基于FPGA-DSP架构的单频软件GPS接收机的设计与实现

论文摘要

航天事业高速发展,飞行器的太空会接、空间实验室将是下一个目标。对于精密轨道定轨,传统的硬件GPS接收机已经无法满足性能要求。基于FPGA-DSP架构的软件GPS接收机可以兼容多个导航系统的算法,在算法上有极大的灵活性,可以根据飞行器状态加载不同的处理算法,提供高精度、高实时性的定位结果。基于软件无线电思想的软件接收机将是星载接收机的主流方案。本文设计并实现基于FPGA-DSP架构的单频软件GPS接收机,所做的研究工作和成果如下:首先对GPS信号接收算法和传统GPS接收机的实现方法进行了研究,并分析不同算法的优缺点,给出了本系统所采用的捕获、跟踪算法,完成了本课题所需算法的理论部分的研究。通过对传统的GPS硬件接收机和软件GPS接收机的特点进行分析对比,可知,基于软件无线电的可重构算法的多频多系统的软件GPS接收机将是我国星载精密导航定位接收机领域的研究重点。根据软件无线电的思想,给出了基于FPGA-DSP架构的单频软件GPS接收机的整体方案,对硬件平台设计和模块功能划分进行了详细的阐述,完成了系统的架构设计。运用FPGA和DSP的开发技术,以软件工程化为准则,给出了系统软件部分的整体架构,对FPGA中的模块设计和DSP中的控制算法进行了详细的介绍,完成了整个系统的软件设计,并对局部算法进行调优,提高了系统运行的效率。至此,整个系统的软、硬件设计与实现部分全部完成。与实验室已有的天线和射频前端设备相连,组成了完整的GPS接收机,在静态单点的测试环境下,测试了本系统的定位结果,并对定位误差进行了详细的分析,给出了下一步的改进方案。定位结果表明各维度的定位误差在10-15米左右,初步满足了GPS接收机工程化的应用需求,为下一步应用于航天打下了坚实的基础,为实现高精度的多频多系统的软件GPS接收机提供了有效的实验平台。最后回顾整个课题的研究过程,总结经验,并对下一步实现高精度的多频多系统的GPS软件接收机进行展望,期盼我国航天精密导航定位领域取得更大的突破。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究方向及论文架构
• 第二章 GPS 系统及其发展
• 2.1 卫星导航系统
• 2.2 GPS 系统的构成
• 2.3 GPS 卫星信号的构成
• 2.4 GPS 定位原理
• 2.4.1 测量卫星与用户间的相对距离
• 2.4.2 卫星的位置
• 2.4.3 解算
• 2.5 GPS 接收机
• 2.6 GPS 系统的发展
• 2.6.1 GPS 系统的现状
• 2.6.2 现代化计划的提出
• 2.6.3 现代化计划中的军用部分
• 2.6.4 GPS 现代化计划中的民用部分
• 2.7 小结
• 第三章 单频GPS 接收机的传统实现方法
• 3.1 GPS C/A 码的信号特性
• 3.2 本地C/A 码的生成
• 3.3 多普勒效应对载波频率和码相位影响的估算
• 3.4 GPS 信号的捕获
• 3.4.1 并行搜索法
• 3.4.2 串行搜索法
• 3.5 GPS 信号跟踪
• 3.5.1 码跟踪
• 3.5.2 载波跟踪
• 3.6 位同步
• 3.7 小结
• 第四章 基于FPGA-DSP 架构的单频软件GPS 接收机体系结构
• 4.1 软件无线电的发展
• 4.2 传统GPS 接收机与软件GPS 接收机的比较
• 4.3 GPS 接收机数字基带处理器GP4020
• 4.4 基于FPGA-DSP 架构的单频软件接收机的硬件设计
• 4.4.1 DSP：TM5320C6415
• 4.4.2 FPGA： XQ2V3000
• 4.4.3 电源电路设计
• 4.4.4 射频前端与数据处理单元接口设计
• 4.4.5 DSP 与FPGA 连接设计
• 4.4.6 DSP 配置电路设计
• 4.4.7 FPGA 配置电路设计
• 4.5 FPGA 与DSP 的功能划分
• 4.5.1 FPGA 与DSP 之间的信息流
• 4.5.2 FPGA 内的信息流和处理
• 4.5.3 DSP 内部的信息流和处理
• 4.6 小结
• 第五章 基于FPGA-DSP 架构的单频软件GPS 接收机的软件设计
• 5.1 软件总体架构
• 5.2 FPGA 中模块设计
• 5.2.1 相关器的设计
• 5.2.2 载波NCO
• 5.2.3 码NCO
• 5.2.4 积分清除器
• 5.2.5 DSP 接口控制器
• 5.3 DSP 中的模块设计
• 5.3.1 DSP 中主程序流程图
• 5.3.2 DSP 中的中断处理流程
• 5.3.3 DSP 中跟踪捕获流程与控制算法
• 5.4 针对FPGA、DSP 中算法的优化
• 5.5 小结
• 第六章 GPS 接收机定位结果误差分析
• 6.1 GPS 信号误差分析
• 6.2 定位结果及精度分析
• 6.3 误差原因分析与改进思路
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