零基础入门导航系列一之书籍学习《A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A Single-Frequency Approach》书籍学习（2）

零基础入门导航系列一之书籍学习《A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A Single-Frequency Approach》书籍学习（2）

文章目录

零基础入门导航系列一之书籍学习《A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A Single-Frequency Approach》书籍学习（2）序言 (Preface)第一章 信号与系统 (Signals and Systems)第二章 GPS信号 (GPS Signals)码跟踪原理
MATLAB代码结构代码整体流程setting文件结构捕获函数跟踪函数`postNavigation`函数
GNSS信号仿真信号参数设置Simulink设置
**参考文献**

本博客仅摘编、翻译和学习部分重点内容，不是原文的1:1翻译。
带括号的小号字体部分为作者的个人理解。
内容顺序不完全遵照原书，持续更新。

序言 (Preface)

软件定义接收机（SDR）技术已发展十余年。Dennis Akos（Stanford SCPNT）在1997年实现了第一个完整的GPS软件接收机。此后，众多研究团队持续贡献，SDR逐渐成为接收机行业的技术热点。
SDR的核心目标是构建灵活、开放式架构的接收机，使各模块参数可动态配置，便于算法开发和新技术集成。
SDR架构采用宽带A/D转换器，捕获所有信道信号，通过通用处理器上的软件完成下变频和解调。这样，信号采集点靠近天线，数据通过数字信号处理获得定位结果。
SDR是算法开发和设备集成的理想平台。

本书选择MATLAB作为开发语言，因其在技术院校中广泛应用，易学且便于图形展示。
本书主要内容包括：

GNSS软件无线电总体架构介绍基于MATLAB和示例数据集的完整GPS软件接收机实现可动态调整参数并实时观察效果可选USB GNSS前端硬件，实现与MATLAB联动采集（具体订购和使用说明见配套DVD）

本书聚焦单频（L1）C/A码GPS接收机实现，原因包括：

架构简洁易懂通过轨道、时钟和电离层校正，以及SBAS（如EGNOS/WAAS），L1精度可媲美双频接收机未来宽带GNSS信号和欧盟Galileo系统将在L1波段提供更多性能提升Galileo采用BOC调制，读者可提前了解新信号类型
书中还讲解了前端模块设计，如何将天线信号分离成各个卫星信道进行独立跟踪。

第一章 信号与系统 (Signals and Systems)

本章介绍线性时不变系统等基础理论，为后续GNSS信号处理做支撑。内容基础，略去不赘述。

第二章 GPS信号 (GPS Signals)

GPS信号在UHF频段（500 MHz – 3 GHz）上的L1和L2频率发射，均由基准频率

f

0

=

10.23
  

MHz

f_0 = 10.23; ext{MHz}

f0​=10.23MHz 派生。

*用C/A码和导航数据对L1载波进行BPSK调制，图中为PRN 1的Gold码前25个码片。* *用C/A码和导航数据对L1载波进行BPSK调制，图中为PRN 1的Gold码前25个码片。*

码跟踪原理

GPS接收关键问题之一是码跟踪，常用**早-晚锁相环（DLL）**实现。相关器结构通过设置不同时间偏移，分别获取早信号和晚信号，组合误差信号驱动环路调整，消除跟踪误差。（详见第7章）

MATLAB代码结构

代码整体流程

数据读取与采集：首先读取数据文件的短段（数毫秒），传递给采集模块，检测GPS信号、估算频率及码相位，结果存储于
acqResults结构。通道初始化：
preRun函数根据采集结果初始化信号通道，禁用未分配卫星的通道，清理历史数据，为新运行做准备。信号跟踪：按块读取信号样本，传递给跟踪模块，完成信号跟踪、位边界检测、导航数据解码，星历信息存于
eph结构，跟踪结果存于
trackResults结构，可指定跟踪时长。导航解算：
postNavigation函数处理跟踪结果，识别子帧、定位传输时间、估算伪距，并计算接收机的ECEF坐标（地心地固坐标系），最终可转换为UTM或WGS-84坐标，并绘制结果。

setting文件结构

所有模块参数统一存储在settings结构中，实现集中管理和灵活调用。例如：

GPS中频：
IFfrequency采样频率：
samplingFrequency处理时长：
msToProcess（如设为37,000ms，覆盖所有6s子帧）跟踪块大小：
processBlockSize通道数量：
numberOfChannels

通过
initSettings函数初始化或更新设置参数，确保依赖关系正确。

捕获函数

采用并行码相位搜索捕获算法，快速检测所有可用卫星信号参数。采集函数以0.5kHz频率步进，在多普勒空间内依次搜索，每步执行并行码搜索，保存相关结果，再查找最大相关值和次高峰值，计算峰值比率作为信号检测依据。
若峰值比足够高，通过后相关FFT方法进一步精细估算载波频率，为PLL环路跟踪做准备。
可指定搜索卫星PRN范围，结果存于
acqResults结构。

跟踪函数

跟踪函数对每个通道分配GPS信号，处理信号块，返回
trackResults（跟踪结果）和更新的通道结构。包含当前载波频率、码相位、PRN号、环路滤波器状态等信息，实现信号块连续处理。

trackResults包含每毫秒的信号属性和六个校正器、环路校正器输出，供后续导航解算及结果分析。可执行
plotTracking命令绘制指定通道结果。


postNavigation函数

该函数识别比特转换及起始位置，获取并解码星历信息（主用子帧1~3，可扩展至4、5），随后调用伪距测量和位置计算功能，输出伪距和接收机坐标。

GNSS信号仿真

信号参数设置

开发GPS接收机算法时，使用真实采样数据不便于特性控制，宜采用模拟信号数据。
理想的L1 GPS信号模拟器需包含：

中频
Intermediate Frequency采样率
Sampling Frequency可为每颗卫星定义PRN、多普勒频移、码相位P(Y)码和导航数据可简化为-1/1数字信号，速率分别为10.23MHz和50Hz

若需真实导航数据序列，模拟器应支持自定义输入。

Simulink设置

采用MATLAB Simulink开发GPS信号模拟器，界面直观，功能丰富，并可与M文件无缝集成。
Simulink实现为两级设计：

上层：初始化各卫星信号参数，配置保存数据文件下层：实现各卫星信号生成，包括C/A码、导航数据、P(Y)码、噪声等成分

仿真器可配置多个卫星（如图B.4），每颗卫星可设定不同PRN、码相位、多普勒频移等参数，便于算法测试与验证。

参考文献

[1] A Software-Defined GPS and Galileo Receiver[M]. Boston, MA:
Birkhäuser, 2007.