卫星导航接收机中长码直捕算法研究与FPGA实现

论文摘要

卫星导航定位系统可以为公路、铁路、空中和海上的交通运输工具提供导航定位服务。它能够军民两用,战略作用与商业利益并举。只要持有便携式接收机,则无论身处陆地、海上还是空中,都能收到卫星发出的特定信号。接收机选取至少四颗卫星发出的信号进行分析,就能确定接收机持有者的位置。GPS导航定位接收机的理论基础即是扩频通信理论,扩频通信技术与常规的通信技术相比,具有低截获率,强抗噪声,抗干扰性,具有信息隐蔽和多址通信等特点,目前已从军事领域向民用领域迅速发展,成为进入信息时代的高新技术通信传输方式之一。扩频通信技术中,最常见的是直接序列扩频通信(DSSS)系统,本文所研究的就是这一类系统。目前在卫星信号的捕获上一般使用两种方法:顺序捕获方法(时域法,基于大规模并行相关器)和并行捕获方法(频域法,基于FFT)。本文在第二章分别分析了现有顺序捕获和并行捕获技术的原理,并给出了它们的优缺点。本文第三章对长码的直接捕获进行了深入的研究,基于对国内外相关文献中长码直捕方法的分析与对比,并且结合在实际过程中硬件资源需求的考虑,应用了基于分段补零循环相关和FFT搜索频偏的直捕方法。此方法大大减少了计算量,加快了信号捕获的速度。本方法利用FFT实现接收信号与本地长码的并行相关,同时完成频偏的搜索,将传统的二维搜索转换为并行的一维搜索,从而能快速实现长码捕获。GPS信号十分微弱,灵敏度低,在战场环境下,GPS接收机会面临各种人为的干扰。如何从复杂的干扰信号中实现对GPS信号的捕获,即抗干扰技术的研究,是GPS也是本文研究一个的方面。第四章即研究了GPS接收机干扰抑制算法,在强干扰环境下,需要借助信号处理技术在不增加信号带宽的条件下提高系统的抗干扰能力,以保证后续捕获跟踪模块有充足的处理增益。本文在第五章给出了GPS接收机长码捕获以及干扰抑制的FPGA实现方案,并对各主要子模块进行了详细地分析。基本型接收机中长码捕获采用频域方法,选用Altera StratixⅡEP2S180芯片实现;抗干扰型接收机中选用Xilinx xc4vlx100芯片。实现了各模块的单独测试和整个系统的联调,通过联调验证,本文提出的长码直接捕获方法正确、可行。本文提出的长码直捕方法可以在不需要C/A码辅助捕获下完成对长码的直接捕获,可以应用于GPS接收机,监测站接收机的同步等,对我国自主研发导航定位接收机也有重大的现实及经济意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 论文内容及结构安排
• 1.4 本章小结
• 第二章 直接序列扩频及背景码捕获技术
• 2.1 BPSK 直接序列扩频
• 2.1.1 BPSK 调制
• 2.1.2 香农公式及伪随机编码
• 2.1.3 直扩系统的信息发送与接收
• 2.1.4 直扩系统的抗干扰能力分析
• 2.2 直扩系统码捕获现有技术研究
• 2.2.1 背景技术
• 2.2.2 基于大规模并行相关器的搜捕方法
• 2.2.3 基于FFT 的并行相关技术
• 2.3 本章小结
• 第三章 GPS 接收机长码直捕技术算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于位同步点已知的长码捕获
• 3.2.1 捕获基本模型
• 3.2.2 本地伪码相位不确定区间
• 3.2.3 捕获策略
• 3.2.4 捕获性能分析
• 3.3 基于位同步点未知的长码捕获
• 3.3.1 频偏搜索部分分析
• 3.3.2 数据反转对谱分析的影响
• 3.3.3 峰值改善策略
• 3.3.4 仿真验证
• 3.4 高动态下的长码捕获技术
• 3.4.1 多普勒效应分析
• 3.4.2 频率分辨率分析
• 3.4.3 大动态范围长码捕获方案
• 3.5 长码捕获的前沿技术分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 GPS 接收机抗干扰算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 频域窄带干扰抑制算法
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 原理框图
• 4.2.3 加窗分析
• 4.2.4 重叠相加分析
• 4.2.5 窄带干扰滤除分析
• 4.2.6 仿真分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 GPS 中长码捕获FPGA 实现及实验验证
• 5.1 概述
• 5.2 开发工具及芯片介绍
• 5.2.1 Quartus II 集成开发环境
• 5.2.2 Modelsim 仿真软件
• 5.2.3 StratixⅡ器件
• 5.2.4 Verilog HDL 硬件描述语言
• 5.3 FPGA 验证平台
• 5.4 时域相关长码直接捕获算法FPGA 实现
• 5.4.1 信号流程与模块划分
• 5.4.2 顶层设计
• 5.4.3 子模块设计
• 5.4.4 仿真验证
• 5.4.5 编译综合报告
• 5.5 频域相关长码直接捕获算法FPGA 实现
• 5.5.1 信号流程与模块划分
• 5.5.2 顶层设计
• 5.5.3 子模块设计
• 5.5.4 仿真验证
• 5.5.5 编译综合报告
• 5.6 窄带干扰抑制算法的FPGA 实现
• 5.6.1 设计流程与模块划分
• process（上支路）模块分析'>5.6.2 ch1_process（上支路）模块分析
• 5.6.3 add （重叠相加）模块分析
• suppress_ch1（门限生成）模块'>5.6.4 jam_suppress_ch1（门限生成）模块
• 5.6.5 干扰滤除模块
• 5.6.6 编译综合报告
• 5.7 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文总结及主要贡献
• 6.2 下一步工作建议及未来研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果