（精密儀器及機(jī)械專業(yè)論文）基于FPGA的GNSS軟件接收機(jī)算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

11111111 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 i lll1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1i i i i 17 6 0 7 9 9 t h e d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fg n sss o f t w a r e r e c e i v e r a l g o r i t h mb a s e d o nf p g a at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y t a n gx i n - - h u a s u p e r v i s e db y p r o e f s s o rc h e nx i y u a n s c h o o lo fi n s t r u m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ，n a n j i n g ，p r c h i n a j u n e2 0 1 0 創(chuàng)性聲明 研究生簽名：盥蠢嶧日 期：坐 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印 件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì) 論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括 刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。 研究生簽名：蔓亟鞋導(dǎo)師簽名： 期：伽，d ，6 ，歲 摘要 摘要 在美國(guó)g p s 的現(xiàn)代化、歐洲g a l i l e o 系統(tǒng)的出現(xiàn)、俄羅斯g l o n a s s 的復(fù)興和中國(guó)“北斗 二代”部署的大背景下，軟件接收機(jī)的研究已經(jīng)稱為一個(gè)必然的趨勢(shì)。 本文以g p s 為對(duì)象，闡述了p r n ( 偽隨機(jī)碼) 生成、g p s 信號(hào)調(diào)制過程、接收機(jī)前端的下 變頻、采樣等基本原理，同時(shí)詳細(xì)分析了g p s 信號(hào)捕獲、跟蹤過程。 在g p s 信號(hào)捕獲環(huán)節(jié)中，為了能使算法適用于實(shí)際的硬件開發(fā)，改進(jìn)了g p s 捕獲算法包 括補(bǔ)零計(jì)算、循環(huán)相關(guān)改進(jìn)、降采樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，補(bǔ)零計(jì)算可以彌補(bǔ)算法中采樣點(diǎn)不基 于2 的不足，循環(huán)相關(guān)改進(jìn)可以減少卷積的計(jì)算量，降采樣可以減少整體計(jì)算數(shù)據(jù)量。三種 改進(jìn)算法的誤差都在理論范圍之內(nèi)，不影響捕獲的最終結(jié)果。 在g p s 信號(hào)跟蹤環(huán)節(jié)中，主要推導(dǎo)了鎖相環(huán)( p l l ) 、延遲鎖定環(huán)( d l l ) 、鎖頻環(huán)( f l l ) 的模型，而且同時(shí)改進(jìn)了跟蹤環(huán)路，采用了f l l 輔助p l l 完成跟蹤的方法，前期f l l 與p l l 共同工作，后期p l l 獨(dú)立工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了該輔助方法的可行性與優(yōu)越性( f l l 能夠輔 助p l l 快速跟蹤上目標(biāo)衛(wèi)星以防失鎖) 。最后提出了各環(huán)路編程實(shí)現(xiàn)過程中的要點(diǎn)問題。 最后探討了v i r t e x 2 pf p g a 開發(fā)板原理，詳細(xì)說明了s y s t e mg e n e r a t o r 中的x i l i n x 模塊的 結(jié)構(gòu)及參數(shù)配置。為了能在f p g a ( 可編程門陣列) 上實(shí)現(xiàn)g p s 信號(hào)并行捕獲算法，采用了 前面補(bǔ)零計(jì)算來彌補(bǔ)算法中采樣點(diǎn)不基于2 的不足，降采樣來減少整體數(shù)據(jù)量，并且在 s i m u l i n k 環(huán)境下運(yùn)用基于f p g a 的應(yīng)用軟件s y s t e mg e n e r a t o r 進(jìn)行了并行捕獲算法的f f t 模 塊、虛數(shù)乘法模塊，平方模塊等搭建編程，同時(shí)采用了m a t l a b 中的m 文件將采樣數(shù)據(jù)仿真 成模擬信號(hào)導(dǎo)入完成仿真實(shí)驗(yàn)，并將仿真結(jié)果與m a t l a b 結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的比較和分析，得到 與m a t l a b 結(jié)果同樣的捕獲頻率，雖碼相位具有誤差，但通過具體分析，該碼相位誤差由補(bǔ)零計(jì) 算和降采樣引起，證實(shí)了s y s t e mg e n e r a t o r 在f p g a 實(shí)現(xiàn)捕獲算法可行性。 、 本文研究的基于s y s t e mg e n e r a t o r 的f p g a 開發(fā)，為以后軟件接收機(jī)的后序硬件開發(fā)奠定 了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵字：g p s 接收機(jī)；捕獲；跟蹤；f l l ；f p g a ；s y s t e mg e n e r a t o r 摘要 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h em o d e m i z a t i o no ft h eg p s t h ep r e s e n to fe u r o p e a ng a l i l e os y s t e m t h er e v i v a lo fr u s s i a ng l o n a s sa n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ec h i n e s es e c o n d g e n e r a t i o nb e i d o u s y s t e m ，t h es t u d yo fs o f t w a r er e c e i v e rh a sb e c o m eat r e n d i nt h i sp a p e r , g p si st o o ka ss t u d yo b je c t t h eb a s i ck n o w l e d g eo f p s e u d or