基于PMF-FFT的高动态导航信号捕获设计与实现

摘要

GPS(全球定位系统)是新一代卫星导航定位系统,在民用和军事等方面有着广泛应用。而导弹、运载火箭等载体大都是工作在高动态环境,具有较大的运动速度和加速度,导航接收机所接收到的信号和本地信号之间存在较大的多普勒频偏和伪码延时,对信号的捕获提出很高的技术要求。本文主要针对高动态环境下导航信号的捕获展开讨论,具体研究内容如下:
　　本文先对GPS信号的结构特性进行分析,在研究导航信号捕获基本原理的基础上建立PMF-FFT捕获算法的数学模型。针对该算法存在的扇贝损失问题,分析和研究数据补零和加窗补偿等两种方法,有效消除扇贝损失的影响。
　　通过建立高动态环境下的导航信号数学模型,分析载波多普勒频偏及其变化率和伪码延时,研究伪码延时和载波多普勒频偏对相干输出带来的影响。在此基础上对PMF-FFT的捕获系统中各项参数做详细的分析设计,并提出高动态环境下基于改进的PMF-FFT算法的捕获方案,通过MATLAB仿真实验表明,此方案的捕获性能良好。
　　考虑FPGA芯片内部资源,提出硬件可实现的高动态捕获方案。采用自顶而下的设计方法,将整个捕获系统划分为各个子模块,并对其输入激励验证功能。采用改进的匹配滤波器结构减小芯片存储资源消耗;加入双D触发器同步电路解决跨时钟域异步问题;采用截取高位的方式对每个模块的输入输出端口做最佳精度定点量化处理,尽量做到资源优化的同时保证量化损失不影响捕获性能;通过状态机的控制将各个子模块连成一个有机整体。
　　最后搭建高动态捕获测试闭环系统。模拟多种高动态运动场景,测试结果表明,本文捕获方法适用于20g的高动态环境。

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第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 高动态导航信号捕获技术的国内外研究动态

1.3 论文的主要研究内容和结构

第二章 导航信号及捕获的基本原理

2.1 GPS导航信号

2.2 导航信号的捕获

2.3 影响扩频信号捕获的因素

2.4 软件无线电

第三章 高动态下基于PMF-FFT的导航信号捕获算法研究

3.1 高动态导航信号数学模型

3.2 高动态带来影响

3.3 PMF-FFT算法分析和改进

3.4 PMF-FFT算法性能的评价

3.5 高动态下基于PMF-FFT的P码捕获算法参数设计

3.6 高动态下基于PMF-FFT的P码捕获方案及仿真实验

3.7 本章小结

第四章 基于PMF-FFT捕获算法的FPGA实现

4.1 FPGA的设计方法

4.2 设计的主要参数和预期指标

4.3 模块划分

4.4高动态下基于PMF-FFT捕获算法的FPGA设计

4.5 最佳精度定点运算处理

4.6 本章小结

第五章 测试与验证

5.1 测试系统

5.2 高动态导航信号中多普勒频率模拟

5.3 高动态性能测试

5.4 捕获系统评价

5.5 本章小结

第六章 结束语

6.1 全文总结和主要贡献

6.2 下一步工作建议和未来工作研究重点

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果