GPS基带信号捕获算法的研究和FPGA实现
发布时间：2021-06-10 12:46
全球卫星导航系统是基于人造卫星的高精度导航定位系统,它可以为用户提供全天候的天气、位置信息、精确授时等服务。目前,该系统主要包括:美国的全球定位系统（Global Positioning System,GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Satellite Navigation System,BDS）以及欧洲的伽利略系统（Galileo）。相较而言,GPS是目前应用最广泛、用户数量最多、最成熟的导航系统,而中国正在部署的北斗卫星导航系统在结构及定位导航原理上与GPS系统类似,因此研究GPS系统对北斗卫星导航系统的后续发展有着重要的借鉴意义。基带信号处理是GPS接收机的重要部分,基带接收机通过GPS基带信号的捕获和跟踪,将接收的GPS信号解调,获得包含各类定位参数的导航电文,为后续的导航定位提供解算数据。整个过程需要进行大量的数字信号处理,因而基带芯片也是整个接收机功耗较大的部分。如何能在保持精度不变的前提下减少数字信号处理的计算量,从而降低基带芯片的功耗,是卫星接收机特别是其在移动应用中研究的热点问题。本文首先详细地介绍了接收机的定位...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１?ＧＰＳ定位原理??如图２．１所示，若知道坐标系中卫星ｉ的精确位置为（Ｖ，ｄ），卫星发送??ｔ，Ｃ，
山东大学硕士学位论文??Ｉ（ｘｌ?—?ｘ）２?＋?（ｙ１?—?ｙ）２?＋?（ｚｌ?—?ｚ）２?＝?ｐｌ?（?２．１）??其中（ｘ，ｙ，ｚ）就是要得到的接收机的位置。方程组２．１有三个未知数，理论上只??需要三颗卫星就可以根据方程组算出位置结果。但是在实际应用中，卫星上的时??钟与接收机时钟的时钟基准不同，两个时间的钟差并不是实际上信号传输的时间，??利用这个时间差得到的Ｖ并不准确。为了解决这个问题，ＧＰＳ建立了专用的时钟??系统作为时间标准。三个时钟的同步如图２．２所示。??，Ｓｆ?，?Ｖ??ｙ?Ｉ?？?？卫星时钟??Ｉ?４卫星／??Ｉ?、、??Ｉ?｜?、、、、、??Ｉ?！??Ｉ?！?＼??］?Ｉ?、＼接收机《??Ｉ，?Ｓｔ？?，?ｋ??ｊ）?Ｉ?１?？?？接收机时钟??＾?ｄ）?＾埘＿??图２．２时钟系统的同步??图２．２中，汾＜是卫星时间与标准ＧＰＳ时间的时钟差，该参数可以根据星历??中的时钟修正参数计算得到。卫星发送信号的时间一对应的ＧＰＳ时间为＂（ｔ），两??者的数学关系如式２．２所示：??ｔ＾ｔ）?＝?ｔｌ?－５ｔｌ?（２．２）??５ｔｕ是用户接收机时间与标准ＧＰＳ时间的钟差，该值通常是未知的，是一个??关于ＧＰＳ时间的函数。接收机时间与ＧＰＳ时间关系如下：??ｆｕ（０?＝?＾ｕ￣?（２．３）??伪距Ｙ⑴定义为时钟同步后的信号接收时间￣⑴与信号发送时间ｙ⑴的差??乘以光速ｃ。艮［］：??ｐｌ｛ｔ）?＝?ｃ－?（ｔｕ（ｔ）?－?ｔ！（ｔ））?（２．４）??综上，根据式２．２到２．４，将接收机位置与卫星位置和伪距的关系式２．１改写??成式２．５：??６??
