基于FPGA的微弱GPS信号捕获跟踪模块设计

摘要

随着GPS导航应用的不断普及，GPS导航接收技术也在不断发展进步。传统的GPS导航接收机在信号受遮挡的地区，如室内，深山密林中或是隧道内往往会因信号衰减大功率弱而无法正常完成导航定位工作。研制在微弱GPS信号条件下也能正常导航定位的接收机势在必行。而捕获和跟踪模块是导航接收机的关键模块之一，其性能决定了接收机对信号接收定位的能力。研制弱信号导航接收机的关键便是研究微弱GPS信号捕获跟踪模块。
　　本研究主要内容包括：⑴对国内外GPS弱信号捕获跟踪技术的研究现状进行了分析。回顾了捕获跟踪技术的发展历程，比较了几种经典捕获跟踪算法的性能优劣。并对软件接收机及硬件接收机的实现优劣进行了分析。⑵运用信号处理理论对GPS信号结构、特点以及微弱GPS信号进行了分析建模。在此基础上分析了GPS导航接收机的结构，针对弱信号接收需要克服的技术问题。并进一步研究了相应的弱信号捕获跟踪算法。本文采用了改进的PMF-FFT捕获算法，并利用Matlab对算法性能进行了验证。同时跟踪模块采用了卡尔曼滤波算法，并同样在Matlab上进行了算法性能验证。⑶使用Verilog HDL在EDA工具上设计了捕获跟踪硬件模块。并对其中的一些关键电路设计，如载波NCO，码NCO，相关器，FFT单元，跟踪环鉴相器，环路滤波器等进行了详细阐述。使用仿真工具对电路系统进行了仿真，验证了设计的模块能够正常工作。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 弱信号捕获算法研究现状

1．2．2 弱信号跟踪算法研究现状

1．3 本文主要工作及结构安排

第二章 GPS信号特性与接收机结构

2．1 GPS信号分析

2．1．1 L1信号结构

2．1．2 c／a码特性

2．1．3 信道分析

2．2 微弱GPS信号分析

2．3 GPS导航接收机结构

第三章 微弱GPS信号捕获算法研究

3．1 传统捕获算法原理

3．1．1 串行搜索捕获

3．1．2 并行频率搜索捕获

3．1．3 并行码相位搜索捕获

3．2 弱信号捕获算法研究

3．2．1 相干积分

3．2．2 非相干积分

3．2．3 差分相干

3．3 基于PMF-FFT的弱信号捕获算法

3．3．1 匹配滤波器原理

3．3．2 PMF-FFT算法

第四章 微弱GPS信号捕获的FPGA设计

4．1 软硬件平台

4．1．1 FPGA简介

4．1．2 开发软件简介

4．2 捕获模块电路设计

4．2．1 乘法器设计

4．2．2 加窗电路设计

4．2．3 部分匹配滤波器设计

4．2．4 FFT设计

4．2．5 载波NCO及码NCO设计

第五章 微弱GPS信号跟踪算法研究与FPGA实现

5．1 GPS信号跟踪原理

5．2 传统GPS信号跟踪算法

5．2．1 载波跟踪环

5．2．2 码跟踪环

5．3 基于卡尔曼滤波器的弱信号跟踪算法

5．4 跟踪算法的FPGA实现

5．4．1 鉴相器模块

5．4．2 环路滤波器模块

5．4．3 载波环路

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

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致谢