GNSS接收机基带信号处理模块的设计和实现

论文摘要

在卫星导航领域，GPS的概念逐渐为GNSS所取代。相对于单一的GPS，更多的卫星星座将使GNSS接收机能够获得更精确的位置、速度和时间（PVT）信息。一方面，天上更多的可用卫星使得接收机可以通过选择合适的定位星得到更好的精度因子（Dilution Of Precision, DOP）；另一方面，一些新的GNSS民用信号使用了BOC调制，可以提供比传统的BPSK调制信号更好的码跟踪精度、更好的抗多径干扰能力和窄带干扰抑制性能。所以，多星座GNSS接收机理论上能够提供更好的定位性能。但是，GNSS接收机也面临两个挑战：首先，GNSS接收机在对BOC信号捕获和跟踪时有误捕和误锁的风险；其次，GNSS接收机由于要处理多个星座的信号，所以需要更多的硬件资源。本文试图探索上述两个问题的解决。为了解决BOC信号捕获和跟踪的模糊性问题，本文实现了GRASS算法，提出了一种基于FFT的实现方案，能够在频率维上并行计算GRASS算法所需的检测统计量。在BOC信号的跟踪阶段，本文提出了一种基于伪相关函数的误锁检测方法，并且与经典的Bump-Jump方法做了比较，给出了仿真结果和结论。为了减少多星座GNSS接收机的硬件消耗，本文提出一种通用的可配置的接收机通道模型，可以通过参数的配置实现对不同民用信号的跟踪。同时，为了减少多星座的码发生器占用的逻辑和存储资源，本文提出了一种码发生器的交叉连接结构，使得接收机内部只需实现一套码发生器即可。为了验证上述模型和方法，本文在Altera公司的EP2S180开发板上完成了GNSS接收机基带模块的实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究现状综述
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 卫星导航原理和接收机基带处理技术
• 2.1 导航卫星定位原理
• 2.1.1 到达时间（TOA）测距
• 2.2 GPS 信号和导航电文
• 2.2.1 伪随机噪声码
• 2.2.2 导航电文
• 2.3 接收机中的基带处理
• 2.3.1 信号捕获
• 2.3.2 信号跟踪
• 2.3.3 载波跟踪-锁相环
• 2.3.4 伪码跟踪-延迟锁定环（DLL）
• 2.4 基带数字信息处理
• 2.4.1 位同步
• 2.4.2 帧同步
• 2.4.3 奇偶校验和电文译码
• 2.5 本章小结
• 第3章 GRASS 算法在 BOC 信号的捕获和跟踪中的应用
• 3.1 BOC 信号及其衍生形式
• 3.1.1 BOC 信号
• 3.1.2 BOC 的衍生-MBOC
• 3.2 BOC 信号的模糊度问题
• 3.3 GRASS 方法
• 3.4 GRASS 算法的实现
• 3.5 GRASS 算法在信号跟踪中的应用
• 3.5.1 码跟踪环的噪声性能
• 3.5.2 基于伪相关函数的误锁检测
• 3.6 本章小结
• 第4章 通用可配置接收机通道
• 4.1 经典 GPS 接收机的通道结构模型
• 4.2 通用可配置通道模型
• 4.3 码发生器的交叉连接结构
• 4.4 本章小结
• 第5章 多星座 GNSS 接受机的硬件实现
• 5.1 硬件设计
• 5.1.1 硬件平台简介
• 5.1.2 组成结构
• 5.2 主要模块功能及实现
• 5.2.1 相关器
• 5.2.2 Nios II 嵌入式处理器
• 5.2.3 PC 交互界面
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果