山东大学硕士学位论文??Ｙ??扩频调制＋?ＢＰＳＫ调制」＼??ＰＲＮ码?载波?＼??卫星信号发射端??????Ｈ?ＢＰＳＫ解调Ｈ解调解扩＾１妈??＿＿＿＿＇??本地复制本地复制??载波?ＰＲＮ码??卫星信号接收端??图２．３卫星信号的调制与解调过程??ＧＰＳ信号有两组伪随机码，一组是用于粗捕获码的Ｃ／Ａ码，一组是用于精??捕获的Ｐ?（Ｙ）码。这两组扩频码和导航数据码利用两个特高频（ＵＨＦ）段的载??波（Ｌ１和Ｌ２）进行传输。Ｃ／Ａ码只调制在Ｌ１频段上，Ｐ（Ｙ）码在两个频段均有??传输，且两种码是正交的。综上所述，卫星ｉ发射的信号５七）的格式如公式２．６所??示：??ｓｌ（ｔ）?＝?ｙｌ２ＦｃＣｌ｛ｔ）Ｄｌ｛ｔ）?ｓｉｎ（２７ｒ／Ｌ１ｔ?＋?＋??Ｖ２Ｐ＾Ｆ＇（ｔ）Ｄｌ＇（ｔ）?ｃｏｓ（２７ｒ／Ｌ１ｔ?＋?９，）?＋??Ｖ２Ｐｙ，２ｒ?（ｔ）Ｄ１?⑴?ｃｏｓ（２７Ｔ／Ｌ２ｔ?＋?０２）?（２．６）??其中前两项为调制在ＬＩ波段上的信号，包括了?Ｃ／Ａ码信号和Ｐ?（Ｙ）码两种伪??随机码调制信号，第三项为调制在Ｌ２上的信号，只包含Ｐ?（Ｙ）码信号。＆，／Ｖａ??和／Ｖ，２分别是这三个信号的平均功率，ｆ（ｔ）和ｙ；（ｔ）分别是卫星ｉ产生的Ｃ／Ａ码和??Ｐ（Ｙ）码的电平值，Ｚ）；（ｔ）是卫星播发的数据码，心和％分别是载波Ｌ１和Ｌ２的??初始相位。下面对信号的三部分进行具体介绍。??２．２．１载波信号??ＧＰＳ信号是利用两个特高频段的载波进行传输，载波频率分别为：??ｆＬ１?＝?１５４／〇?＝?１５７５．４２ＭＨｚ?（２．７）??ｆＬ２?＝?１２０／〇?＝?１２２７．６０ＭＨｚ?（２．
【参考文献】：
期刊论文
[1]现代卫星导航系统的技术特点与发展趋势[J]. 张增娜. 电子技术与软件工程. 2019(11)
[2]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)
[3]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)
[4]GPS接收机并行捕获算法的研究[J]. 袁建国,欧松林. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2013(04)
[5]卫星导航芯片技术发展趋势分析[J]. 雷创,王党卫. 现代导航. 2012(03)
[6]数字控制振荡器（NCO）的FPGA实现[J]. 李飞. 电子元器件应用. 2010(11)
[7]GPS信号C/A码生成算法设计及仿真实现[J]. 张威,张克,徐熙宗. 通信技术. 2008(11)
硕士论文
[1]GPS基带信号跟踪算法的研究和FPGA实现[D]. 孙娟娟.山东大学 2018
[2]GPS接收机架构设计及FPGA实现[D]. 严余伟.电子科技大学 2016
[3]GPS卫星导航信号仿真研究[D]. 杨腾飞.浙江理工大学 2016
[4]基于FPGA的GPS/BD2双模基带信号处理优化方法研究[D]. 花义峰.北京交通大学 2015
[5]GPS接收机基带信号处理算法的设计与仿真[D]. 李廷.西安电子科技大学 2011
本文编号：3222400
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１?ＧＰＳ定位原理??如图２．１所示，若知道坐标系中卫星ｉ的精确位置为（Ｖ，ｄ），卫星发送??ｔ，Ｃ，
山东大学硕士学位论文??Ｉ（ｘｌ?—?ｘ）２?＋?（ｙ１?—?ｙ）２?＋?（ｚｌ?—?ｚ）２?＝?ｐｌ?（?２．１）??其中（ｘ，ｙ，ｚ）就是要得到的接收机的位置。方程组２．１有三个未知数，理论上只??需要三颗卫星就可以根据方程组算出位置结果。但是在实际应用中，卫星上的时??钟与接收机时钟的时钟基准不同，两个时间的钟差并不是实际上信号传输的时间，??利用这个时间差得到的Ｖ并不准确。为了解决这个问题，ＧＰＳ建立了专用的时钟??系统作为时间标准。三个时钟的同步如图２．２所示。??，Ｓｆ?，?Ｖ??ｙ?Ｉ?？?？卫星时钟??Ｉ?４卫星／??Ｉ?、、??Ｉ?｜?、、、、、??Ｉ?！??Ｉ?！?＼??］?Ｉ?、＼接收机《??Ｉ，?Ｓｔ？?，?ｋ??ｊ）?Ｉ?１?？?？接收机时钟??＾?ｄ）?＾埘＿??图２．２时钟系统的同步??图２．２中，汾＜是卫星时间与标准ＧＰＳ时间的时钟差，该参数可以根据星历??中的时钟修正参数计算得到。卫星发送信号的时间一对应的ＧＰＳ时间为＂（ｔ），两??者的数学关系如式２．２所示：??ｔ＾ｔ）?＝?ｔｌ?－５ｔｌ?（２．２）??５ｔｕ是用户接收机时间与标准ＧＰＳ时间的钟差，该值通常是未知的，是一个??关于ＧＰＳ时间的函数。接收机时间与ＧＰＳ时间关系如下：??ｆｕ（０?＝?＾ｕ￣?（２．３）??伪距Ｙ⑴定义为时钟同步后的信号接收时间￣⑴与信号发送时间ｙ⑴的差??乘以光速ｃ。艮［］：??ｐｌ｛ｔ）?＝?ｃ－?（ｔｕ（ｔ）?－?ｔ！（ｔ））?（２．４）??综上，根据式２．２到２．４，将接收机位置与卫星位置和伪距的关系式２．１改写??成式２．５：??６??
