基于软件无线电GPS接收机的技术分析与定位信号的应用研究 - 图文(4)

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片，多普勒频率搜索步长为?f，则一个码相位单元与一个多普勒频移单元组成的二维搜索单元如下。

相位τΔf频率

当接收到信号频率和相位落入该搜索单元时，S(k)2取得极大值。将S(k)2与识别门限进行比较，根据判定算法进行判定是否成功捕获到信号。

二、C/A码信号跟踪

跟踪信号的基本方法是根据输入信号构造一个窄带滤波器，当输入信号的频率随时间而变化时，滤波器的中心频率必须跟随信号变化。实际的跟踪过程中，窄带滤波器的中心频率是固定的，但本振信号要随输入信号的频率变化而变化，通过比相器对输入信号和本振信号的相位对比，由于窄带滤波器的带宽很窄，与捕获相比，跟踪方式有着更高的灵敏度。

跟踪的主要目的是对捕获的信号进行载波和码相位的精确跟踪，以确保本地产生复制的载波和码信号相位与输入信号严格同步，为数据解调做进一步准备。为了跟踪GPS信号，必须去掉C/A码信息，因此跟踪过程需要两个环路来完成，一个跟踪C/A码；另一个环跟踪载波频率，主要由各类锁相或锁频环来完成[7]。

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码环MA超前C/A滞后开平方Ξ开平方e/d选择MA载波频率即时A/D连续波CW载波环低通滤波器振荡器VCO低通滤波器低通滤波器图2.4.2 载波和码跟踪环路图输出90°反正切

C/A码锁相环有3个输出：超前码、延时码和即时码。即时码用于将输入的数字信号中的C/A剥离掉，输出是含有导航数据引起相位跳变的CW信号，并将其作为载波环的输入。载波环的输出信号是频率为输入信号的载频CW信号，这个信号可用于剥离输入信号中的载波信号，剥离后是一个只包含C/A码而没有载波的信号，这正好是码环的输入。

第五节 本章小结

自从软件无线电这一概念被提出之后，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。由于软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点，使其在无线通信中获得了广泛应用。利用软件无线电概念的设计GPS软件接收机，继承了软件无线电系统的优点，由软件处理从射频前端产生的中频数字信号，实现GPS信号的捕获、跟踪及导航数据解调，完成了对当前位置伪距信息的解算，并通过坐标转换实现定位导航。

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第三章 基于NMEA-0183码的分析与研究

第一节 GPS定位数据NMEA-0183码的介绍

NMEA协议是为了在不同类型的GPS导航设备中建立统一的BTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（NMEA-The National Marine Electronics Association）制定的GPS串口通讯协议。GPS接收机将用户位置、速度，及当前的相关卫星数据以NMEA-0183协议的标准规范通过串口传送到PC机，PDA等终端设备。

NMEA-0183协议解决了不同品牌、不同型号的GPS接收机之间实现任意连接的接口问题。目前大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理分析软件、导航系统大多支持或至少兼容NMEA-0183协议标准。

NMEA-0183协议对电器和数据规格都做了相应的规定。在物理层，它要求通讯是建立在串口的基础上的；在数据链路层，它规定了传输波特率为4800，数据位为8bit，无奇偶校验及握手信号，停止位为1bit；在应用层，NMEA-0183码是ASCII编码的串行数据，由帧头、帧尾和帧内数据组成。它规定了每条信息帧都以“$”作为起始符号，接下来的5个字符决定了信息帧的类型构成帧头，其后的各个数据以 “，”作为分隔符构成帧内数据，信息帧的最后一个数据紧接着“*”加上两位的16进制的校验和（Checksum）构成帧尾，并以结束此信息帧（见下图）。

根据本文所设计的GPS应用软件，下面着重介绍软件所涉及到的相关数据帧格式。

1) GGA —— GPS定位信息(Global Positioning System Fixed Data) $GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh 18

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位置 <1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> M <10> M <11> <12> *hh 内容 UTC时间 纬度 纬度半球 经度 经度半球 GPS状态 解算使用卫星数 HDOP 海拔高度 单位 地球椭球面相对大地水准面的高度 单位 差分时间 差分站ID号 校验和(Checksum) 描述 hhmmss.sss(时分秒) ddmm.mmmm N（北纬）或S（南纬） ddmm.mmmm E（东经）或W（西经） 0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算 00 ~ 12（0也将被传输） 水平精度因子 米 米 从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空 0000 ~ 1023 信息传输结束 2) GSA —— 当前卫星信息(GNSS DOP and Active Satellites) $GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,,,,,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh

位置 <1> <2> <3> <3> …. <3> <4> <5> <6> *hh 内容 模式 定位类型 通道1上卫星PRN 通道2上卫星PRN …. 通道12上卫星PRN PDOP HDOP VDOP 校验和(Checksum) 描述 M=手动，A=自动 1=没有定位，2=2D定位，3=3D定位 01 ~ 32用于解算的卫星PRN 01 ~ 32用于解算的卫星PRN …. 01 ~ 32用于解算的卫星PRN 位置精度因子（0.5 ~ 99.9） 水平精度因子（0.5 ~ 99.9） 垂直精度因子（0.5 ~ 99.9） 信息传输结束

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3) GSV —— 可见卫星信息(GNSS Satellites in View)

$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,…,<4>,<5>,<6>,<7>*hh

位置 <1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> …. <4> <5> <6> <7> *hh 内容 GSV语句的总数 当前GSV语句数目 显示卫星的总数目 卫星PRN 卫星仰角 卫星方位角 信噪比SNR …. 卫星PRN 卫星仰角 卫星方位角 信噪比SNR 校验和(Checksum) 描述 1 ~ 3 1 ~ 3 00 ~ 12 通道1卫星PRN（01 ~32 ） 通道1卫星仰角（0 ~ 90） 通道1卫星方位角（0 ~ 359） 0 ~ 99，未跟踪时为空 …. 通道4卫星PRN（01 ~32 ） 通道4卫星仰角（0 ~ 90） 通道4卫星方位角（0 ~ 359） 0 ~ 99，未跟踪时为空 信息传输结束

4) RMC —— 推荐定位信息(Recommended Minimum Specific GNSS Data)

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

位置 <1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11>

内容 UTC时间 定位状态 纬度 纬度半球 经度 经度半球 地表速度 地表航向 UTC日期 磁偏角 磁偏角方向 20

描述 hhmmss.sss A=有效定位，V=无效定位 ddmm.mmmm N（北纬）或S（南纬） ddmm.mmmm E（东经）或（西经） 000.0 ~ 999.9节 000.0 ~ 359.9 ddmmyy 000.0 ~ 180.0 E（东）或W（西）