纪 70 年代开始研制，以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及
4、其独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面强大功能，已涉足众多的应用领域，使 GPS 卫星导航系统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 系统包括三大部分：空间部分GPS 卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS 信号接收机。 GPS 卫星星座 由21颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24 颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面之间相距 60 度，即轨道的升交点赤经各相差 60 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度，同一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平
5、面上的相应卫星超前 30 度。 地面监控系统GPS 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个测站主要的任务就是所有GPS卫星的星历且保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。 GPS 信号接收机能够捕获一定卫星高度的待测卫星信号，并跟踪这些卫星的信号，对所收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置。1.1.2 GPS软件接收机GPS系统用户部分的核心是GPS软件接收机。软件接收机主要由两部分组成：信号采集硬件电路和数据处理软件。硬件细分为天线，射频电路模块，降频模块，串并转
6、换模块，数据采集系统。数据处理软件主要由基带信号处理和导航解算两部分组成，其中基带信号处理部分主要包括对GPS卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算、导航数据解码等工作。导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响、信号传输误差(主要包括电离层实时传输误差及对流层实时传输误差)等各种实时误差的计算，并将其从伪距中消除；根据上述结果进行接收机PVT（位置、速度、时间）的解算；对各精度因子(DOP)进行实时计算和监测以确定定位解的精度。图1 软件接收机系统框图1.2 MATLAB工具简单介绍MATLAB
7、软件是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境。MATLAB是英文MAT3ix LABoratory(短阵实验室)的缩写。MATLAB软件集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外GPS导航的现状及发展趋势卫星导航，是接收导航卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态己知的点，实时的测定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航。1958年美国就开始了卫星导航系统的研究，它也开创了
8、卫星应用的新领域。1963年，第一颗导航卫星进入轨道，标志着人造卫星导航正式登上历史舞台。1994年3月，第二代卫星导航系统一一“GPS卫星全球定位系统”的全面建成，不仅导致了无线电导航的一场变革，而且为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量新技术。今天，卫星导航己经成为名副其实的跨专业、跨行业、广用途、高效益的综合性高新技术。目前应用中的卫星导航系统主要是美国的全球卫星导航系统(GPS)以及俄罗斯的（Glonass）卫星导航系统、中国的北斗一l卫星导航系统。正在建设开发中的有欧盟的伽利略(Galllco)卫星导航系统，印
9、度的印度区域导航卫星系统 (IRNSs)，日本的准天顶卫星系统(QZSS)。我国也在积极推进北斗二代(BD-2)卫星导航系统的开发工作。在未来的20到30年内，卫星导航发展的主要趋势是:(1)发展全球、全天候、高精度、连续、实时的全球卫星导航系统;(2)发展由多种导航设备组合到一起的组合导航系统;(3)发展集通信、导航、指挥等功能于一体的综合导航系统;(4)发展时间基准波束扫描微波着陆以及利用GPS等进行精密着陆的开发。导航设备实现小型化、微型化、数字化和自动化，进而无人值守。总的来说，以卫星导航为基准的相对单一的无线电导航系统将是人类在和平时期的发展主流。1.3.2 国内GPS导航的研究现状
