高动态导航接收机P码捕获及载波跟踪技术研究

论文摘要

扩频通信是建立在Claude E.Shannon的信息论基础之上,与常规的通信技术相比,具有低截获率,强抗噪声、抗干扰性,信息隐蔽和多址通信等特点,现已在各个通信领域得到了广泛的应用。在卫星导航定位通信领域中,一般所用的扩频通信方式为直序列扩频通信。本文将进行研究的是在高动态条件下,直序列扩频信号的P码捕获,以及载波跟踪技术。由于高动态的存在,卫星与接收机之间的高速相对运动产生的多普勒频移会引起相关能量的损失,导致相关峰急剧下降,降低扩频码的捕获性能。传统的方法是在整个码相位和频率域上进行二维搜索,致使需要检测的不确定空间和捕获时间成倍增加;而将时域、频域二维串行扫描变成并行扫描的方法虽减少了捕获时间,但是以提高硬件的复杂度为代价;本文所要研究的是P码的捕获,由于周期很长(7天),因此提出了一种基于存储的载波频偏搜索FFT长码捕获实现方法。这种捕获方法在搜索P码相位的同时,可以得到载波多普勒频移值。当完成P码的捕获以后,捕获模块将锁定相位,同时会送出一个相位误差和一个多普勒频移到载波跟踪模块,启动载波跟踪和码跟踪。尽管在P码捕获的时候已经对多普勒频移进行了很大压缩,但如果用普通的锁相环对载波进行跟踪仍十分困难。在本部分,首先分析了目前高动态接收机中普遍采用的几种载波跟踪算法,并对算法的性能进行了分析比较,提出采用AFC(自动频率跟踪)与Costas相结合的跟踪算法,使用载体动态的载波跟踪策略,即初始跟踪采用动态能力强的AFC消除动态,稳态跟踪采用热噪声误差小的Costas环提高载波相位的基本方案,使得跟踪环能够同时满足动态性能与跟踪精度的要求,而环路参数的可编程设置以及动态变化时的软切换方式保证了跟踪的灵活性与稳定性。为了减小AFC和costas同时工作给载波跟踪环路带来的相位残差,在costas环路滤波器前增加了相位旋转,这样可以使costas环只在一定的带宽范围内工作,从而使载波跟踪环既能满足高动态环境下的带宽要求,又能达到低信噪比下的精确稳定跟踪。本文的P码捕获和载波跟踪都以Veriog HDL进行了代码编写,并在FPGA得以了实现和验证。本文的研究成果不但可以适用于高动态的卫星导航接收机,对普通的导航定位接收机仍然适用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文研究的目的和意义
• 1.3 论文内容及结构安排
• 第二章 直序列扩频技术基本原理及结构
• 2.1 扩频通信基本原理
• 2.2 直序列扩频技术原理
• 2.3 扩频通信中的基本参数
• 2.4 扩频技术的特点
• 2.4.1 扩频技术的抗干扰性
• 2.4.2 窄带干扰
• 2.4.3 宽带干扰
• 2.4.4 扩频技术的保密性
• 2.4.5 扩频技术的低截获率
• 2.5 扩频系统伪随机序列
• 2.5.1 伪随机序列性质
• 2.5.2 P 码简介
• 2.6 本章小结
• 第三章 高动态接收机P 码捕获技术
• 3.1 引言
• 3.2 几种常见的P 码直捕获方法
• 3.2.1 XFAST 长码直捕方法
• 3.2.2 CCPAZP-FFT 长码直捕方法
• 3.3 基于存储的载波频偏搜索FFT 长码捕获方法
• 3.3.1 P 码捕获模型
• 3.3.2 部分相关长度P 和FFT 点数K 的选取
• 3.3.3 虚警概率
• 3.3.4 捕获检测
• 3.3.5 检测概率
• 3.3.6 高动态下的多普勒效应对P 码捕获的影响
• 3.4 算法的改进措施
• 3.4.1 FFT 补零法对扇贝损失的改善
• 3.4.2 大动态范围P 码捕获解决方案
• 3.4.3 非相干累加对信噪比的提高
• 3.4.4 捕获时间改善
• 3.5 本章小结
• 第四章 高动态扩频信号载波跟踪技术
• 4.1 引言
• 4.2 高动态环境下的载波相位估计方法
• 4.2.1 最大似然估计算法（MLE）
• 4.2.2 扩展卡尔曼滤波算法（EKF）
• 4.2.3 叉积频率自动频率跟踪算法（CPAFC）
• 4.2.4 几种算法的性能分析
• 4.3 高动态载波跟踪设计
• 4.3.1 数字下变频
• 4.3.2 相位旋转辅助Costas 环设计
• 4.3.3 环路滤波器设计
• 4.3.4 锁频跟踪环测量误差分析
• 4.3.5 锁频环路滤波器带宽的选择
• 4.3.6 锁相跟踪环测量误差分析
• 4.4 码环的载波辅助技术
• 4.5 本章小结
• 第五章 FPGA 算法实现及验证
• 5.1 引言
• 5.2 开发工具简介
• 5.2.1 Quartus II 软件综述
• 5.2.2 ModelSim 简介
• 5.2.3 Verilog 硬件描述语言
• 5.3 Altera StratixⅡ芯片介绍
• 5.4 P 码捕获算法FPGA 实现
• 5.5 扩频信号载波跟踪FPGA 实现
• 5.6 FPGA 逻辑验证
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间的研究成果