BDS/GPS中频信号采集系统设计及捕获算法研究
发布时间：2021-01-12 21:02
近年来,随着全球卫星定位系统的应用越来越广泛,全球GNSS融合发展成为了主流趋势,伴随着我国“北斗三号”导航系统正式向全球提供基本导航服务,我国BDS距离全球组网的目标也迈出了实质性的一步,正式进入了全球时代。本课题设计的BDS/GPS中频信号采集系统基于导航接收机发展的大背景,在解决多星座兼容和互操作的卫星信号采集方面给出了一种解决方案,该课题的研究对我国卫星导航事业的发展起到了积极的推动作用。本文首先进行了卫星射频信号采集系统的软硬件设计和实现,将接收到的射频信号转换为中频信号,为后续的捕获算法提供数据。接收系统首先根据功能及技术要求,设计出了系统硬件结构,然后对硬件系统的各功能模块进行了详细设计,射频单元使用MAX2769芯片进行搭建,采用FPGA（EP4CE15F）作为系统的控制芯片,用CYUSB3014作为USB3.0通信控制单元,将射频电路采集到的数据传输到上位机,实现射频前端与PC之间的高速数据传输;系统软件模块包括通过Quartus II编写的FPGA传输和控制数据程序,在Eclipse上开发的USB固件程序,用VC++编写的上位机程序,实现中频数据的接收、传输和保存。...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
信号采集系统模型示意图
天线的增益模式表示为来自最大主瓣方向的信号灵敏度与三维空间中来自各个方向的信号平均灵敏度的比率，为了提高导航信号的接收和抗干扰能力，天线必须具有良好的增益分布，最佳的情况是全向增益，即天线增益在空间上具有一致性，不论朝向哪个方向，都可以均匀接收到卫星信号。天线的另一个重要特性为接收信号的频率和带宽，采集系统需要接收北斗和 GPS 两种信号频率波段，天线需要覆盖一定的带宽才能满足接收需要[23]。为保证能提供给射频前端良好的信号源，对采集卫星信号所需的性能参数进行综合考虑，最终选择具有SMA 接口的车载天线，中心频率为 1558 ~1580MHz， 50 的阻抗，放大器增益为为 30 ~34dB且噪声系数小于1.0，从该天线的各项参数可以看出，它能满足设计要求。（2）射频电路分析射频前端是接收机工作的基础，其性能直接影响着后续基带处理部分的性能和接收机定位精度，由于目前的微处理器并不能对卫星高频信号直接进行处理，所以接收机中需要以硬件电路形式存在的射频前端模块将信号下变频，以供接收机用软件对信号完成后续处理[24]。
而DSP 的硬件固定，主要对其进行软件的开发，考虑到运算速度和稳定性影响着捕获跟踪的时间和能力，选用FPG有更明显的优势。一种半定制电路，应用在很多逻辑电路设计中，具有高速的用集成芯片中集成度最高的一种，还支持多种接口标准，如 以连接多种外设[26]，目前已经在各行各业中得到了广泛应用发设计中必不可少的工具软件是 EDA ，有的由芯片制造 Quartus II软件、Xilinx公司的ISE软件等；有的由专业EDA、Synplify、Modelsim等。其中 Quartus II是FPGA 中使用最广成了包括软件程序调试、结果仿真、引脚配置和程序下载等程中涉及的所有工具[27]，设计者可以通过使用 Quartus II工具计，极大地方便了系统设计的过程。Modelsim是一款专门服软件，其操作简单，仿真效率高，可以完成RTL级的功能验门级的仿真，通过仿真分析，保证了电路设计的正确性，已经缺的工具[28]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]北斗接收机B1信号改进捕获算法研究[J]. 王尔申,张双阳,曲萍萍,别玉霞,庞涛,胡志明. 沈阳航空航天大学学报. 2018(02)
[2]基于某卫星通信系统的信号捕获研究[J]. 刘文华. 数字通信世界. 2018(04)
[3]GNSS星间链路自主导航技术研究进展及展望[J]. 王冬霞,辛洁,薛峰,郭睿,谢金石,陈金平. 宇航学报. 2016(11)
[4]GPS卫星捕捉及跟踪算法研究[J]. 唐光杰,张仁杰. 电子科技. 2016(10)
[5]GPS软件接收机基带信号处理算法及验证[J]. 刘瑞华,孔月明,蔚保国,邢兆栋. 航天控制. 2016(01)
[6]北斗导航接收机的硬件设计与实现[J]. 薛涛,赵伟,李荣冰,刘建业,尚斌斌. 航天控制. 2015(01)
[7]基于USB3.0协议的PC与FPGA通信系统的设计[J]. 杨翠翠,朱向东,李帆. 电子科技. 2014(10)
[8]基于FPGA和USB的GNSS中频信号采集器设计[J]. 赵琳,王野,丁继成. 遥测遥控. 2014(02)
[9]基于USB2.0的GPS中频数据采集器研制[J]. 胡辉,沈翔,纪兆云,吴超,高明华. 河南师范大学学报(自然科学版). 2012(03)
[10]GPS频域并行码捕获改进算法[J]. 赵丽,陈小惠,潘树国. 电子测量与仪器学报. 2011(11)
博士论文
[1]星载双频软件GPS接收机研究[D]. 廖炳瑜.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2005
硕士论文
[1]北斗二代导航信号捕获和跟踪算法研究与实现[D]. 胡志明.沈阳航空航天大学 2018
[2]多卫星导航系统接收机硬件平台设计与实现[D]. 刘宁.河北科技大学 2018
[3]高灵敏度北斗信号捕获算法研究[D]. 赵洁.西安电子科技大学 2017