10、我国卫星导航技术研究起始于60年代末的691计划，70年代后期以来，国内开展了适合国情的卫星导航定位系统研究，先后提出了单星、双星、三星和3-5星的区域性卫星导航系统方案，以及多星的全球系统设想，并考虑到了导航定位与通信等综合运用问题。2000年10月31日和12月21日我国相继成功发射了第一颗和第二颗导航定位试验卫星，自行建立了第一代卫星导航定位系统“北斗导航系统”(也称双星系统)。这个系统建成后，主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航服务，对我国国民经济建设将起到积极推动作用。“北斗”由两个经度上相距600的地球静止卫星 (GEO)对用户双向测距，由一个配有电子高程图的地面中心站
11、定位，另有几十个分布全国的参考标校站和大量用户机。1.4 论文关键部分介绍1.4.1 GPS信号的解调在对信号完成捕获以后，得到的载波频率和C/A码相位只是对GPS信号的粗略估计。跟踪部分的主要目的就是得到更精确的载波频率和C/A码相位，保持对信号的跟踪和解调出特定卫星的导航数据。图2 解调原理框图 图中给出了从输入信号中解调出导航信息的基本原理。首先，输入信号和一个载波信号相乘，相乘后可以消除输入信号中的载波。然后将消除载波后的信号和C/A码相乘，相乘后输出导航信息。由以上过程可以看出，跟踪模块必须产生载波信号和C/A码信号来完成准确的跟踪和卫星信号的解调。1.4.2 同步和导航电文的提取对
12、接收到的GPS信号进行捕获和跟踪等处理后，得到导航数据信息、码相位和多普勒频率等观测量。对解调出的导航数据信息进行进一步的同步和奇偶校验处理，可以提取出GPS定位需要的导航电文。在卫星发送的导航电文中包含卫星轨道摄动参数、时间参数和开普勒参数等数据，根据这些数据，可以计算出卫星的瞬时位置和GPS接收机与卫星之间的伪距，进而计算出GPS接收机的位置。图3 GPS导航定位过程位同步：因为从跟踪环输出的信号是 1000bps的导航数据信息，所以在对导航数据解码前，要将 1000bps的导航数据信息转化为实际的50bps导航数据，也是就要将20个连续的值用1个值来代替，这个转换过程即为位同步。进行位同
13、步，首先要找到导航信息序列中数据位跳变的时刻，然后再将1000bps的导航数据信息转换为50bps的导航数据。在 GPS软件接收机采用“直方图”算法来实现，获取不同卫星导航数据的同步位信息，并将1000bps导航数据信息转化为实际的50bps导航数据。子帧同步和奇偶校验：在实现位同步以后，可以得到同步位信息和50bps导航数据。要提取导航数据中所包含的导航电文信息，首先要找到导航数据中各个子帧在50bps导航数据中的相对位置，所以要对所获得的50bps导航数据进行子帧同步。然后在子帧同步完成以后，要对导航数据进行奇偶校验。经过上述两个过程后，就可以对GPS导航电文中导航信息提取了。 提取导航电
14、文信息：奇偶校验通过后，就可以按照导航电文的编码格式得到电文中提供的参数了。例如导航电文第一数据块中的电离层时延改正参数位于子帧1的第197位开始的8个数据位中，将这8个数据位的数转化为十进制数，然后乘以缩放因子2-3，即可得到导航电文中真实的电离层时延改正参数信息。提取出的导航电文信息还包括轨道摄动参数、时间参数、开普勒参数等数据，根据这些数据，可以计算出卫星的位置、接收机和卫星之间的伪距，进而计算出接收机的位置。1.4.3 伪距的计算GPS是基于时间测距原理来定位的，需要测量信号传播时间，即从位置己知的卫星发射时刻的信号到达用户接受机经历的时间，然后乘以光速得到卫星和接收机的距离。接收机测
15、量的距离中包含了卫星时钟接收机时钟不同步，传播过程中由于电离层、对流层的影响而带来的误差，所以不同于真实距离，故称之为伪距.GPS系统涉及到的时间有钟面时和GPS系统时,其中钟面时包括卫星钟面时和接收机钟面时设卫星发送GPS信号的卫星钟面时为t1、GPS系统时为t2;接收机接收到该信号的接收机钟面为t3、GPS系统时为t3。则卫星钟差、接收机钟差分别为:t1= t1-t2,t3= t3-t3 (1)信号传播时间、卫星至接收机的距离分别为:= t3-t2,R = c(t3-t2) (2)其中c为真空中的光速。实际上只能测得GPS信号发射时刻的卫星钟面时t1和接收该信号的接收机钟面时,所得观测量为
16、:=t3-t1 (3)基于(1)(3)式,考虑电离层延迟、对流层延迟及多径延迟等误差,有:=t3-t3-(t2+t1)+t4+t6+t5 (4)PR=c=c(t3-t2)+ct3-ct1+ct4+ct6+ct5=R+ct3-ct1+ct4+ct6+ct5 (5)其中PR是含误差的距离(卫星与接收机)观测量值,简称伪距;t1是卫星钟钟差,其修正参数由卫星发播的导航电文提供给用户;t3是接收机钟差,通过定位解算算法求得;t4是GPS信号的电离层传播延迟,通过导航电文提供的电离层模型的参数修正;t6是对流层传播延迟,这部分误差可修正其中的98%;t5是多径效应引起的误差,其与接收机所处环境有关,应另
17、作专题研究。综上所述,式(5)中只有接收机的三维位置和t3为未知数,因此,求解接收机的位置需要至少4颗以上的卫星。1.5 立项可行性和必要性1.5.1 可行性分析本课题主要是研究GPS接收机中软件处理单元的解调环节，当跟踪环节能够稳定的跟踪卫星信号的时候，跟踪环节的I路输出的数据比特组成的信号，我们将要从中提取出正确的导航电文并进行相应的解调和完成伪距的测量。从以下的方面可以分析出本课题研究的可行性：1) 课题组成员的基本情况：本课题的指导老师是信息与通信工程方面的专家，都曾参加过相关课题的研究，也曾在重要期刊上发表过一些优秀论文。专家对我们的课题研究发挥良好的指导作用；2) 围绕本课题所开展
