GPS卫星接收机载波跟踪技术研究与实现

摘要

GPS卫星导航系统是一种真正的全天候、全球、实时、连续的高精度空基导航系统，它能给用户实时提供精密的三维位置坐标，三维速度和时间等信息，应用范围广泛。它在军事上为武器平台、部队、单兵提供高精度的时间信息和导航定位服务，在民用应用中是海洋救援、车辆导航的重要组成部分。 本文以电子科技大学电子科学研究院的GPS卫星接收机研发为应用背景，主要工作集中在GPS卫星接收机载波跟踪设计方面。载波跟踪技术是直接序列扩频卫星系统的关键技术，亦即载波的精确同步，跟踪性能的好坏直接关系到接收机对目标的测速的精度，通讯性能的优劣。因此研究GPS卫星接收机载波跟踪技术具有重要的意义。对于低动态目标通常意义下的载波同步设计可以采用大量现有技术。解扩后利用科斯塔斯环实现载波同步，已经完全能解决同步需求。但对于高动态目标基于锁相环结构的跟踪环路会存在所谓的“Hang-up”现象，从而增加跟踪时间，本文从这个问题出发，在设计中采用了一种锁频环辅助锁相环的设计方案，并对假锁现象以及数字环路的误差进行了相关的处理，分析和仿真表明，该方案满足信噪比和多普勒动态要求。 本文研究了开环结构的载波频率估计算法，分析了基于FFT幅度比值的频率插值的频域估计算法和基于相关函数的单频信号的时域估计算法。结合这两类算法提出了一种新的时频联合的频率估计算法，利用频域算法进行初估，然后用时域算法进行修正，较好的结合了频域算法的估计范围大和时域算法估计精度高的优点，并通过计算机仿真验证其优良的性能。此外算法具有较好的硬件可实现性。本文从工程实现的角度，研究并实现了合适的载波跟踪方法。阐述了GPS接收机样机载波跟踪的研制工作，详细描述了载波跟踪FPGA部分的实现。本文针对不同环境下的卫星，着力解决低信噪比和动态下的载波跟踪问题，分析各种跟踪机制的适用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1论文研究背景及意义

1.2载波同步问题研究现状

1.2.1开环估计方法

1.2.2闭环估计方法

1.3论文内容及结构安排

第二章载波同步基本原理及开环估计算法

2.1载波同步中的基本原理

2.1.1最大似然估计

2.1.2最大似然载波相位估计

2.1.3最大似然载波频率估计和初始相位估计

2.2基于ML的简化算法

2.2.1仿真分析

2.3基于FFT的频率比值法频率估计算法

2.3.1 Rife算法原理

2.3.2高斯白噪声下的频率估计误差

2.3.3仿真分析

2.4频差估计的改进算法

2.4.1算法模型

2.4.2算法分析

2.4.3判别门限

2.4.4仿真分析

2.5本章小结

第三章基于锁相环的闭环载波跟踪设计

3.1典型数字接收原理概述

3.2设计要求与性能指标

3.2.1典型GPS卫星通信系统链路分析

3.2.2采样与数字下变频

3.2.3载波同步行为分析

3.2.4跟踪设计指标要求

3.3载波跟踪环路的技术

3.3.1环路类型

3.3.2环路参数计算

3.3.3鉴相函数分析

3.3.4跳周与假锁

3.3.5数字环路的更新误差

3.3.6载波跟踪性能仿真

3.4本章小结

第四章卫星载波跟踪技术FPGA实现

4.1开发工具简介

4.2 Altera Stratix Ⅱ芯片介绍

4.3闭环载波跟踪环路信号流程以及模块划分

4.3.1.顶层设计

4.3.2子模块设计

4.3.3编译综合报告

4.3.4闭环载波跟踪硬件仿真结果

4.4开环载波跟踪环路信号流程以及模块划分

4.4.1顶层设计

4.4.2子模块设计

4.4.3编译综合报告

4.4.4开环载波跟踪硬件仿真结果

4.5 FPGA验证平台

4.6本章小节

第五章结论

5.1全文总结及主要贡献

5.2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