a n d o mn o i s e ( p 剮叼， t h em o d u l a t i o no fg p ss i g n a l ，t h et e c h n o l o g yi n v o l v e di ns i g n a lc o n d i t i o n i n gi n c l u d i n gf r e q u e n c y d o w nc o n v e r s i o na n ds a m p l i n ga r es t u d i e d ，m e a n w h i l e ，t h ep r o c e s s e so fg p ss i g n a la c q u i s i t i o na n d t r a c k i n ga r ea n a l y z e d 1 1 1g p ss i g n a la c q u i s i t i o n ，i no r d e rt oa d a p tt h ea l g o r i t h mt ot h ei m p l e m e n t a t i o ni nh a r d w a r e ， t h ea l g o r i t h mi s i m p r o v e db yt h em e t h o d so fz e r op a d d i n g ，m o d i f i e da c q u i s i t i o nb yc i r c u l a r c o r r e l a t i o n , r e d u c i n gs a m p l i n gr a t e t h r o u g ht h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t s ，i ts h o w st h a tz e r o p a d d i n gc a i ls o l v et h el i m i t a t i o no fd a t aw h i c hi sn o tb a s e do n2 州m o d i f i e da c q u i s i t i o nb yc i r c u l a r c o r r e l a t i o nc a nr e d u c et h en u m b e r si n v o l v e di nc o n v o l u t i o n r e d u c i n gs a m p l i n gr a t ec a nl i g h t e nt h e w h o l el o a no fp r o g r a mc o m p u t a t i o n a n dt h ee r r o r sf r o mt h et h r e ea d v a n c e da l g o r i t h ma r e a c c e p t a b l ei nt h e o r yw h i c hw o n ti n f l u e n c et h ef i n a lr e s u l t i ng p st r a c k i n g ，t h em o d e l so fp l l ，d l l ，f l la r ep r o v e d a tt h es a m et i m et h ep l li s i m p r o v e du s i n gf l lt oa s s i s tp l l i nt r a c k i n g a tb e g i n n i n g ，f l la n dp l lw o r kt o g e t h e r , a f t e ra w h i l e p l lw o r k ss i n g l y 、) i r i t h o u tf l l n l er e s u l ts h o w st h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo ft h i s m o d i f i e dm e t h o d ( f l lc a na s s i s tp l lt ot r a c kt h es a t e l l i t eq u i c k l yt oa v o i dt h ec a s en o ti nal o c k s t a t e ) l a t e r , t h ek e yp o i n t si np r o g r a m m i n ga r ed i s c u s s e d a tl a s t t h ep r i n c i p l eo fv i r t e x 2 pi sd i s c u s s e d t h es t r u c t u r ea n dt h ep a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o no f x i n l i n xm o d e l si ns y s t e mg e n e r a t o ra r es t u d i e d i no r d e rt oi m p l e m e n tt h eg p sp a r a l l e l a c q u i s i t i o na l g o r i t h mi nf p g a t h em e t h o do fz e r op a d d i n gi su s e dt os o l v et h el i m i t a t i o no fd a t a w h i c hi sn o tb a s e do n2 一a n dr e d u c i n gs a m p l i n gr a t ei su s e dt od e c r e a s et h et o t a ln u m b e ro fd a t a b a s e do nt h es i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，t h es o f t w a r es y s t e mg e n e r a t o ri su s e dt os e tu p 也ef f t m o d u l e ，m u l t i p l i e ro fi m a g i n a r yn u m b e r , s q u a r em o d u l eo ft h ei m p r o v e da c q u i s i t i o na l g o r i t h m ，t h e i n p u ts i g n a li sg e n e r a t e db ym f i l ef r o mt h es a m p l ed a t a , t h et w or e s u l t sf r o mm a t l a ba n df i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) a r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，i ts h o w st h a tt h es a m ea c q u i s i t i o n f r e q u e n c yc a nb eg o ti ns y s t e mg e n e r a t o r ，t h o u g ht h ec o d ep h