18、的前期准备工作：在进行本课题研究之前，围绕本课题做了大量的文献搜集工作，查阅了大量的资料，并从网上下载了一批与GPS导航电文提取与解调相关的文章，进行了学习研究；3) 完成研究任务的保障条件：学校图书馆馆藏资源丰富，覆盖面广，学科体系完整馆内拥有丰富的电子文献资源，藏有各种电子出版物，先后引进中国期刊网等十多个国内外大型数据库。因此，上述条件为研究资料的获得提供了切实的保证。此外，我们的研究室具备一定的硬件和软件条件，为研究的进行创造了良好的条件。1.5.1 必要性分析GPS导航技术于20世纪80年代中期引入中国，迄今己在很多领域得到了一定程度的应用。1) 从国家安全方面看，由于现在是科技时代
19、，科技强则国家强，因此为了国家的安全必须大力发展GPS技术，这已在北京奥运，汶川地震中得到体现，体现出国家对此的重视。2) 从社会影响方面看，GPS技术已经广泛应用于海陆空交通运输，有线和无线通信，地质，资源调查，森林防火，医疗急救，海上搜救，精密测量，车辆监控，目标监控等领域。3) 从经济效益方面看，它在军事，交通，气象，测绘，通信，治安，传统产业改造等领域具有广阔的发展前景。如果GPS技术在各个领域都能得到推广，那么它所创造出的价值会远远超出想象。但是目前GPS在我国的应用还处于比较落后的状态，主要体现在国内的GPS应用产品市场上的大部分产品是进口的。在国产的产品中，绝大部分也都是利用进口
20、的GPS接收机OEM产品进行二次开发生产出来的。我国几乎没有独立知识产权的GPS芯片产品。由此可见，目前国内对GPS的核心技术的研究还存在继续深入的广阔空间。目前，中国正在发展自主卫星导航系统，卫星导航产业已经成为我国新的经济增长点，同时，我国正加大力度发展我国集成电路产业，对于自主研发集成芯片的需求越来越大，而核心芯片是GPS系统的关键部分之一，芯片技术直接关系到GPS产品的技术指标和未来发展走向。所以对于GPS导航技术的研究就很有必要性。2、参考文献1 刘波. 接收机系统关键技术的研究与实现. 哈尔滨工程大学.2006. 2 吴娟丽. GPS软件接收机的研究及Matlab实现.长安大学.2
21、009.3 曹梦成. 导航型软件接收机技术研究. 中南大学.2007.4 曹意. GPS 软件接收机的实现与定位算法研究.上海交通大学，2009.5 张守信,GPS卫星测量定位理论与应用M.湖南:国防科技大学出版社,1996.6 孙礼,GPS接收机系统的研究D.北京航空航天大学博士学位论文.1998.7 胡辉,高动态数字化GPS接收机的研制D.上海航天局博士后工作站出站报告.20028 张孟阳,C/A码GPS定位误差分析及改正方法研究 D.中国科学院电子学研究所博士学位论文.1997.9 赵少松，卫星定位导航系统的算法研究.西北工业大学. 200710田炳丽 . GPS软件接收机导航电文提取的
22、研究. 国家海洋局第一海洋研究所.200911孙希延，纪元法，施浒立.GPS软件基带信号处理与定位实现J.系统仿真学,2007,12赵昀，张其善.软件GPS接收机框架与捕获算法实现J.北京航空航天大学学报13 Borre K,Akos D M,Bertelsen N,et al.A Software-Defined GPS and Galileo Receiver M. Boston:Birkhauser,2006;14 Psiaki Mark L.Block Acquisition of Weak GPS Signal in a Softeare ReceiverC/Salt Lake Ci
23、ty:The Institute of Navigation,2001;15TSUI J.Fundamentals of Global Position System ReceiversM.New York:Wiley Inter-science,2000;16 Basseville M.Distance measures for signal processing and pattern recognitionJ.Signal Processing,1989;17 Saito N,Coifman R.Local discriminant basesC/Laine A F, Unser M A
24、.Mathematical Imaging Wavelet Appli cations in Signal and Image Processing,Proc.SPIE,1994,2303:2-14.18 Satio N.Local Feature Extraction and its Applications using a Library of Bases Ph.D.Thesis,Dept.of Mathe-matics, Yale University,New Haven,CT USA,December,1994;19 Kaplan E D. Understanding GPS prin
