基于simulink 的GPS 衛星信號模擬器設計與仿真

鄭日美

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

全球定位系統(Global Positioning System，GPS)廣泛應用于經濟、軍事、科研等領域，能為用戶提供導航、定位、授時等服務。GPS 由空間控制部分、地面控制部分、用戶設備部分三部分組成[1]。在GPS 接收機設計階段，需要測試定位算法的各項指標。因此，在仿真階段，設計一個可靠的GPS 衛星信號模擬器顯得由為重要。本文根據GPS 衛星信號的結果特點，利用Simulink 軟件設計了GPS 衛星信號模擬器，采用查找表法產生C/A 碼，四路偽碼發生器產生P 碼，導航電文采用Bernoulli 隨機分布模型進行建模。仿真結果表明，該方案結構簡單，仿真結果可靠。

1 GPS 衛星信號特點

GPS 衛星發送的信號由三部分組成：載波信號（L1 和L2）、擴頻序列（即測距碼，C/A 碼、P 碼或Y 碼）和導航數據（D 碼，亦稱為導航電文）[2]。GPS 信號是利用兩個載波進行傳輸的，即L1 和L2。載波L1的頻率為1575.42MHz，L2 的頻率為1227.60MHz。GPS 衛星信號的結構如圖1 所示，GPS 信號發射機產生的偽碼(C/A 碼和P 碼)及相應的數據碼(導航電文)一起通過L1 和L2 的載波調制，然后衛星將調制后的載波信號播發出去。

2 基于Simulink 的GPS 信號模擬器設計

Simulink 是Matlab 中的一種可視化仿真工具，用于對動態系統進行建模、仿真和分析[3]。本文利用Simulink 工具包構建GPS 信號發生器，具有流程直觀，界面友好，易于操作。

根據GPS 信號結構特點，基于Simulink 的GPS 信號模擬器的整體框架圖如圖2 所示，C/A 碼與導航電文進行模2 加后進行BPSK 調制，組成GPS 信號的I 路信號，P 碼與導航電文模2 加后進行BPSK 調制，組成GPS 信號的Q 路信號，最后I、Q 兩路信號與噪聲疊加形成最終的GPS 信號。

2.1 C/A 碼產生

可以利用反饋移位寄存器產生C/A 碼，也可以把各個衛星的一個C/A 周期數據存儲于2 位查找表中，在仿真時根據時鐘頻率播發[4]。考慮到需要對C/A 碼的碼流進行控制(1.023MHZ),同時需要控制輸出碼的相位，本文在最終的仿真的時候采用查找表發產生C/A 碼，如圖3所示，給出了C/A 碼發生器仿真圖及其時域波形，利用二維查找表Lookup Table 存儲衛星產生的C/A 碼，一號端口為衛星編號輸入，二號端口為計數器輸入。計數器由1.023MHZ 的方波驅動，同時C/A phase shift 模塊產生一個常數和計數器相加后對1022 取模，保證尋找范圍不超過1022，這樣實現了C/A 碼的相位控制。

2.2 P 碼產生

如圖4 所示，P 碼發生器由X1A，X1B，X2A，X2B 分別由12 級反饋移位寄存器構成。其中，X1A 的生成多項式為：G (X)=1+X6+X8+X11+X12，初始狀態為：001001001000。X1B 的生成多項式為：G(X)=1+X+X2+X5+X8+X9+X10+X11+X12，初始狀態為：010101010100。X2A 的生成多項式 為：G (X)=1+X+X3+X4+X5+X7+X8+X9+X10+X11+X12，初 始 狀 態 為：100100100101。X2B 的生成多項式為：G(X)=1+X2+X3+X4+X8+X9+X12，初始狀態為：010101010100。X1A 生成的偽碼與X1B 生成的偽碼異或產生X1 隨機碼，X2A 生成的偽碼與X2B 生成的偽碼異或產生X2 隨機碼，X2 隨機碼進過移位寄存器延遲后與X1 異或生成最終的P 碼，移位寄存器的延遲數與衛星編號相關。

2.3 導航電文數據碼產生

GPS 的導航數據碼的播發速度是50HZ bit，對于GPS 接收的射頻前端和數字中頻，該數據碼可以用Bernoulli 隨機分布模型來模擬[5]，在Simulink 仿真環境中可以直接調用Bernoulli 模塊直接產生隨機序列。

2.4 BPSK 調制

完成C/A 碼、P 碼和導航數據碼等基帶處理后需要對其進行BPSK 調制。BPSK 調制時將基帶單極性碼(0,1)轉換成雙極性碼(-1,1)，然后將其乘上載波。二進制單極性碼轉為雙極性碼的轉換原理為：將輸入左移1 位后減1。得到雙極性碼后乘上正弦波就得到調制波形。

3 GPS 信號的基帶等效仿真

由于GPS LI 載波頻率為1575.42MHz,若在Simulink 平臺下直接進行頻帶BPSK 調制,由于lms 內數據點數太多,模塊運行速度慢,造成整個系統延遲嚴重,所以一般采用基帶等效模型,將頻帶通信系統轉化為基帶等效通信系統進行仿真。圖5 是基帶仿真頻譜圖。

4 小結

本文利用Simulink 工具產生L1 波段上的GPS 信號，給出了C/A碼，P 碼，數據碼，BPSK 等模塊的仿真圖，主要針對基帶信號仿真。對應1575.42MHz 的L1 波段。由于頻率較高，時域仿真不太現實，因此將頻帶通信系統轉化為基帶等效通信系統進行仿真。

［1］謝鋼.GPS 原理與接收機設計[M].電子工業出版社.

［2］鄧煒,楊東凱,寇艷紅.GPS 中頻信號處理的Simulink 實現[J].遙測遙控,2006,11,27(6).

［3］沈超,裘正定.基于MatLab/Simulink 的GPS 系統仿真[J].系統仿真學報,2006,7,18(7).

［4］涂鳳琴.GPS 中頻衛星信號的仿真研究[D].南京:南京理工大學,2010.

［5］陳濤.GPS 接收機基帶信號處理的研究和設計[D].上海:上海交通大學,2009.