高动态GPS卫星信号模拟器软件研究

发布时间：2017-08-11 22:33

  本文关键词：高动态GPS卫星信号模拟器软件研究

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【摘要】：GPS卫星信号模拟器是一种可以产生高精度标准GPS卫星导航模拟信号的仿真信号源,本文以GPS卫星信号模拟器软件的开发为背景,着重对软件需求及开发过程中涉及的关键问题进行了研究。论文针对美国研制的GPS卫星导航系统,研究与之对应的GPS卫星信号导航模拟器软件。根据GPS典型信号特征及典型GPS卫星信号模拟器应用需求,在GPS信号模拟器基础上,依据软件工程中对软件需求的分析方法及设计模式典型思路进行上位机软件架构设计,提出了将一次模拟仿真过程视为一个“工程”的设计思路,实现了对模拟器软件仿真数据的回溯及开发机制。针对GPS系统特点,根据模拟器对伪随机码性能的要求设计了基于FPGA与DSP的嵌入式软件模块,基于TI公司6000系列DSP芯片与Altera公司的Cyclone III系列FPGA提出并设计了基于DDS的码NCO数字逻辑与控制逻辑,完成了部分软件的编码实现,验证了软件需求的正确性和软件设计的合理性。利用正圆形锥投影法,对卫星信号模拟器最常使用的坐标系问题,进行算法研究,建立了空间坐标到投影坐标的转换模型,验证了地心地固坐标系到经纬度坐标系在模拟器软件中使用的正确性。针对GPS使用的时间系统进行研究,建立了UTC时间到GPS时间的转换模型。论文提出了GPS卫星信号模拟器软件中重要的误差模型,并依据模拟器的信号特点研究了这些模型的适用范围和使用方法。依据多普勒频偏定义,提出采用含有加速度、加加速度的径向变速运动轨迹模型,对多普勒频偏对动态卫星信号的影响进行推算,得出基于该运动轨迹模型的射频信号及中频信号模型,完成了利用距离差计算相位差从而实现了高动态模拟,使用该模型进行高动态仿真运算,基于32bit处理器,理论上能够实现动态数字频率控制步进达到1/322精度。
【关键词】：GPS卫星导航系统 信号模拟器 卫星信号误差分析 高动态模拟
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P228.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 GPS技术简述11-14
• 1.1.1 GPS系统组成11-13
• 1.1.2 GPS工作原理13-14
• 1.2 GPS现代化进程14-16
• 1.2.1 GPSII计划15
• 1.2.2 GPSIII计划15-16
• 1.3 AGPS技术简述16
• 1.4 国内外卫星信号模拟器的现状及发展趋势16-18
• 1.5 GPS卫星信号模拟器应用及研究意义18-19
• 1.6 论文主要研究内容19-21
• 第二章 GPS卫星信号模拟器原理21-28
• 2.1 GPS卫星信号模拟器系统架构21-22
• 2.2 GPS卫星信号特征22-23
• 2.3 GPS卫星信号模拟器的数字中频信号处理23-24
• 2.4 GPS卫星信号模拟器载波NCO及码NCO24-26
• 2.4.1 基于DDS的NCO设计方法25-26
• 2.4.2 码NCO功能26
• 2.4.3 载波NCO功能26
• 2.5 GPS导航电文内容26
• 2.6 GPS导航电文帧结构26-27
• 2.7 本章小结27-28
• 第三章 时间系统及空间坐标系统模型分析28-38
• 3.1 GPS卫星信号模拟器常用空间坐标系统定义28-30
• 3.1.1 地心惯性坐标系(ECI)28-29
• 3.1.2 地心地固坐标系(ECEF)29
• 3.1.3 世界测地坐标系(WGS-84)29
• 3.1.4 ECEF坐标系到用户设备测地坐标系的变换29-30
• 3.1.5 用户设备测地坐标系到ECEF坐标系的变换30
• 3.2 GPS卫星信号模拟器常用时间系统定义30-35
• 3.2.1 天球世界时31-32
• 3.2.2 原子时32-34
• 3.2.3 模拟器本地时间34-35
• 3.3 时间系统历元35-36
• 3.4 时间系统换算36-37
• 3.4.1 UTC时间到GPS时间换算36
• 3.4.2 GPS时间到UTC时间换算36-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 星基导航系统误差模型分析38-47
• 4.1 卫星时钟误差38-39
• 4.2 卫星星历误差39
• 4.3 相对论误差39-40
• 4.4 大气层误差40-45
• 4.5 载波多径误差45-46
• 4.6 本章小结46-47
• 第五章 多普勒频偏模拟算法模型分析47-53
• 5.1 用户运动轨迹47
• 5.2 多普勒频偏模拟算法原理47-50
• 5.2.1 基于用户运动轨迹的高动态卫星射频信号47-49
• 5.2.2 基于用户运动轨迹的数字中频信号49-50
• 5.3 高动态模拟设计50-52
• 5.3.1 利用距离差实现相位差的算法50-51
• 5.3.2 码数控振荡器设计51-52
• 5.4 本章小结52-53
• 第六章 GPS卫星信号模拟器软件设计实现53-86
• 6.1 上位机软件设计53-61
• 6.1.1 软件运行环境53
• 6.1.2 外部物理接口53
• 6.1.3 软件功能设计53-55
• 6.1.4 软件总体结构55
• 6.1.5 软件流程图55-56
• 6.1.6 软件模块设计56-61
• 6.2 嵌入式底层软件61-67
• 6.2.1 硬件芯片选型61-62
• 6.2.2 总体功能结构62
• 6.2.3 FPGA功能设计62-65
• 6.2.4 DSP功能设计65-67
• 6.3 软件开发环境67
• 6.4 算法模型实现67-78
• 6.4.1 坐标系统模型实现67-71
• 6.4.2 大气层误差模型实现71-73
• 6.4.3 相对论误差模型实现73-76
• 6.4.4 运动状态算法实现76-78
• 6.5 上位机软件实现78-85
• 6.5.1 模拟器软件主界面79
• 6.5.2 仿真时间定义界面79-80
• 6.5.3 星历源选择界面80
• 6.5.4 运动类型定义界面80-81
• 6.5.5 运动剧情定义界面81-83
• 6.5.6 环境因素定义界面83-85
• 6.6 本章小结85-86
• 第七章 卫星信号模拟器软件仿真验证86-94
• 7.1 静止比对测试86-90
• 7.1.1 真实卫星信号定位结果86-88
• 7.1.2 模拟卫星信号定位结果88-90
• 7.1.3 比对结果90
• 7.2 动态测试90-93
• 7.2.1 匀加速运动91-92
• 7.2.2 高动态运动92-93
• 7.3 本章小结93-94
• 第八章 总结94-96
• 8.1 本文的主要贡献94-95
• 8.2 下一步工作展望95-96
• 致谢96-97
• 参考文献97-99
• 硕士期间取得的研究成果99-100

【参考文献】

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1 万丽景;GPS系统建模与仿真技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

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本文编号：658549