基于FPGA的GNSS信号快速捕获算法的研究与实现

发布时间：2017-09-14 20:32

  本文关键词：基于FPGA的GNSS信号快速捕获算法的研究与实现

  更多相关文章： GNSS 捕获算法 伪随机码 多普勒频移 PMF+FFT

【摘要】：随着全球导航卫星系统GNSS在航天、铁路监控、海洋救援、环境和灾害的监测、导弹制导和民航等领域的广泛应用,我国的北斗系统、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO和美国GPS都在加快导航技术的研究与发展。导航定位的实时性和精度主要依赖GNSS信号捕获算法与跟踪算法的优劣,其中在对信号进行跟踪之前首先要对卫星信号中存在的伪随机码相位和载波多普勒频移进行估计,这个估计的过程就是捕获,因此捕获算法是整个导航系统的关键技术。为了实现GNSS信号的快速捕获,减少捕获时间,本文主要是针对捕获算法进行研究,最终在FPGA上实现对数字中频信号的快速捕获。在研究的过程中,介绍了GNSS信号捕获算法的原理,对传统的捕获算法进行了分析介绍,比较各自的优缺点,并对算法进行改进,设计了一种基于并行码相位的PMF+FFT捕获算法,使其一次对多个码相位进行并行搜索,从而提高捕获效率。对GNSS接收机中捕获模块进行FPGA设计,采用基于并行码相位的PMF+FFT算法来实现捕获模块,不仅提高了捕获速率,还降低了FPGA硬件资源的使用率,在工程实现中具备较高的经济性和可行性。基于模块化思想,将捕获模块划分若干功能子模块,分别对各功能子模块进行实现。采用Cadence公司的仿真工具IUS对捕获模块的功能以及性能进行仿真分析,能够实现对GNSS信号伪码相位的捕获以及多普勒频移的估计,并降低捕获时间,验证结果证明了捕获算法的可行性和正确性。采用Synopsys公司的静态时序分析工具primetime对设计进行静态时序分析,时序分析结果表明捕获模块时序设计的完整性和正确性。
【关键词】：GNSS 捕获算法 伪随机码 多普勒频移 PMF+FFT
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN967.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 课题相关技术与发展现状10-12
• 1.2.1 GNSS接收机10
• 1.2.2 伪随机码捕获算法现状10-11
• 1.2.3 嵌入式处理器技术11-12
• 1.3 研究内容及论文结构12-14
• 1.3.1 研究内容12-13
• 1.3.2 论文结构13-14
• 1.4 本章小结14-15
• 第2章 扩频通信与北斗导航系统15-27
• 2.1 扩频通信概述15-18
• 2.1.1 扩频通信的基本理论15
• 2.1.2 扩频通信的技术特点15-16
• 2.1.3 多普勒效应16-18
• 2.2 北斗导航系统概述18-25
• 2.2.1 北斗导航信号结构18-19
• 2.2.2 伪随机码及相关性19-24
• 2.2.3 导航电文24-25
• 2.3 GNSS接收机结构25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 捕获算法研究27-49
• 3.1 信号捕获的目的27
• 3.2 信号捕获的原理27-32
• 3.2.1 二维搜索27-31
• 3.2.2 积分时间长度31-32
• 3.2.3 多普勒频率搜索步长32
• 3.3 提高信噪比方法32-34
• 3.3.1 相干积分32-34
• 3.3.2 非相干积分34
• 3.4 传统捕获算法34-39
• 3.4.1 串行捕获算法34-35
• 3.4.2 并行频率捕获算法35-37
• 3.4.3 并行码相位捕获算法37-39
• 3.5 部分匹配滤波器结合FFT的捕获算法及其改进39-46
• 3.5.1 匹配滤波器原理39-40
• 3.5.2 PMF+FFT捕获算法40-43
• 3.5.3 并行码相位的PMF+FFT捕获算法及仿真43-46
• 3.6 不同捕获算法的实时性比较46-47
• 3.7 本章小结47-49
• 第4章 快捕算法的FPGA实现49-73
• 4.1 FPGA开发简介49-51
• 4.1.1 FPGA开发流程49-50
• 4.1.2 芯片选型与开发工具50-51
• 4.2 设计中的技术指标51
• 4.3 捕获模块FPGA实现51-71
• 4.3.1 复位模块设计52-53
• 4.3.2 DSP接口模块53-56
• 4.3.3 本地载波NCO设计56-57
• 4.3.4 本地伪随机码发生器设计57-58
• 4.3.5 数字下变频模块设计58-59
• 4.3.6 积分清零部分相关器设计59-61
• 4.3.7 数据缓存模块设计61-65
• 4.3.8 FFT模块设计65-68
• 4.3.9 捕获判决模块设计68-71
• 4.4 本章小结71-73
• 第5章 快捕模块的仿真验证与时序分析73-85
• 5.1 程序仿真73-75
• 5.2 资源占用率75
• 5.3 时序分析75-84
• 5.3.1 静态时序分析原理75-79
• 5.3.2 时序约束设计79
• 5.3.3 时序分析结果79-84
• 5.4 本章小结84-85
• 结论85-87
• 参考文献87-91
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果91-93
• 致谢93

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