GPS信號和干擾技術(shù)的仿真

摘 要：GPS在全球范圍內(nèi)可以提供精確的時間信息、位置以及速度，同時在民用和軍用領(lǐng)域都發(fā)揮著非常重要的作用。該文以GPS信號與干擾的仿真設(shè)計方案為起點，首先，討論了GPS接收信號產(chǎn)生的原理，并對GPS信號和干擾的特征及仿真生成方法、GPS信號多普勒原理和干擾的原理等方面的內(nèi)容進(jìn)行了深入研究。其次，詳細(xì)研究了GPS信號和干擾的MATLAB仿真方法，在MATLAB仿真設(shè)計與實現(xiàn)中，實現(xiàn)了GPS衛(wèi)星信號的仿真生成以及幾種常見類型干擾信號的仿真生成。

關(guān)鍵詞：GPS C/A碼 干擾 MATLAB

中圖分類號：TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0044-01

由于我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星已進(jìn)入密集發(fā)射組網(wǎng)階段，使得全球四大定位系統(tǒng)的格局也逐步清晰明了：美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，歐盟的GALILEO和我國的北斗。其中GPS的資歷最早，對GPS的深入研究對發(fā)展我國的北斗定位系統(tǒng)有著重要的意義。

該文以GPS信號與干擾的仿真設(shè)計方案為起點，首先，討論了GPS接收信號產(chǎn)生的原理，并對C/A碼的生成原理、GPS信號多普勒原理、GPS信號的特征和干擾技術(shù)的類型等方面的內(nèi)容進(jìn)行了深入研究。其次，對GPS信號、干擾的MATLAB仿真方法以及步驟進(jìn)行了詳細(xì)研究，實現(xiàn)了單顆GPS衛(wèi)星信號的仿真生成，寬帶噪聲干擾等幾種常見類型干擾信號的仿真生成。

1 GPS信號的特征

1.1 GPS衛(wèi)星信號的頻率特性與調(diào)制方式

經(jīng)由GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的作為導(dǎo)航定位的信號，它是一種調(diào)制波，有：載波信號（L1和L2）、測距碼（C/A碼和P碼）和數(shù)據(jù)碼（D碼，亦稱基帶信號或?qū)Ш诫娢模?。GPS衛(wèi)星頻率源產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號頻率為10.23 MHz，L1和L2載波頻率分別為1575.42 MHz和1227.60 MHz。C/A碼和P碼的碼率分別是1.023 Mbps和10.23 Mbps，而D碼僅為50 bps。D碼的數(shù)據(jù)首先同測距碼模二相加后，形成組合碼和，然后使用相移鍵控（BPSK）進(jìn)行調(diào)制到L1載波上。同法調(diào)制L2載波，而不一樣的地方是L2載波能夠用碼、碼、或碼進(jìn)行調(diào)制[1]。最后，這兩種已調(diào)波由衛(wèi)星向地面發(fā)射。

1.2 C/A碼的生成原理及實現(xiàn)方式

C/A碼本身就是一個偽隨機碼，其最大的功效即是被用作粗測距，并及時的獲取更準(zhǔn)確的GPS衛(wèi)星信號。C/A碼是由兩個性能一致的10級反饋移位寄存器組成，這兩個性能一致的反饋移位寄存器會在每周日的子夜零時，受到置“1|脈沖的影響，全部處于歸“1”狀態(tài)。除此之外，他還會相繼受到頻率為1.023 MHZ時鐘脈沖驅(qū)動的影響，出現(xiàn)碼長分別為1023周期為1ms的序列與1023周期為1 ms的序列。這時，如果序列的輸出是從中選擇兩個存儲單元，先進(jìn)行二進(jìn)制相加，然后輸出，并不在移位寄存器內(nèi)的最終存儲單元內(nèi)，最終得到一個和平移等價的m序列（即實現(xiàn)和延時等價），得到的再與展開模二相加后，得出1023中結(jié)構(gòu)存在較大差異的C/A碼。此時的C/A碼不可視作簡單的m序列，其實質(zhì)它是一個由兩個相同的碼長與數(shù)碼率，不過結(jié)構(gòu)存在明顯差異的m序列相乘，而得出的組合碼，即我們俗稱的Gold序列。