山东大学硕士学位论文??Ｙ??扩频调制＋?ＢＰＳＫ调制」＼??ＰＲＮ码?载波?＼??卫星信号发射端??????Ｈ?ＢＰＳＫ解调Ｈ解调解扩＾１妈??＿＿＿＿＇??本地复制本地复制??载波?ＰＲＮ码??卫星信号接收端??图２．３卫星信号的调制与解调过程??ＧＰＳ信号有两组伪随机码，一组是用于粗捕获码的Ｃ／Ａ码，一组是用于精??捕获的Ｐ?（Ｙ）码。这两组扩频码和导航数据码利用两个特高频（ＵＨＦ）段的载??波（Ｌ１和Ｌ２）进行传输。Ｃ／Ａ码只调制在Ｌ１频段上，Ｐ（Ｙ）码在两个频段均有??传输，且两种码是正交的。综上所述，卫星ｉ发射的信号５七）的格式如公式２．６所??示：??ｓｌ（ｔ）?＝?ｙｌ２ＦｃＣｌ｛ｔ）Ｄｌ｛ｔ）?ｓｉｎ（２７ｒ／Ｌ１ｔ?＋?＋??Ｖ２Ｐ＾Ｆ＇（ｔ）Ｄｌ＇（ｔ）?ｃｏｓ（２７ｒ／Ｌ１ｔ?＋?９，）?＋??Ｖ２Ｐｙ，２ｒ?（ｔ）Ｄ１?⑴?ｃｏｓ（２７Ｔ／Ｌ２ｔ?＋?０２）?（２．６）??其中前两项为调制在ＬＩ波段上的信号，包括了?Ｃ／Ａ码信号和Ｐ?（Ｙ）码两种伪??随机码调制信号，第三项为调制在Ｌ２上的信号，只包含Ｐ?（Ｙ）码信号。＆，／Ｖａ??和／Ｖ，２分别是这三个信号的平均功率，ｆ（ｔ）和ｙ；（ｔ）分别是卫星ｉ产生的Ｃ／Ａ码和??Ｐ（Ｙ）码的电平值，Ｚ）；（ｔ）是卫星播发的数据码，心和％分别是载波Ｌ１和Ｌ２的??初始相位。下面对信号的三部分进行具体介绍。??２．２．１载波信号??ＧＰＳ信号是利用两个特高频段的载波进行传输，载波频率分别为：??ｆＬ１?＝?１５４／〇?＝?１５７５．４２ＭＨｚ?（２．７）??ｆＬ２?＝?１２０／〇?＝?１２２７．６０ＭＨｚ?（２．
【参考文献】：
期刊论文
[1]现代卫星导航系统的技术特点与发展趋势[J]. 张增娜. 电子技术与软件工程. 2019(11)
[2]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)
[3]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)
[4]GPS接收机并行捕获算法的研究[J]. 袁建国,欧松林. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2013(04)
[5]卫星导航芯片技术发展趋势分析[J]. 雷创,王党卫. 现代导航. 2012(03)
[6]数字控制振荡器（NCO）的FPGA实现[J]. 李飞. 电子元器件应用. 2010(11)
[7]GPS信号C/A码生成算法设计及仿真实现[J]. 张威,张克,徐熙宗. 通信技术. 2008(11)
硕士论文
[1]GPS基带信号跟踪算法的研究和FPGA实现[D]. 孙娟娟.山东大学 2018
[2]GPS接收机架构设计及FPGA实现[D]. 严余伟.电子科技大学 2016
[3]GPS卫星导航信号仿真研究[D]. 杨腾飞.浙江理工大学 2016
[4]基于FPGA的GPS/BD2双模基带信号处理优化方法研究[D]. 花义峰.北京交通大学 2015
[5]GPS接收机基带信号处理算法的设计与仿真[D]. 李廷.西安电子科技大学 2011
本文编号：3222400
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