GPS信號和干擾技術的仿真

摘 要：GPS在全球范圍內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域都發揮著非常重要的作用。該文以GPS信號與干擾的仿真設計方案為起點，首先，討論了GPS接收信號產生的原理，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容進行了深入研究。其次，詳細研究了GPS信號和干擾的MATLAB仿真方法，在MATLAB仿真設計與實現中，實現了GPS衛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。

關鍵詞：GPS C/A碼 干擾 MATLAB

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

由于我國北斗導航衛星已進入密集發射組網階段，使得全球四大定位系統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的深入研究對發展我國的北斗定位系統有著重要的意義。

該文以GPS信號與干擾的仿真設計方案為起點，首先，討論了GPS接收信號產生的原理，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的類型等方面的內容進行了深入研究。其次，對GPS信號、干擾的MATLAB仿真方法以及步驟進行了詳細研究，實現了單顆GPS衛星信號的仿真生成，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衛星信號的頻率特性與調制方式

經由GPS衛星向廣大用戶發送的作為導航定位的信號，它是一種調制波，有：載波信號（L1和L2）、測距碼（C/A碼和P碼）和數據碼（D碼，亦稱基帶信號或導航電文）。GPS衛星頻率源產生的基準信號頻率為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碼的數據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）進行調制到L1載波上。同法調制L2載波，而不一樣的地方是L2載波能夠用碼、碼、或碼進行調制[1]。最后，這兩種已調波由衛星向地面發射。

1.2 C/A碼的生成原理及實現方式

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，并及時的獲取更準確的GPS衛星信號。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。除此之外，他還會相繼受到頻率為1.023 MHZ時鐘脈沖驅動的影響，出現碼長分別為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，先進行二進制相加，然后輸出，并不在移位寄存器內的最終存儲單元內，最終得到一個和平移等價的m序列（即實現和延時等價），得到的再與展開模二相加后，得出1023中結構存在較大差異的C/A碼。此時的C/A碼不可視作簡單的m序列，其實質它是一個由兩個相同的碼長與數碼率，不過結構存在明顯差異的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信號產生

經由GPS衛星向用戶發送的信號含有3種信號分量：數據碼、擴頻碼與載波。因數據碼的碼率是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，只記錄1 ms接收數據就可以進行處理，而由D碼引起的C/A碼相位跳變在下1ms數據中是不可能存在的[2]。

將產生的C/A碼數字化，在數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點，同時設置多普勒頻率值與延時值，然后調制到采取相同采樣頻率進行數字化的中頻載波信號上。

2 GPS的干擾技術

2.1 GPS的人為干擾

使對方錯誤地或無法使用GPS系統提供信息是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發射機；寬帶-擴頻型的典型干擾源為故意的擴頻干擾機；而窄帶-掃頻連續波的典型干擾源為廣播電站內的調頻電臺內發出的諧波，窄帶相位/頻率調制型的典型干擾源為各個商業大樓內廣播等發射機發出的諧波[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頻干擾，產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學模型為：

（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。

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釋放噪聲能量。將經低通濾波器產生的高斯白噪聲序列濾波，再設定干擾的功率，調制到載頻上，這樣就可以產生寬帶噪聲干擾[1]。

3 MATLAB仿真結果

3.1 干擾信號仿真結果

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內頻率會急劇增加至400 Hz的線性掃頻信號。

3.1.2 噪聲調頻干擾信號

通常情況下，噪聲調頻干擾信號功率譜，頻率采用歸一化處理。

參考文獻

[1]潘成勝，張馨，李定主.STK/Connect模塊在GPS仿真演示系統中的應用[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）.