[4]北斗导航接收机B1信号捕获算法研究及其FPGA验证[D]. 孟苑.东南大学 2016
[5]基于BD2的GNSS接收机研究与开发[D]. 陈苏湘.上海工程技术大学 2016
[6]基于USB3.0的数据采集系统设计[D]. 颜航天.华中科技大学 2016
[7]基于FPGA的GPS/BD2多模接收机实现[D]. 姚鹤立.北京交通大学 2014
[8]GPS中频数据采集器的设计及信号捕获算法研究[D]. 苏同乐.武汉理工大学 2013
本文编号：2973539
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
信号采集系统模型示意图
天线的增益模式表示为来自最大主瓣方向的信号灵敏度与三维空间中来自各个方向的信号平均灵敏度的比率，为了提高导航信号的接收和抗干扰能力，天线必须具有良好的增益分布，最佳的情况是全向增益，即天线增益在空间上具有一致性，不论朝向哪个方向，都可以均匀接收到卫星信号。天线的另一个重要特性为接收信号的频率和带宽，采集系统需要接收北斗和 GPS 两种信号频率波段，天线需要覆盖一定的带宽才能满足接收需要[23]。为保证能提供给射频前端良好的信号源，对采集卫星信号所需的性能参数进行综合考虑，最终选择具有SMA 接口的车载天线，中心频率为 1558 ~1580MHz， 50 的阻抗，放大器增益为为 30 ~34dB且噪声系数小于1.0，从该天线的各项参数可以看出，它能满足设计要求。（2）射频电路分析射频前端是接收机工作的基础，其性能直接影响着后续基带处理部分的性能和接收机定位精度，由于目前的微处理器并不能对卫星高频信号直接进行处理，所以接收机中需要以硬件电路形式存在的射频前端模块将信号下变频，以供接收机用软件对信号完成后续处理[24]。
而DSP 的硬件固定，主要对其进行软件的开发，考虑到运算速度和稳定性影响着捕获跟踪的时间和能力，选用FPG有更明显的优势。一种半定制电路，应用在很多逻辑电路设计中，具有高速的用集成芯片中集成度最高的一种，还支持多种接口标准，如 以连接多种外设[26]，目前已经在各行各业中得到了广泛应用发设计中必不可少的工具软件是 EDA ，有的由芯片制造 Quartus II软件、Xilinx公司的ISE软件等；有的由专业EDA、Synplify、Modelsim等。其中 Quartus II是FPGA 中使用最广成了包括软件程序调试、结果仿真、引脚配置和程序下载等程中涉及的所有工具[27]，设计者可以通过使用 Quartus II工具计，极大地方便了系统设计的过程。Modelsim是一款专门服软件，其操作简单，仿真效率高，可以完成RTL级的功能验门级的仿真，通过仿真分析，保证了电路设计的正确性，已经缺的工具[28]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]北斗接收机B1信号改进捕获算法研究[J]. 王尔申,张双阳,曲萍萍,别玉霞,庞涛,胡志明. 沈阳航空航天大学学报. 2018(02)
[2]基于某卫星通信系统的信号捕获研究[J]. 刘文华. 数字通信世界. 2018(04)
[3]GNSS星间链路自主导航技术研究进展及展望[J]. 王冬霞,辛洁,薛峰,郭睿,谢金石,陈金平. 宇航学报. 2016(11)
[4]GPS卫星捕捉及跟踪算法研究[J]. 唐光杰,张仁杰. 电子科技. 2016(10)
[5]GPS软件接收机基带信号处理算法及验证[J]. 刘瑞华,孔月明,蔚保国,邢兆栋. 航天控制. 2016(01)
[6]北斗导航接收机的硬件设计与实现[J]. 薛涛,赵伟,李荣冰,刘建业,尚斌斌. 航天控制. 2015(01)
[7]基于USB3.0协议的PC与FPGA通信系统的设计[J]. 杨翠翠,朱向东,李帆. 电子科技. 2014(10)
[8]基于FPGA和USB的GNSS中频信号采集器设计[J]. 赵琳,王野,丁继成. 遥测遥控. 2014(02)
[9]基于USB2.0的GPS中频数据采集器研制[J]. 胡辉,沈翔,纪兆云,吴超,高明华. 河南师范大学学报(自然科学版). 2012(03)
[10]GPS频域并行码捕获改进算法[J]. 赵丽,陈小惠,潘树国. 电子测量与仪器学报. 2011(11)
博士论文
[1]星载双频软件GPS接收机研究[D]. 廖炳瑜.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2005
硕士论文
[1]北斗二代导航信号捕获和跟踪算法研究与实现[D]. 胡志明.沈阳航空航天大学 2018
[2]多卫星导航系统接收机硬件平台设计与实现[D]. 刘宁.河北科技大学 2018
[3]高灵敏度北斗信号捕获算法研究[D]. 赵洁.西安电子科技大学 2017
[4]北斗导航接收机B1信号捕获算法研究及其FPGA验证[D]. 孟苑.东南大学 2016
[5]基于BD2的GNSS接收机研究与开发[D]. 陈苏湘.上海工程技术大学 2016
[6]基于USB3.0的数据采集系统设计[D]. 颜航天.华中科技大学 2016
[7]基于FPGA的GPS/BD2多模接收机实现[D]. 姚鹤立.北京交通大学 2014
[8]GPS中频数据采集器的设计及信号捕获算法研究[D]. 苏同乐.武汉理工大学 2013
本文编号：2973539
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