高动态环境下GPS信号跟踪算法研究及基带IP核设计

摘要

GPS定位系统现已成为生活服务、国家安全和军事建设不可缺少的一部分。随着GPS技术不断地发展，人们对GPS接收机的性能要求不断地提高，提供高精确和稳定的导航定位服务是GPS系统研究迫切解决的问题。高动态环境作为GPS系统在军事中应用的一种常见场景，在GPS接收机运行过程中会造成较大的多普勒频率，这将导致GPS接收机容易失锁，无法稳定地跟踪。本文对高动态GPS跟踪算法进行研究和改进，并硬件实现GPS基带处理器，对GPS技术应用发展有重要的意义。
　　本文重点对适用于高动态环境的GPS跟踪技术进行研究。研究GPS信号的基本结构，并设计一个高动态GPS中频信号源，可以模拟出典型的高动态信号模型；分析传统的GPS跟踪环路原理，包括载波跟踪环和伪码跟踪环。分析在高动态环境下动态应力对传统跟踪环的影响，在此基础上提出一种基于最大似然估计的高动态GPS跟踪算法，该算法可以在高动态环境下稳定地跟踪，同时采用两步逼近方法和插值法减少算法的运算量和提高跟踪精度。最后在Xilinx平台上利用Verilog语言设计了GPS基带处理器，实现对GPS中频信号的捕获和跟踪，并输出GPS信号中的导航电文信息，捕获模块和跟踪模块都采用相关器来实现，可减少硬件设计资源。每个跟踪通道都采用相同的环路结构设计，采用Xilinx平台中的CORDIC算法(IP核)来统一实现载波鉴别器和伪码鉴别器，环路滤波器则采用二阶数字滤波器滤除误差信号中的噪声。FPGA时序仿真验证表明，本文设计的GPS基带IP核能实现对GPS信号的捕获和跟踪，有较强的实用性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容及章节安排

第二章 GPS卫星信号与高动态GPS中频信号源研究

2.1 GPS卫星信号结构与特性

2.2 高动态GPS中频信号源仿真实现

2.3 GPS接收机结构

2.4 本章小结

第三章 GPS信号跟踪算法研究

3.1 锁相环的基本原理

3.2 载波跟踪环

3.3 伪码跟踪环

3.4 GPS信号跟踪环

3.5 本章小结

第四章 高动态GPS接收机跟踪方案设计

4.1 传统锁相环对动态应力的局限性

4.2 最大似然估计算法（MLE）

4.3 基于最大似然估计的高动态跟踪环

4.4 基于两步逼近方法和插值法的最大似然估计方法

4.4 仿真结果分析

4.5 本章小结

第五章 基于FPGA的GPS基带IP核的研究与实现

5.1 FPGA开发环境

5.2 GPS基带处理器系统设计架构

5.3 中频数据输入模块

5.3 相关器各模块设计

5.4 峰值检测模块

5.4 系统综合仿真

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

硕士期间发表的学术论文

致谢