基于ARCA3的GPS软件接收机定位解算研究

论文摘要

GPS自从投入使用以来,其对人们的生活产生了深远的影响。为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量新技术。今天,卫星导航己经成为名副其实的跨专业、跨行业、广用途、高效益的综合性高新技术。首先介绍了各个导航系统的组成和特点以及国内外研究现状,在充分理解软件接收机和GPS导航定位原理的基础上,应用MATLAB和C完成了GPS定位解算建模与仿真。然后从算法和实现两方面对子帧同步,奇偶校验,用户位置解算,经纬度转化等子模块进行优化,加快了处理速度。使定位精度从150米提高到30米。为了进一步提高系统运算速度和降低存储开销,分析了单精度定点化,双精度定点化,伪浮点定点化,块浮点定点化和模拟浮点五种定位解算方案。仿真分析证明,GPS定位解算由于数据格式跨度从2的-55次幂到2的32次幂远超过了ARCA3的32位宽,反而降低运算速度的初衷,因此不适合定点化处理方法。本文由于受到硬件的限制而采用了ARCA3自带的模拟浮点运算功能,但建议采用完全的浮点运算。应用RTL系统级仿真平台对定位导航算法进行了评估,对各个算法模块的计算量、指令数及运算时间进行了详细统计,同时对影响定位解算运行时间的各三角函数运算进行了细致的统计分析,针对ARCA3的特点,提出了三种提高运算速度的方案:采用专门的处理单元进行三角函数的计算;优化解方程的方法:加入浮点运算单元。经过对改进方案评估,运算速度明显提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 GPS 卫星导航系统
• 1.1.2 Glonass 卫星导航系统
• 1.1.3 北斗卫星导航系统
• 1.1.4 Galileo 卫星导航系统
• 1.2 软件接收机的研究意义和现状
• 1.2.1 软件接收机技术
• 1.2.2 GPS 软件接收机的优点
• 1.2.3 GPS 软件接收机在国外的发展现状
• 1.2.4 国内软件接收机研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 GPS 导航定位基本原理及实施
• 2.1 参考坐标系
• 2.1.1 时间坐标系
• 2.1.2 空间坐标系
• 2.2 GPS 导航定位原理及定位解算功能建模
• 2.2.1 总体设计
• 2.2.2 各子模块设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 GPS 定位解算定点化评估
• 3.1 定点化原理
• 3.2 GPS 定位解算定点化分析
• 3.2.1 单精度定点分析
• 3.2.2 双精度定点
• 3.2.3 伪浮点
• 3.2.4 块浮点
• 3.2.5 模拟浮点
• 3.3 GPS 定位解算定点化总结
• 3.3.1 GPS 数据格式
• 3.3.2 定点化层面
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于ARCA3 的验证平台的GPS 定位导航解算算法评估与改进
• 4.1 ARCA3 的验证环境平台
• 4.2 ARCA3 介绍
• 4.3 RTL 系统级软硬件协同仿真验证环境
• 4.4 RTL 系统级仿真环境下导航算法的统计分析
• 4.4.1 各部分功能模块的算法统计分析
• 4.4.2 定位解算过程中函数的数据统计分析
• 4.5 程序优化的改进方案
• 4.5.1 CORDIC 算法
• 4.5.2 算法层面上的优化
• 4.5.3 增加FU 运算的单元
• 4.6 定位结果分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