GNSS接收机P码快速捕获通道的设计与仿真

发布时间：2017-06-28 08:06

  本文关键词：GNSS接收机P码快速捕获通道的设计与仿真，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：卫星导航已在各行各业有着广泛的应该.目前在轨运行的GNSS(Global Navigation Satellite System)主要有美国的GPS、中国的BDS II和俄罗斯的GLONASS,其中GPS、BDS II属于码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)系统,而GLONASS属于频分多址FDMA(Frequence Division Multiple Access)系统。码分多址系统通过使用长周期伪随机码可以提高定位精度,增加噪声容限,因此GPS与BDS II都设计有长周期码P码导航信号。尽管P码有天然的优势,然而因为其周期过长导致捕获难度大、捕获时间长。另外由于P码多用于航空、航天、军事领域,而这些领域的应用都要求P码接收机能在高动态下尽可能快速地捕获信号,而高动态会进一步增加捕获时间和难度。因此P码接收机对快速捕获算法的要求很高。本文主要研究P码在高动态下的快速捕获通道的设计。首先介绍信号的数学模型、P码特性和结构、多普勒效应以及相干积分和非相干积分捕获信号的原理。其次提出基于FFT循环相关的算法和分段匹配滤波器结合FFT的算法,分别分析其原理和特性,通过对比选择第二种算法。随后介绍捕获的相干时间和相干增益的关系,分析高动态对相干时间的影响以及对FFT鉴频的影响,提出一种改善滤波器频率响应范围的策略即增加多路并行频率补偿通道,另外也提出一种改善通道频率分辨率的方法即增加一路长时匹配滤波器,并完成该设计的仿真。最后编写VHDL代码实现P码生成模块和匹配滤波器模块,其中匹配滤波器采用折叠方法实现以节省资源,使用Matlab和ModelSim进行联合仿真以验证结果。通过分析高动态对P码捕获的影响指导算法设计,数字仿真则能进行设计验证,而VHDL代码实现则可提高算法的实用价值。尽管本文没有进行实际的硬件调试,然而理论分析、数字仿真和代码验证却是硬件实现的基础,能够起到推动P码接收机发展的作用。
【关键词】：P码 高动态 捕获算法 匹配滤波器 联合仿真
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN965.5
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 英语缩略语表7-10
• 1 绪论10-14
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 研究内容及结构12-14
• 2 GNSS原理及信号捕获14-26
• 2.1 GNSS原理简述14-15
• 2.2 GNSS信号模型15-16
• 2.3 伪随机码的性质和生成原理16-19
• 2.3.1 伪随机码的相关特性16-17
• 2.3.2 伪随机码生成17-19
• 2.4 多普勒效应19-21
• 2.5 信号捕获原理21-25
• 2.5.1 接收机结构和功能划分21-22
• 2.5.2 捕获模块结构22
• 2.5.3 载波剥离22-23
• 2.5.4 伪码剥离23-25
• 2.6 本章小结25-26
• 3 两种快速捕获算法26-37
• 3.1 FFT循环相关算法26-29
• 3.1.1 并行码相位搜索27
• 3.1.2 循环移位搜索频率27-28
• 3.1.3 FFT循环移位的仿真28-29
• 3.2 PMF-FFT算法29-35
• 3.2.1 数字匹配滤波器29-30
• 3.2.2 匹配滤波器结合FFT进行鉴频30-32
• 3.2.3 PMF+FFT输出的幅频特性32-35
• 3.3 两种算法比较35-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 高动态信号的PMF-FFT捕获通道设计37-54
• 4.1 PMF-FFT算法捕获模块的结构37-38
• 4.2 匹配长度的选取38-39
• 4.2.1 DMF的相干增益38
• 4.2.2 SNR与PMF的长度设计38-39
• 4.3 高动态下信号模型的修正39-41
• 4.4 高动态对相干增益的影响41-45
• 4.4.1 1ms内动态对相干增益的影响41-42
• 4.4.2 10ms内动态对相干增益的影响42-44
• 4.4.3 分段情况下 10ms相干时间的相干增益损失44-45
• 4.5 高动态对FFT鉴频的影响45-48
• 4.5.1 1ms内动态对鉴频的影响45-46
• 4.5.2 10ms内动态对鉴频的影响46-48
• 4.6 捕获通道设计48-53
• 4.6.1 多通道频率补偿短时PMF48-49
• 4.6.2 多通道频率补偿PMF-FFT设计仿真49-51
• 4.6.3 单通道长时PMF51-52
• 4.6.4 单通道长时PMF的仿真52-53
• 4.6.5 捕获通道性能估算53
• 4.7 本章小结53-54
• 5 匹配滤波器的FPGA代码实现与仿真54-69
• 5.1 软件简介54-55
• 5.2 本地P码生成模块55-60
• 5.2.1 软件拼接法56-57
• 5.2.2 硬件移位法57-58
• 5.2.3 P码生成的联合仿真58-60
• 5.3 DMF模块60-68
• 5.3.1 DMF的实现方案60
• 5.3.2 折叠匹配滤波器的原理60-62
• 5.3.3 折叠匹配滤波器的设计实现62-66
• 5.3.4 折叠匹配滤波器底层元件的仿真66-68
• 5.4 小结68-69
• 6 总结与展望69-70
• 6.1 总结69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-72
• 致谢72-73
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文73-75

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