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上海交通大学
硕士学位论文
GPS软件接收机的实现与定位算法研究
姓名:曹意
申请学位级别:硕士
专业:导航、制导与控制
指导教师:茅旭初
20090101
上海交通大学硕士学位论文摘要
GPS 软件接收机的实现与定位算法研究

摘要
GPS [1]被广泛应用于各领域,在测地测绘,导航制导,环境监测等领域都需
要高精度定位。随着实际应用对接收机提出更高的要求,科研人员需要对单机
GPS 的高精度定位进行算法研究。虽然硬件接收机已经非常成熟,但是对硬件接
收机进行算法移植或验证,牵涉到固化的硬件资源,实现比较复杂,开发周期长。
开发软件接收机可以有效的解决此问题。射频前端对 GPS 的 L1 信号进行降频,
然后在中频上对信号进行采样,通过 PCI 总线传输到通用 PC 机的存储空间中。
对中频信号的解调通过软件的方法来完成,可以加快研发进度,具有很高的灵活
性。因此,软件接收机对模型搭建和算法验证具有重要意义。
本文主要研究 GPS 软件接收机的实现以及单机 GPS 高精度的定位算法。其
主要工作包括接收机的中频信号采集实现和 MATLAB 环境下的信号处理,具体
如下:
1. 详细论述了 GPS 软件接收机的外部电路实现。在 SUPERSTAR IITM OEM 接
收机的基础上进行改装,分析了 GP2015 前端芯片的信号输出,并介绍了外
围电路模块的功能和设计原理。
2. 中频信号解调以及导航电文的解码。对采集的真实 GPS 信号在时域和频域
上进行捕获,比较了两种方法的优劣。在跟踪阶段分析了科斯塔斯环的工作
原理,分析了由捕获传递给跟踪的参数的意义。
3. 由中频采样数据和导航电文解算用户位置。在解码阶段对解调的信号进行格
式校验,将数字信号转换为有意义的导航电文。随后论述了 GPS 的定位原
理以及详细讨论了伪距的生成。在解码导航电文的基础上,通过最小二乘法
完成用户位置和卫星位置的解算。
4. 用基于非线性滤波的迭代定位算法对定位结果进行优化,增强定位算法的鲁
棒性。讨论了两种最优平滑滤波,并在此基础上提出了将平淡卡尔曼滤波和
固定间隔平滑与固定滞后平滑相结合的迭代算法,通过静态定位实验验证了
I
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算法的优越性。最后用平淡卡尔曼滤波的平方根形式替换前向滤波器,降低
处理器截断误差造成滤波器发散的风险,增强了算法的鲁棒性。
本文通过研究软件接收机的设计,以采集到的原始中频信号为起点,经历捕
获,跟踪,导航电文解调,用户位置解算,定位结果优化一系列的软件仿真,对
深入学习 GPS 的定位原理具有很大的帮助。

关键词:全球定位导航,GPS 软件接收机,卡尔曼滤波,平方根滤波,最优平滑,
迭代算法
II
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Research on GPS software receiver implementation and positioning
algorithm

ABSTRACT
Global Positioning System is widely applied to a wide range of applications, such as
geomatics, navigation and guidance, environment monitoring which require
high-precision positioning. The increasingly stringent requirements necessitate
in-depth research on precision improvement of stand-alone GPS and related
algorithms. The hardware receiver is well developed, however, it’s unrealistic to apply
new algorithms to improve precision due to the cost of revising the firmware or the
limited hardware resource, researcher would possibly experience a long development
period. Software receiver can efficiently fix this problem. The baseband signal
processing w