基于simulink的GPS卫星信号模拟器设计与仿真

郑日美

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

【摘　要】在gps接收机设计仿真阶段，为了测试接收机的各种性能,需要在仿真环境中产生可用于测试的GPS模拟信号。首先从原理上分析了GPS信号结构，重点讲述了C/A码的产生方法。接着分析了GPS信号的实现原理，最后利用Simulink工具设计了GPS 卫星信号发生器，实现了L1波段上C/A码，P码,导航电文的调制。对于民用GPS接收机，主要捕获L1波段信号，检测本地C/A码与接收码的相差以及解调相应的导航电文。

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关键词 GPS接收机；C/A码；GPS 卫星信号发生器；Simulink仿真

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)广泛应用于经济、军事、科研等领域，能为用户提供导航、定位、授时等服务。GPS由空间控制部分、地面控制部分、用户设备部分三部分组成[1]。在GPS接收机设计阶段，需要测试定位算法的各项指标。因此，在仿真阶段，设计一个可靠的GPS卫星信号模拟器显得由为重要。本文根据GPS卫星信号的结果特点，利用Simulink软件设计了GPS卫星信号模拟器，采用查找表法产生C/A码，四路伪码发生器产生P码，导航电文采用Bernoulli 随机分布模型进行建模。仿真结果表明，该方案结构简单，仿真结果可靠。

1　GPS卫星信号特点

GPS 卫星发送的信号由三部分组成：载波信号（L1 和 L2）、扩频序列（即测距码，C/A 码、P 码或 Y 码）和导航数据（D 码，亦称为导航电文）[2]。GPS 信号是利用两个载波进行传输的，即 L1 和 L2。载波 L1 的频率为1575.42MHz，L2 的频率为1227.60MHz。GPS卫星信号的结构如图1所示，GPS信号发射机产生的伪码(C/A码和P码)及相应的数据码(导航电文)一起通过L1和L2的载波调制，然后卫星将调制后的载波信号播发出去。

2　基于Simulink的GPS信号模拟器设计

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，用于对动态系统进行建模、仿真和分析[3]。本文利用Simulink工具包构建GPS信号发生器，具有流程直观，界面友好，易于操作。

根据GPS信号结构特点，基于Simulink的GPS信号模拟器的整体框架图如图2所示，C/A码与导航电文进行模2加后进行BPSK调制，组成GPS信号的I路信号，P码与导航电文模2加后进行BPSK调制，组成GPS信号的Q路信号，最后Ｉ、Ｑ两路信号与噪声叠加形成最终的GPS信号。

2.1　C/A码产生

可以利用反馈移位寄存器产生C/A码，也可以把各个卫星的一个C/A周期数据存储于2位查找表中，在仿真时根据时钟频率播发[4]。考虑到需要对C/A码的码流进行控制(1.023MHZ),同时需要控制输出码的相位，本文在最终的仿真的时候采用查找表发产生C/A码，如图3所示，给出了C/A码发生器仿真图及其时域波形，利用二维查找表Lookup Table 存储卫星产生的C/A码，一号端口为卫星编号输入，二号端口为计数器输入。计数器由1.023MHZ的方波驱动，同时C/A phase shift模块产生一个常数和计数器相加后对1022取模，保证寻找范围不超过1022，这样实现了C/A码的相位控制。

2.2　P码产生

如图4所示，P码发生器由X1A，X1B，X2A，X2B分别由12级反馈移位寄存器构成。其中，X1A的生成多项式为：G(X)=1+X6+X8+X11+X12，初始状态为：001001001000。X1B的生成多项式为：G(X)=1+X+X2+X5+X8+X9+X10+X11+X12，初始状态为：010101010100。X2A 的生成多项式为：G(X)=1+X+X3+X4+X5+X7+X8+X9+X10+X11+X12，初始状态为：100100100101。X2B 的生成多项式为：G(X)=1+X2+X3+X4+X8+X9+X12，初始状态为：010101010100。X1A生成的伪码与X1B生成的伪码异或产生X1随机码，X2A生成的伪码与X2B生成的伪码异或产生X2随机码，X2随机码进过移位寄存器延迟后与X1异或生成最终的P码，移位寄存器的延迟数与卫星编号相关。

2.3　导航电文数据码产生

GPS的导航数据码的播发速度是50HZ bit，对于GPS接收的射频前端和数字中频，该数据码可以用Bernoulli 随机分布模型来模拟[5]，在Simulink仿真环境中可以直接调用Bernoulli模块直接产生随机序列。

2.4　BPSK调制

完成C/A码、P码和导航数据码等基带处理后需要对其进行BPSK调制。BPSK调制时将基带单极性码(0,1)转换成双极性码(-1,1)，然后将其乘上载波。二进制单极性码转为双极性码的转换原理为：将输入左移1位后减1。得到双极性码后乘上正弦波就得到调制波形。

3　GPS信号的基带等效仿真

由于GPS LI载波频率为1575.42MHz,若在Simulink平台下直接进行频带BPSK调制,由于lms内数据点数太多,模块运行速度慢,造成整个系统延迟严重,所以一般采用基带等效模型,将频带通信系统转化为基带等效通信系统进行仿真。图5是基带仿真频谱图。

4　小结

本文利用Simulink工具产生L1波段上的GPS信号，给出了C/A码，P码，数据码，BPSK等模块的仿真图，主要针对基带信号仿真。对应1575.42MHz的L1波段。由于频率较高，时域仿真不太现实，因此将频带通信系统转化为基带等效通信系统进行仿真。

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参考文献

［１］谢钢.GPS原理与接收机设计[M].电子工业出版社.

［２］邓炜,杨东凯,寇艳红.GPS中频信号处理的Simulink实现[J].遥测遥控,2006,11,27(6).

［３］沈超,裘正定.基于MatLab/Simulink的GPS系统仿真[J].系统仿真学报,2006,7,18(7).

［４］涂凤琴.GPS中频卫星信号的仿真研究[D].南京:南京理工大学,2010.

［５］陈涛.GPS 接收机基带信号处理的研究和设计[D].上海:上海交通大学,2009.

［责任编辑：汤静］