高灵敏度导航信号快速捕获算法IP核的研究与实现

摘要

随着卫星导航服务的扩展和人们在定位服务方面需求的提升，如何在弱信号场景下实现导航卫星信号捕获，近年来成为越发重要的课题。本设计对导航卫星信号弱信号快速捕获算法的硬件实现进行研究，并基于FPGA平台实现了一个实用的GPS弱信号快速捕获 IP核，对于导航卫星信号捕获技术的研究具有一定意义。　　首先，本文介绍了GPS卫星信号的组成及其特点，并对C/A码的结构、产生以及特性进行介绍。通过研究GPS信号时域捕获和频域捕获各自的特点，指出时域捕获不适合本课题研究内容的实现。针对弱信号捕获的问题，本文介绍了相干累积、非相干累积和差分相干累积三种基本的累积方法，说明了由于导航数据位反转和平方损失的存在，接收机需要将以上三种方法按照一定策略联合使用。经过分析认为半比特法最适合进行硬件实现。　　其次，本文从设计实现的IP核结构和平台等方面对 IP核硬件实现进行了介绍，详细分析了信号处理过程中的算法详细分析，文中对整个IP核分块进行了详细介绍，并从硬件资源和系统可靠性等角度对各模块的不同的硬件实现手段进行了比对。通过硬件测试证实，本设计所实现的IP核的灵敏度可以达到-146dBm，系统的冷启动单星搜索时间为50.4ms。　　最后，在本课题的研究中还针对不同的需求研制了相应的改进型IP核。为满足对灵敏度要求较高的应用场合，本课题应用了一种新的累积策略，即全比特差分累积法。基于该算法实现的灵敏度增强型IP核占用了更多的资源，但经过硬件实验证明，其可以捕获-148dBm的GPS信号。同时，本设计中还提出了一种速度增强型IP核，以满足对捕获速度有特殊需求的应用场合。速度增强型IP核通过采用前累积策略和组合式的频域搜索模式，极大地提高了捕获IP核在频域上的搜索速度。但由于其结构较为复杂，其弱信号捕获能力受到了一定的限制。

目录

高灵敏度导航信号快速捕获算法IP核的研究与实现

RESEARCH AND IMPLEMENTATION ON RAPID ACQUISITION ALGORITHM IP CORE OF HIGH-SENSITIVITY NAVIGATION SIGNAL

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 论文研究内容及组成结构

第2章 GPS弱信号捕获的理论基础

2.1 GPS卫星信号介绍

2.2 C/A码结构与特性

2.3 GPS信号捕获原理

2.3.1 时域捕获原理

2.3.2 频域捕获原理

2.4 弱信号捕获基本原理

2.4.1 相干累积

2.4.2 非相干累积

2.4.3 差分相干累积

2.4.4 半比特法

2.4 本章小结

第3章 高灵敏度GPS信号快速捕获IP核的实现

3.1 IP核总体结构

3.2 预处理部分的实现

3.2.1 载波剥离部分

3.2.2 变采样部分

3.2.3 本地C/A码的产生

3.2.4 相互据交互模块

3.2.5 预处理模块的测试

3.3 相关器部分的实现

3.4 累积结构的实现

3.5 判决模块的实现

3.6 中央控制状态机的实现

3.6.1 接口设置

3.6.2 状态跳转设计

3.6.3 搜索管理

3.6.4 捕获判决策略

3.7 跨时钟域设计

3.8 看门狗设计

3.9 硬件平台的设计

3.9.1 射频模块

3.9.2 系统时钟

3.9.3 基带平台

3.10 系统测试

3.10.1 IP核灵敏度测试

3.10.2 冷启动时间测试

3.10.3 与上位机联调实验

3.10.4 卫星信号接收实验

3.11 本章小结

第4章 改进型IP核的设计

4.1 灵敏度改进型IP核的设计

4.1.1 全比特差分累积

4.1.2 灵敏度增强型IP的实现

4.1.3 灵敏度增强型IP的测试

4.2 速度增强型IP核

4.2.1 前向累积策略

4.2.2频域搜索策略的改进

4.2.3速度加强型IP核的实现

4.2.4速度加强型IP核的测试

4.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