GPS信号和干扰技术的仿真

摘 要：GPS在全球范围内可以提供精确的时间信息、位置以及速度，同时在民用和军用领域都发挥着非常重要的作用。该文以GPS信号与干扰的仿真设计方案为起点，首先，讨论了GPS接收信号产生的原理，并对GPS信号和干扰的特征及仿真生成方法、GPS信号多普勒原理和干扰的原理等方面的内容进行了深入研究。其次，详细研究了GPS信号和干扰的MATLAB仿真方法，在MATLAB仿真设计与实现中，实现了GPS卫星信号的仿真生成以及几种常见类型干扰信号的仿真生成。

关键词：GPS C/A码 干扰 MATLAB

中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（b）-0044-01

由于我国北斗导航卫星已进入密集发射组网阶段，使得全球四大定位系统的格局也逐步清晰明了：美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧盟的GALILEO和我国的北斗。其中GPS的资历最早，对GPS的深入研究对发展我国的北斗定位系统有着重要的意义。

该文以GPS信号与干扰的仿真设计方案为起点，首先，讨论了GPS接收信号产生的原理，并对C/A码的生成原理、GPS信号多普勒原理、GPS信号的特征和干扰技术的类型等方面的内容进行了深入研究。其次，对GPS信号、干扰的MATLAB仿真方法以及步骤进行了详细研究，实现了单颗GPS卫星信号的仿真生成，宽带噪声干扰等几种常见类型干扰信号的仿真生成。

1 GPS信号的特征

1.1 GPS卫星信号的频率特性与调制方式

经由GPS卫星向广大用户发送的作为导航定位的信号，它是一种调制波，有：载波信号（L1和L2）、测距码（C/A码和P码）和数据码（D码，亦称基带信号或导航电文）。GPS卫星频率源产生的基准信号频率为10.23 MHz，L1和L2载波频率分别为1575.42 MHz和1227.60 MHz。C/A码和P码的码率分别是1.023 Mbps和10.23 Mbps，而D码仅为50 bps。D码的数据首先同测距码模二相加后，形成组合码和，然后使用相移键控（BPSK）进行调制到L1载波上。同法调制L2载波，而不一样的地方是L2载波能够用码、码、或码进行调制[1]。最后，这两种已调波由卫星向地面发射。

1.2 C/A码的生成原理及实现方式

C/A码本身就是一个伪随机码，其最大的功效即是被用作粗测距，并及时的获取更准确的GPS卫星信号。C/A码是由两个性能一致的10级反馈移位寄存器组成，这两个性能一致的反馈移位寄存器会在每周日的子夜零时，受到置“1|脉冲的影响，全部处于归“1”状态。除此之外，他还会相继受到频率为1.023 MHZ时钟脉冲驱动的影响，出现码长分别为1023周期为1ms的序列与1023周期为1 ms的序列。这时，如果序列的输出是从中选择两个存储单元，先进行二进制相加，然后输出，并不在移位寄存器内的最终存储单元内，最终得到一个和平移等价的m序列（即实现和延时等价），得到的再与展开模二相加后，得出1023中结构存在较大差异的C/A码。此时的C/A码不可视作简单的m序列，其实质它是一个由两个相同的码长与数码率，不过结构存在明显差异的m序列相乘，而得出的组合码，即我们俗称的Gold序列。

（1）

1.3 GPS信号产生

经由GPS卫星向用户发送的信号含有3种信号分量：数据码、扩频码与载波。因数据码的码率是50 Hz，长为20 ms，但是C/A码的码率是1.023 MHz，长为1 ms，等价于一个D码码片中含有20个完整的C/A码。又因C/A码周期更新为1次/ms，所以对于一般的捕获系统，只记录1 ms接收数据就可以进行处理，而由D码引起的C/A码相位跳变在下1ms数据中是不可能存在的[2]。

将产生的C/A码数字化，在数字化之后把每个采样点的值采取四舍五入法精确到最接近的整数点，同时设置多普勒频率值与延时值，然后调制到采取相同采样频率进行数字化的中频载波信号上。

2 GPS的干扰技术

2.1 GPS的人为干扰

使对方错误地或无法使用GPS系统提供信息是GPS人为干扰的目的。对GPS用户接收机的干扰技术体制主要有以下三种，即欺骗式、压制式与分布立体式，不同干扰类型下的典型干扰源不同，主要内容如下：

宽带-高斯型的典型干扰源为故意的噪声干扰；宽带-脉冲型的典型干扰源为雷达发射机；宽带-扩频型的典型干扰源为故意的扩频干扰机；而窄带-扫频连续波的典型干扰源为广播电站内的调频电台内发出的谐波，窄带相位/频率调制型的典型干扰源为各个商业大楼内广播等发射机发出的谐波[3]。

2.2 不同类型干扰的生成方法

2.2.1 扫频干扰信号

也称扫频干扰为线性调频干扰，产生的强干扰信号可以是周期性的，随着时间，干扰的频率能够以一定的步进变化，覆盖的频率范围可以是比较宽的。正弦波扫频干扰的数学模型为：

（7）

式中，为干扰信号起始频率，为干扰信号的幅度，为干扰时间，为干扰信号频率变化步进。

2.2.2 宽带噪声干扰

也称宽带噪声干扰为满带干扰，偶尔也称为全带干扰，它是在整个通信频段内释放噪声能量。将经低通滤波器产生的高斯白噪声序列滤波，再设定干扰的功率，调制到载频上，这样就可以产生宽带噪声干扰[1]。

3 MATLAB仿真结果

3.1 干扰信号仿真结果

3.1.1 扫频干扰信号

扫频干扰信号初始频率0 Hz，不过在2 s内频率会急剧增加至400 Hz的线性扫频信号。

3.1.2 噪声调频干扰信号

通常情况下，噪声调频干扰信号功率谱，频率采用归一化处理。

参考文献

[1] 潘成胜，张馨，李定主.STK/Connect模块在GPS仿真演示系统中的应用[J].火力与指挥控制，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）.