GPS接收机跟踪环路的研究和设计

论文摘要

全球定位系统（GPS）被认为是当前定位导航授时设备中最重要的发展。GPS应用的关键部分在于其接收设备的基带处理单元,包括捕获环路和跟踪环路两个部分。本文的内容就是对GPS接收机跟踪环路信号处理算法进行研究和硬件实现。本文首先分析了GPS基带跟踪环路算法,接着通过C++建模实现软件接收机基带处理跟踪算法。在GPS信号跟踪中,载波跟踪环路采用锁相环来实现,码跟踪环路采用基于块调整同步信号的改进算法来实现,在硬件实现时采用下述改进方案:1)载波跟踪环路采用基于CORDIC算法的arctan鉴别器,并采用简单逻辑运算代替复杂的查找表来实现载波数控振荡器（DCO）。2)环路滤波器采用对加速度敏感的一阶环路滤波器,通过优化系数来简化结构和减少运算延迟。3)基于块调整同步信号算法,对传统码跟踪环路算法进行来改进提高性能。改进码跟踪环路鉴别器的实现,减少加减法器的使用和运算延迟。块调整同步信号的基本思想是:当本地生成C/A码相位和输入信号没对齐时,不采用传统改变C/A采样频率的方法,而是通过调整输入信号或者本地C/A的生成,来更好地达到码元同步。本文的改进方案减小了跟踪环路锁定所需的时间和硬件的资源消耗,同时保证了所需的跟踪性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图录
• 表录
• 第一章 绪论
• 1.1 背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究主要问题和内容安排
• 第二章 GPS 系统原理
• 2.1 GPS 系统总体架构
• 2.1.1 空间段
• 2.1.2 控制段
• 2.1.3 用户段
• 2.2 GPS 信号组成
• 2.2.1 GPS 信号基本组成
• 2.2.2 载波信号
• 2.2.3 伪随机码和m 序列
• 2.2.4 导航电文格式
• 2.3 GPS 定位原理
• 2.4 GPS 接收机体系结构
• 2.5 本章小节
• 第三章 GPS 接收机基带跟踪环路原理分析
• 3.1 载波跟踪环路
• 3.1.1 锁相环基本原理
• 3.1.2 载波环路鉴别器
• 3.1.3 环路滤波器
• 3.2 码跟踪环路
• 3.3 本章小结
• 第四章 载波跟踪环路的硬件实现
• 4.1 跟踪环路的硬件结构图
• 4.2 系统输入信号
• 4.3 本地载波的产生
• 4.3.1 载波DCO 原理
• 4.3.2 载波DCO 的电路实现以及精度分析
• 4.3.3 载波DCO 硬件功能仿真
• 4.4 基于CORDIC 算法的载波环路鉴别器设计
• 4.4.1 CORDIC 算法基本原理
• 4.4.2 旋转模式
• 4.4.3 向量模式
• 4.4.4 基于CORDIC 算法载波环路鉴别器的结构及其参数
• 4.4.5 载波环鉴别器的输出精度分析
• 4.5 数字锁相环的反馈方式
• 4.6 载波环路滤波器
• 4.7 环路锁定及失锁的检测
• 4.8 本章小结
• 第五章 基于块调整同步信号法的码跟踪环路硬件实现
• 5.1 基于块调整同步信号的码跟踪环路基本原理
• 5.2 块调整码跟踪环路具体实现中的关键问题
• 5.2.1 非整数采样点的问题
• 5.2.2 关于如何应对码多普勒的问题
• 5.3 基于块调整同步信号法的码跟踪环路设计
• 5.3.1 本地复现载波和C/A 码
• 5.3.2 积分清零器
• 5.3.3 平方根运算单元
• 5.3.4 码环鉴别器
• 5.3.5 阈值比较电路
• 5.3.6 码元（比特）同步模块
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文成果
• 6.2 进一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间完成的主要工作