GPS与Galileo单频软件定义接收机系统

资 源 简 介

该项目完整实现了《A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A Single-Frequency Approach》一书中所述的软件定义无线电（SDR）接收机原型系统。 其核心功能围绕着对捕获自射频前端的原始数字中频采样数据进行全数字化处理展开，支持 GPS L1 C/A 码和 Galileo E1 信号的联合识别与导航解算。 程序首先利用基于循环相关的并行码相位捕获算法或并行频率搜索算法，在复杂的噪声背景下快速定位可见卫星，并准确估算其多普勒频率偏移与码相

详 情 说 明

GPS and Galileo 软件定义接收机 (SDR) 模拟原型系统

本项目是一个基于 Matlab 开发的软件定义无线电（SDR）接收机原型，其核心设计参考了经典著作《A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A Single-Frequency Approach》。该系统实现了从原始数字中频信号处理到最终地理坐标输出的全流程导航解算功能。

项目介绍

本项目旨在演示卫星导航接收机的底层物理层逻辑。它不仅涵盖了信号的捕获与跟踪，还包含了电文解算、坐标转换以及定位结果的可视化显示。程序内置了信号模拟发生器，能够生成符合 GPS L1 C/A 码特征的数字中频数据，使用户在没有实际射频前端数据文件的情况下也能完整运行和学习接收机算法。

功能特性

• 内置信号仿真：程序能够自动生成包含特定 PRN 编号、多普勒频移和噪声环境的模拟数字化中频信号。
• 并行码相位捕获：利用 FFT 实现码相位的并行搜索，显著提升捕获速度。
• 双环路精密跟踪：融合了 Costas 载波相位锁定环（PLL）与归一化早减迟码延迟锁定环（DLL）。
• 多系统兼容框架：代码逻辑支持 GPS 与 Galileo 卫星的联合处理（当前演示重点为 GPS 信号）。
• 自主定位解算：通过加权最小二乘法（WLS）实现三维空间定位及时间偏差估计。
• 直观结果展现：提供捕获能量图、跟踪星象图、环路误差曲线及 LLA 坐标输出。

实现逻辑与算法分析

主程序按照以下六个阶段执行，各阶段逻辑严密结合：

1. 系统参数配置

程序首先定义接收机的工作环境。采样频率设定为 16.3676 MHz，中频（IF）为 4.1304 MHz。跟踪参数（如相关时间 1ms、DLL 带宽 2Hz、PLL 带宽 25Hz）在初始化阶段定义，这些参数直接决定了接收机在噪声环境下的鲁棒性。

1. 信号数据准备

由于本项目为独立运行版本，程序通过随机噪声加上特定 PRN 代码序列模拟生成了长度为 1000 毫秒的原始信号。在该过程中，程序通过模拟多普勒频移（如 2.5kHz）和码偏移，为后续捕获和跟踪阶段提供了测试基准。

1. 信号捕获 (Parallel Code Phase Acquisition)

捕获阶段采用并行码相位搜索算法：

• 对 1 毫秒的输入数据进行混合解调。
• 将本地生成的 C/A 码通过 FFT 转换至频域。
• 在频域完成循环相关运算，提高计算效率。
• 在频率搜索范围（-5kHz 到 +5kHz）内寻找相关峰。
• 通过计算最大值与均值的比例（捕获阈值设为 2.5）来判定卫星是否存在。

1. 信号跟踪 (DLL + PLL)

这是系统的核心处理模块，采用逐毫秒迭代处理：

• 载波剥离：利用 PLL 估算的载波频率和相位去除载波。
• 相关器采样：本地生成早（Early）、即时（Prompt）、迟（Late）三路伪码。
• PLL 鉴相器：使用 Costas 鉴相算法（atan(Q/I)）来追踪信号载波相位。
• DLL 鉴相器：采用归一化早减迟方案来修正本地码相位偏差。
• 闭环控制：通过二阶环路滤波器更新载波频率和码频率，确保系统实时对准动态变化的输入信号。

1. 导航电文解算与定位

程序预设了单站定位的解算逻辑：

• 伪距估计：基于跟踪所得的码相位信息生成伪距观测值（模拟场景中加入了随机测量噪声）。
• 卫星坐标计算：模拟卫星在 ECEF 坐标系中的空间位置。
• 最小二乘解算：采用加权最小二乘法（WLS）进行 5 次迭代计算。
• 坐标转换：通过迭代算法将 ECEF 坐标转换为 WGS-84 坐标系下的经度、纬度和海拔高度。

1. 结果可视化

程序最后会生成一个包含四个子图的报告界面：

• 捕获热图：展示 PRN 信号在码相位和频率轴上的相关能量分布。
• 星象图：显示 I/Q 分量的分布，反映载波跟踪的质量和稳定性。
• DLL 误差图：记录 1000 毫秒内码跟踪误差的变化趋势。
• 结果面板：直接显示最终的经纬度定位数据和可见卫星数量。

关键内部函数说明

• C/A 码生成函数：通过 10 位线性反馈移位寄存器（LFSR）生成 GPS 指定的 PRN 序列，并支持根据采样频率进行升采样。
• 环路系数计算函数：根据阻尼比（通常取 0.707）和噪声带宽，计算出环路滤波器所需的 Tau1 和 Tau2 时间常数。
• 坐标转换函数：实现地心地固坐标系（ECEF）到大地坐标系（LLA）的迭代转换，支持 WGS84 参考椭球参数。

使用方法

1. 环境要求：确保安装了 Matlab R2016b 或更高版本。
2. 运行步骤：直接在命令行窗口输入主程序名称并回车。
3. 结果查看：程序运行后会打印捕获进度，最后自动弹出结果分析图表。

系统要求

• Matlab 基础环境。
• 无需特殊的硬件射频前端，代码包含完整的信号模拟链路。
• 内存建议 8GB 以上（用于处理长时段的高频采样数据数据）。