基于FPGA的GPS信号捕获与跟踪算法研究

摘要

在当今这个信息化时代，小到人们平常使用的手机和汽车的导航设备，大到一个国家的军事设备，都离不开导航和定位。在导航和定位方面，全球定位系统（GPS）无疑是全球各个导航系统中表现最为出色的。全球定位系统之所以能够很好的完成导航、定位和授时等功能，离不开对信号进行准确的捕获与跟踪。而对全球定位系统信号的捕获与跟踪算法的研究除了通常的意义外还能够对我国发展与完善自己的导航系统----北斗卫星导航系统拥有很好的借鉴作用。
　　本文首先介绍了全球定位系统的发展、组成和工作原理，之后介绍了扩频通信技术以及扩频通信技术在全球定位系统中的应用。除此之外还重点分析了载波、伪随机噪声码、导航电文以及全球定位系统卫星信号的生成。在全球定位系统信号捕获方面，详细分析了捕获中的各个参数的不同选取对信号捕获的精度、速度和能力的影响，通过分析选取了符合本文捕获算法中的各个参数。本文重点分析了两种捕获算法----时域滑动相关捕获算法和频域快速捕获算法，详实的解析了两种捕获算法的优缺点和各自的应用场合，选取频域快速捕获算法作为本文的捕获算法，并针对频域快速捕获算法在现场可编程门阵列实现中快速傅里叶变换模块和快速傅里叶逆变换模块消耗资源过多的缺点，提出了利用傅里叶变换模块来实现快速傅里叶逆变换的改进，通过前后资源表的对比可以看出资源消耗有一个明显的降低。最后基于频域快速捕获算法进行了基于现场可编程门阵列的仿真，给出了捕获环节的RTL视图。在全球定位系统信号跟踪方面，分别给出了载波跟踪环路、伪码跟踪环路以及完整跟踪环路的详细框图，把完整的跟踪环路模块化并且进行详细理论分析。结合理论分析给出了基于现场可编程门阵列的载波NCO及发生器模块、伪码NCO模块、伪码发生器模块、积分器模块、载波环鉴相器模块、伪码环鉴相器模块、载波环路滤波器模块和伪码环路滤波器模块的设计，同时给出了各个模块的RTL视图。对各个模块进行优化和综合，组成了完整的跟踪环路，给出了完整跟踪环路的RTL视图。进行了基于现场可编程门阵列的全球定位系统信号的捕获与跟踪算法的仿真，仿真结果表明本文捕获与跟踪算法能够成功的恢复出导航数据信息，验证了该算法的正确性。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景、目的及意义

1.2 课题研究相关学科发展现状

1.3 论文研究主要内容及章节安排

第2章 GPS及其信号捕获与跟踪的目的

2.1 GPS以及其他导航系统的发展

2.2 GPS的组成部分及其工作原理

2.3 GPS信号捕获与跟踪的目的

2.4 本章小结

第3章 扩频通信技术及其在GPS中的应用

3.1 扩频通信技术原理

3.2 扩频码的生成及特性

3.3 GPS卫星信号的基本构成

3.4 本章小结

第4章 GPS信号捕获算法研究

4.1 GPS信号捕获算法概述

4.2 GPS信号捕获的参数分析与选取

4.3 时域滑动相关捕获算法

4.4 频域快速捕获算法

4.5 本章小结

第5章 GPS信号跟踪算法研究

5.1 锁相环原理

5.2 GPS信号跟踪算法概述

5.3 跟踪环路各个模块的设计

5.4 基于FPGA完整跟踪环路仿真

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