GNSS-R海洋反射接收机信号跟踪模块设计

摘要

GNSS-R技术是一种新兴的遥感探测技术,主要是依靠全球导航系统(GNSS)的卫星提供信号源,通过在机载或者星载平台上安装GNSS-R接收机来接收直接从卫星传播的信号和从海洋反射的卫星信号,然后对两路信号分别进行不同的处理,以实现对海洋环境中的各种地球物理参数的探测和反演。与传统的遥感手段相比,该技术具有时空分辨率高、无需单独的发射机、信号源丰富、接收机简单轻便、实时性强等优势。本文结合实际的研究项目,给出了基于DSP+FPGA架构的GNSS-R海洋反射接收机的信号跟踪模块的设计方案。
　　 本文首先介绍GNSS-R技术的研究发展现状,并以GPS系统为例对GNSS中各个系统的信号特点进行分析。对本文实现的硬件和软件相结合的GNSS-R海洋反射接收机而言,整个系统包括直射通道和反射通道。直射通道通过右旋圆极化天线接收来自卫星的直射信号,完成捕获、跟踪、电文获取；反射通道通过左旋圆极化天线接收海洋表面的反射信号,作相关处理后得到不同码相位延迟的功率曲线。对于直射通道,本文在国内外已有研究成果的基础上,综合接收机高动态的应用环境和处理性能要求,提出了利用延时伪码锁定环结合载波辅助技术进行伪码跟踪的方案。之后,讨论了基于锁频环和锁相环相结合的载波跟踪方案,并在Matlab中对系统的跟踪方案完成了软件仿真,在仿真验证了方案的跟踪性能之后使用FPGA实现了接收机的跟踪模块。对于反射通道,本文提出了综合伪码相位延迟和载波频率移动的跟踪方案,并在解频解扩之后进行相应的累积和计算,根据计算的结果能够完成不同的功率曲线。设计的跟踪模块最终能够向上位机输出直射和反射两个通道的跟踪结果,同时,设计方案能够实现多系统多通道的并行运算,并提出了与接收机其他模块进行通信的具体实现方法。

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表目录

第1章 绪论

1.1 GNSS-R海洋反射接收机的研究目的与意义

1.2 国内外对GNSS-R接收机的研究状况

1.3 论文及研究项目的主要工作和进度安排

第2章 GNSS-R接收机原理

2.1 GNSS系统

2.1.1 美国GPS系统

2.1.2 俄罗斯GLONASS系统

2.1.3 欧盟Galileo系统

2.1.4 中国Compass(北斗)系统

2.2 GPS系统信号处理原理

2.2.1 GPS系统信号结构

2.2.2 接收机对GPS卫星信号的处理

2.3 GNSS-R海洋遥感基础理论

2.3.1 GNSS-R接收机对海洋风场的探测

2.3.2 GNSS-R接收机对海面高度的探测

第3章 直射通道信号跟踪模块设计及实现

3.1 码跟踪环

3.1.1 本地伪码发生器

3.1.2 载波剥离和码剥离

3.1.3 积分清除

3.1.4 码环鉴别器

3.1.5 码环滤波器算法

3.1.6 载波辅助

3.2 载波跟踪环

3.2.1 载波NCO

3.2.2 载波跟踪锁频环

3.2.3 载波跟踪锁相环

3.3 多普勒频率计算

3.4 直射通道跟踪环路的性能仿真

第4章 反射通道信号跟踪模块设计及实现

4.1 反射通道信号跟踪模块设计

4.2 反射通道信号跟踪模块的实现

第5章 模块的通信方案设计及多系统多通道设计

5.1 跟踪模块的通信方案设计

5.2 跟踪模块的多通道设计

5.3 跟踪模块的多系统设计

第6章 系统测试结果

6.1 直射通道的测试结果

6.1.1 码跟踪环和载波跟踪环的模块测试结果

6.1.2 直射通道的集成测试结果

6.2 反射通道的测试结果

第7章 结论

7.1 本论文的成果和贡献

7.2 未来的改进

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