基于FPGA的高动态GPS数字中频解扩技术研究

论文摘要

目前,以GPS为代表的卫星导航产业成为全球发展最快的信息产业之一。GPS系统可以在全球范围内为用户提全天候的、连续精确的位置、速度、时间等信息,在定位、导航等领域已经得到了广泛的应用。本课题来源于北方工业大学重点科研项目：具有差分通信功能的GPS、GLONASS、BD2三合一导航定位接收机。将对该系统中的GPS数字中频信号进行解扩研究。解扩技术是GPS接收机的核心技术之一,对GPS接收机的性能效果有着重要的影响,本课题有助于对GPS、GLONASS、BD2三合一接收机的研发。本课题将对GPS民用信号L1波段的C／A码进行解扩研究。解扩可以分为捕获、跟踪、同步三个阶段。本课题所研究的接收机需满足高动态要求,捕获带宽为±10KHz,伪码精度设置为1／16个码片。本课题先简单介绍了GPS工作原理,对其信号特征进行了简要说明。阐述了扩频解扩的基本原理。然后对课题所提的指标进行分析研究,搭建研发平台。根据指标分析结果选取改进型的串行捕获方式,对伪码选取归一化的超前滞后门跟踪方式以及对载波选取锁频环与锁相环相结合跟踪方式。根据导航电文的特定格式来产生帧同步信号与比特同步信号。在FPGA中搭建A／D、复数下变频、伪码产生、载波NCO、伪码NCO、相关器、帧同步产生器以及时基产生器等GPS数字中频解扩所需核心模块。射频前端提供模拟中频,解扩结果输送至DSP,通过解算,能够完成定位解算。无论是在模拟器进行高动态场景测试,还是实际接收本地实际GPS信号,定位结果均能满足指标要求。为GNSS多模接收机的解扩提供了理论指导。

论文目录

摘要

Abstract

1 引言

1.1 背景与意义

1.2 目的与内容

1.3 论文结构

2 GPS系统概述与项目背景

2.1 GPS系统组成

2.1.1 GPS系统空间段

2.1.2 监测与控制中心

2.2 GPS系统信号特征

2.2.1 GPS载波信号

2.2.2 GPS C/A码信号

2.2.3 扩频原理

2.2.4 导航电文格式

2.3 GPS系统定位原理

2.4 课题背景

3 高动态GPS接收机设计

3.1. GPS接收机一般结构

3.2 GPS接收机主要技术指标分析

3.3 GPS接收机电路设计

3.4 高动态GPS接收机重点难点分析

3.4.1 接收机捕获带宽分析

3.4.2 多普勒频偏变化率分析

3.5 高动态GPS接收机捕获跟踪方案设计

3.5.1 伪码跟踪环

3.5.2 载波跟踪环

4 GPS数字中频接收机实现

4.1 下变频模块的实现与验证

4.1.1 下变频模块理论分析

4.1.2 下变频模块FPGA核心代码

4.1.3 下变频模块综合后的RTL级流图

4.2 伪码产生模块的实现与验证

4.2.1 C/A码产生模块理论分析

4.2.2 码产生器FPGA核心代码及DSP控制流程

4.2.3 伪码产生模块综合后的RTL级流图

4.2.4 伪码产生模块仿真波形

4.3 相关累加器模块的实现与验证

4.3.1 累加器字长理论分析

4.3.2 累加器FPGA核心代码

4.3.3 相关累加器模块综合后的RTL级流图

4.3.4 累加器模块仿真波形

4.4 载波NCO模块的实现与验证

4.4.1 载波NCO模块理论分析

4.4.2 载波NCO模块FPGA核心代码及DSP控制流程

4.4.3 载波NCO模块综合后的RTL级流图

4.4.4 载波NCO模块仿真波形

4.5 码NCO模块的实现与验证

4.5.1 码NCO的理论分析

4.5.2 码NCO模块FPGA核心代码及DSP控制流程

4.5.3 码NCO综合后的RTL级流图

4.5.4 码NCO模块仿真波形

4.6 帧同步信号产生模块的实现与验证

4.6.1 帧同步信号模块理论分析

4.6.2 帧同步信号模块FPGA核心代码

4.6.3 帧同步信号模块综合后的RTL级流图

4.6.4 帧同步信号模块前仿真图形

4.7 时基产生模块的实现与验证

4.7.1 时基模块理论分析

4.7.2.时基模块综合后的RTL级流图

5 接收机性能测试结果

5.1.捕获方法的测试与评估

5.2.跟踪方法的测试与评估

5.3 GPS接收机单点定位性能测试

5.3.1 模拟器静态场景测试

5.3.2 实际卫星信号单点定位性能测试

5.4 GPS接收机高动态定位性能测试

6.总结

申请学位期间的研究成果及发表的学术论文

参考文献

附录A:接收机实物图片

附录B:GSS6700模拟器图片

附录C:信号转发器图片

致谢

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