GPS星历解调和UTC时间转换的算法与实现

论文摘要

全球定位系统(GPS)具有全球性、全天候、高精度和三维定位等优点,是目前最先进、应用最广的卫星导航定位系统。因此对其进行深入研究是十分有必要的,而且这对于我国的导航定位技术也具有借鉴作用。本论文在深入理解GPS导航定位原理和GPS接收机原理之后,在传统的GPS星历解调方案的基础上提出了一种硬件代价相对较小的算法,并且在基本算法的基础上实现了单bit纠错、多bit翻转纠错以及新的子帧同步算法;在传统UTC时间解算的算法基础上,提出了一种新的简约型设计方案,该方案可以大大减小设计实现的硬件代价。上述算法均在自己设计的FPGA电路板上实现。本论文主要工作包括:1.介绍了GPS卫星导航定位系统的基本原理,包括卫星定位技术的历史、GPS的时间和空间系统、卫星的轨道参数、卫星信号以及GPS的导航电文结构。2.在FPGA平台上用Verilog设计实现了本论文的GPS星历解调方案,包括sinc滤波、采样、子帧同步以及奇偶校验四个步骤。然后,在基本方案的基础上实现了单bit突发纠错和多bit翻转纠错功能。此外,在子帧同步的设计中提出了一种新的算法,可以达到原有正确率的同时加快子帧同步的速度。以上设计均通过了仿真并最终在自己设计的FPGA开发板上调试成功。3.传统的GPS授时功能实现的硬件代价相对较大,本论文提出了一种简约的设计方式,可以大大减小设计的硬件代价。本文设计用Matlab验证了GPS到UTC时间的转换算法。然后用Verilog设计了GPS到UTC时间转换的程序,该程序通过仿真并且在FPGA电路板上调试成功。最后将从捕获跟踪输出信号经过星历解调、UTC时间转换之后的结果通过串口发送给PC。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 GPS系统简述
• 1.2 本课题的研究意义
• 1.3 本论文主要工作与结构安排
• 2 GPS系统
• 2.1 卫星定位技术发展概况
• 2.2 GPS时间和空间系统
• 2.2.1 GPS时间系统
• 2.2.2 GPS空间系统
• 2.3 GPS卫星运动理论基础
• 2.4 GPS卫星信号
• 2.4.1 载波
• 2.4.2 GPS的测距码信号
• 2.4.3 GPS的数据码信号
• 2.5 GPS导航电文
• 2.5.1 遥测码
• 2.5.2 转换码
• 2.5.3 第一数据块
• 2.5.4 第二数据块
• 2.5.5 第三数据块
• 3 GPS星历解调算法与实现
• 3.1 捕获跟踪输出与星历的关系
• 3.2 星历解调方案及其实现
• 3.2.1 星历解调总体框图
• 3.2.2 信号滤波
• 3.2.3 信号采样
• 3.2.4 子帧同步
• 3.2.5 奇偶校验
• 3.3 子帧同步的改进
• 3.4 纠错的算法与实现
• 3.4.1 单bit突发纠错
• 3.4.2 多bit翻转纠错
• 4 UTC时间转换的算法与实现
• 4.1 GPS时间的计算
• 4.2 GPS到UTC的转换
• 4.2.1 GPS与UTC时间对应表
• 4.2.2 算法的Matlab验证
• 4.2.3 FPGA程序设计
• 4.3 串口发送设计
• 4.3.1 串口基本介绍
• 4.3.2 串口发送的程序设计
• 4.4 FPGA板级验证
• 4.4.1 FPGA硬件设计基础
• 4.4.2 FPGA电路板设计
• 4.4.3 FPGA板级验证结果
• 5 总结
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集