25、ciples and applications. Boston: Artech House, INC,1996;20 S. Hinedi ,J. Stat man. Digital accumulators in phase and frequency t3acking loopsJ. IEEE T3ans. on AES. 1990;21 W.Hurd,J.Statman,V.Vilnrot2er.High dynamic GPS receiver using maximum like hood estimat4 and frequency t3acking J. IEEE T3ans. O
26、n AES.1987;22 D .Natali. Noise Performance of a cross-product AFC with decision feedback for DPSK signals J IEEE T3ans. on Comm.1986;课题类型：（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研究； （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题 （1）、（2）均要填，如AY、BX等。华东交通大学毕业设计（论文）开题报告书二、方法及预期目的1、拟采用的研究方法及手段(1) 通过查阅文献学习和了解国内外GPS接收机的相关处理模块与信号处理模块的组成与基本原理，从而对GPS
27、接收机建立起一定的概念；(2) 阅读相关文献了解GPS的导航定位原理及相关的导航电文解算算法,并进行相关英文资料的翻译；(3) 通过阅读相关书籍熟悉ICD-GPS-200，掌握导航电文的结构及特点；(4) 通过已有的学位论文，并学习并掌握MATABL软件工具的使用，用MATABL对GPS导航电文位同步算法的仿真与实现，在位同步的基础上，用MATLAB仿真实现导航电文帧同步算法；(5) 了解GPS捕获及跟踪原理，掌握伪距的测量原理掌握从跟踪锁相环中输出的数据解调到GPS导航电文信息；根据导航电文的信息测得伪距.2、本课题要研究和待解决的问题及预期达到的目的1) 从跟踪环路输出的数据流中，首先搜索
28、前导字符，在进行子帧校验逻辑检查，确定这是同步头后就可以进行导航电文的解调，包括星历数据、历书数据、电离层和对流层延迟矫正参数等；熟悉了解GPS系统的三大组成部分和 GPS的工作原理；2) GPS系统涉及到的时间有钟面时和GPS系统时,其中钟面时包括卫星钟面时和接收机钟面时，所以我们要对GPS信号进行位同步和帧同步处理；3) GPS信号的位同步是确定数据位跳变边沿、帧同步是确定子帧起始点的，根据位同步和帧同步来测量信号传播的时间，测得相应的伪距；掌握伪距的测量原理及各种伪距的测量方法3、进度安排：20. 2010.12.25-2010.01.15 学习并掌握GPS接收机的工作原理及MATLAB
29、工具的运用；熟悉ICD-GPS-200，掌握导航电文的结构及特点，掌握伪距的测量 原理；2010.01.16-2010.02.10 用MATLAB完成导航电文位同步算法的仿真与实现；2010.02.11-2010.03.15 在位同步基础上，用MATLAB仿真实现导航电文帧同步；2010.03.16-2010.05.16 仿真实现导航电文的解调；提取相应时间信息并结合提取的原观测量值实现伪距的计算；2010.05.17-2010.06.15 完成论文的撰写；三、指导老师意见同意开题 指导教师签名： 日期：华东交通大学毕业设计(论文)评阅书(1)姓名学号专业毕业设计(论文)题目GPS接收机导航电
30、文解调算法实现指导教师评语：论文评分评分项目分值评价参考标准评分总分优（）良（）中（）及格（）不及格（）完成任务书要求302724211817学习与工作态度201816141211研究水平与设计能力201816141211开题报告、中英文翻译1098766论文撰写质量1098765学术水平与创新1098765是否同意设计（论文）参加答辩同意 不同意指导教师签名： 2010年 6 月 8 日评阅人评语：论文评分评分项目分值评价参考标准评分总分优（）良（）中（）及格（）不及格（）完成任务书要求302724211817选题的价值与意义1098766研究水平与设计能力201816141211开题报告、
31、中英文翻译1098766论文撰写质量201816141211学术水平与创新1098765评阅教师签名： 年 月 日等级华东交通大学毕业设计(论文)评阅书(2)姓名学号专业毕业设计(论文)题目GPS接收机导航电文的解调算法实现答辩小组评语：具 体 要 求优良中一般差符合要求答辩准备充分，论文题目与内容相符语言精练能突出重点，思路清晰能准确表达。论点正确，论文内容有一定难度方法合理，论文内容工作量饱满。结构严谨，论文有一定应用价值。对前人工作有改进或有独特见解。正面回答问题，不回避问题，不浪费时间，不狡辩。回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。等级 组长签字：年 月 日答辩委员会综合评语： 同 意 以 上 评 定等级 答辩委员会主任签字：年月 日（学院公章）注：答辩小组根据评阅人的评阅签署意见、初步评定成绩，交答辩委员会审定，盖学院公章。“等级”用优、良、中、及、不及五级制（可按学院制定的毕业设计(论文)成绩评定办法评定最后成绩）。华东交通大学毕业设计（论文）答辩记录姓名学号毕业届别专业题目GPS接收机导航电文解调算法实现答辩时间日答辩组成员（签字）：答辩记录： 记录人（签字）： 年 月 日 答辩小组组长（签字）：年 月 日附注：