（1）

1.3 GPS信號產(chǎn)生

經(jīng)由GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送的信號含有3種信號分量：數(shù)據(jù)碼、擴頻碼與載波。因數(shù)據(jù)碼的碼率是50 Hz，長為20 ms，但是C/A碼的碼率是1.023 MHz，長為1 ms，等價于一個D碼碼片中含有20個完整的C/A碼。又因C/A碼周期更新為1次/ms，所以對于一般的捕獲系統(tǒng)，只記錄1 ms接收數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行處理，而由D碼引起的C/A碼相位跳變在下1ms數(shù)據(jù)中是不可能存在的[2]。

將產(chǎn)生的C/A碼數(shù)字化，在數(shù)字化之后把每個采樣點的值采取四舍五入法精確到最接近的整數(shù)點，同時設(shè)置多普勒頻率值與延時值，然后調(diào)制到采取相同采樣頻率進(jìn)行數(shù)字化的中頻載波信號上。

2 GPS的干擾技術(shù)

2.1 GPS的人為干擾

使對方錯誤地或無法使用GPS系統(tǒng)提供信息是GPS人為干擾的目的。對GPS用戶接收機的干擾技術(shù)體制主要有以下三種，即欺騙式、壓制式與分布立體式，不同干擾類型下的典型干擾源不同，主要內(nèi)容如下：

寬帶-高斯型的典型干擾源為故意的噪聲干擾；寬帶-脈沖型的典型干擾源為雷達(dá)發(fā)射機；寬帶-擴頻型的典型干擾源為故意的擴頻干擾機；而窄帶-掃頻連續(xù)波的典型干擾源為廣播電站內(nèi)的調(diào)頻電臺內(nèi)發(fā)出的諧波，窄帶相位/頻率調(diào)制型的典型干擾源為各個商業(yè)大樓內(nèi)廣播等發(fā)射機發(fā)出的諧波[3]。

2.2 不同類型干擾的生成方法

2.2.1 掃頻干擾信號

也稱掃頻干擾為線性調(diào)頻干擾，產(chǎn)生的強干擾信號可以是周期性的，隨著時間，干擾的頻率能夠以一定的步進(jìn)變化，覆蓋的頻率范圍可以是比較寬的。正弦波掃頻干擾的數(shù)學(xué)模型為：

（7）

式中，為干擾信號起始頻率，為干擾信號的幅度，為干擾時間，為干擾信號頻率變化步進(jìn)。

2.2.2 寬帶噪聲干擾

也稱寬帶噪聲干擾為滿帶干擾，偶爾也稱為全帶干擾，它是在整個通信頻段內(nèi)釋放噪聲能量。將經(jīng)低通濾波器產(chǎn)生的高斯白噪聲序列濾波，再設(shè)定干擾的功率，調(diào)制到載頻上，這樣就可以產(chǎn)生寬帶噪聲干擾[1]。

3 MATLAB仿真結(jié)果

3.1 干擾信號仿真結(jié)果

3.1.1 掃頻干擾信號

掃頻干擾信號初始頻率0 Hz，不過在2 s內(nèi)頻率會急劇增加至400 Hz的線性掃頻信號。

3.1.2 噪聲調(diào)頻干擾信號

通常情況下，噪聲調(diào)頻干擾信號功率譜，頻率采用歸一化處理。

參考文獻(xiàn)

[1]潘成勝，張馨，李定主.STK/Connect模塊在GPS仿真演示系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].火力與指揮控制，2008（10）.

[2]G.P.Pashev.Maintenance of the unit of frequency and the timescale by high-stability oscillators synchronized with radio signals from space navigation systems[J].Measurement Techniques，2013，55（12）.

[3]Jack T. Liang，Takehito Doke， Shinya Onogi et al..A fluorolaser navigation system to guide linear surgical tool insertion[J].International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery，2012，7（6）.