a s ed e v i a t e s al i t t l e ，i ti s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ee r r o ri sc a u s e db yz e r oa d d i n ga n dr e d u c i n gs a m p l i n gr a t e ，i na l l ，a l g o r i t h m r e a l i z a t i o nf e a s i b i l i t yb a s e do nf p g ai sv e r i f i e d k e y w o r d s ：g p sr e c e i v e r ；a e q u i s i t i o n ；t r a c k i n g ；f l l ；f p g a ；s y s t e mg e n e r a t o r 目錄 目錄 摘要一i a b s t r a c t i i 目錄一i i i 第一章緒論1 1 1 研究背景與意義1 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2 1 3 本文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)3 第二章g p s 接收機(jī)原理5 2 1g p s 信號(hào)5 2 1 1c ，a 碼5 2 1 2g p s 載波信號(hào)與調(diào)制10 2 2g p s 接收機(jī)前端j 1 2 2 2 1 下變頻1 2 2 2 2 采樣1 3 2 3g p s 信號(hào)捕獲與跟蹤一13 2 3 1g p s 信號(hào)捕獲1 4 2 3 2g p s 信號(hào)跟蹤15 2 4 _ 、結(jié)。1 5 第三章g p s 信號(hào)捕獲算法及改進(jìn)16 3 1g p s 捕獲算法一1 6 3 1 1 中頻采樣器1 6 3 1 2 二維捕獲1 6 3 1 3 串行捕獲。1 7 3 1 4 并行捕獲18 3 1 5 模型理論推導(dǎo)1 9 3 2 精細(xì)頻率估計(jì)一2 0 3 3 捕獲算法編程實(shí)現(xiàn)2 2 3 4 捕獲算法的改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果2 3 3 4 1 補(bǔ)零計(jì)算2 3 3 4 2 循環(huán)相關(guān)改進(jìn)2 4 3 4 3 降采樣2 7 3 5 ，j 、結(jié)2 7 第四章g p s 信號(hào)跟蹤算法研究，2 9 4 1 g p s 信號(hào)跟蹤2 9 4 1 1 線性模型2 9 4 2 鎖相環(huán)( p l l ) 3 0 4 2 1p l l 系統(tǒng)模型3 0 4 2 2 等效噪聲寬度( n o i s ee q u i v a l e n tb a n d w i d t h ) 3 4 4 2 3p l l 鑒相器3 5 4 2 4p l l 編程實(shí)現(xiàn)3 6 4 3 延遲鎖定環(huán)( d l l ) 3 7 4 3 1d l l 鑒相器的選擇3 7 i i i 目錄 4 3 2d l l 編程實(shí)現(xiàn)3 8 4 4 鎖頻環(huán)( f l l ) 3 8 4 4 1f l l 鑒相器3 9 4 4 2f l l 編程實(shí)現(xiàn)3 9 4 4 2f l l 與p l l 結(jié)合3 9 4 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4 0 4 5 1 純p l l 跟蹤衛(wèi)星結(jié)果4 0 4 5 2 等效噪聲帶寬、阻尼比對(duì)跟蹤結(jié)果影響4 1 4 5 3f l l 輔助p l l 跟蹤實(shí)驗(yàn)分析4 3 4 6 卅、結(jié)4 6 第五章捕獲算法的f p g a 仿真實(shí)現(xiàn)4 8 5 1f p g a 開發(fā)平臺(tái)4 8 5 2 基于s y s t e mg e n e r a t o r 的f p g a 開發(fā)5 0 5 2 1f p g a 開發(fā)優(yōu)點(diǎn)5 0 5 2 2s y s t e mg e n e r a t o r 開發(fā)51 5 2 3s y s t e mg e n e r a t o r 模塊介紹一5l 5 3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試5 4 5 3 1f f t 模塊測(cè)試5 4 5 3 2 捕獲算法仿真5 7 5 4 卅、結(jié)5 9 第六章結(jié)論與展望6 0 6 ，1 本文工作總結(jié)6 0 6 2 工作展望6 0 致謝6 2 參考文獻(xiàn)6 3 攻讀碩士期間發(fā)表論文6 5 i v 第一章緒論 1 1 研究背景與意義 第一章緒論 1 9 0 1 年無線電信號(hào)以莫爾斯碼方式成功發(fā)送字母“s ”跨越大西洋( 從英格蘭到達(dá)紐芬蘭) ，預(yù) 示著無線電世紀(jì)的到來，1 9 0 3 年美國(guó)懷特兄弟實(shí)現(xiàn)了航空飛行，航空也慢慢發(fā)展起來，如何應(yīng)用 無線電導(dǎo)航成為了一個(gè)熱點(diǎn)研究方向【l 】。 g p s 系統(tǒng)是基于美國(guó)在6 0 年代研制使用的“子午儀( t r a n s i t ) 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”和“時(shí)間導(dǎo)航 ( t i m a t i o n ) 系統(tǒng)”，于7 0 年代初投入開發(fā)的。從g p s 計(jì)劃的提出到該系統(tǒng)的建成使用，歷 經(jīng)2 0 余年，耗資數(shù)百億美元【2 】。截至2 0 0 4 年7 月2 3 日，在過去的近3 0 年時(shí)間里，美國(guó)已 經(jīng)發(fā)射了5 0 多顆g p s 導(dǎo)航衛(wèi)星，形成了目前為止世界上最為完善、應(yīng)用最廣泛的全球衛(wèi)星 導(dǎo)航系統(tǒng)，并且在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等一系列局部戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了重要的作用，使全世界重新開始認(rèn)識(shí) 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的戰(zhàn)略意義【列。 近幾年，美國(guó)g p s 的現(xiàn)代化，俄羅斯g l o n a s s 的復(fù)興和歐洲g a l i l e o 系統(tǒng)的出現(xiàn)即將帶 來下一代全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)( g n s s ) 。同樣中國(guó)的北斗系統(tǒng)( b n t s ) 也正在慢慢發(fā)展中， b u t s 覆蓋范圍有限，只能夠?yàn)橹袊?guó)國(guó)內(nèi)及周邊地區(qū)的用戶提供服務(wù)，以后也會(huì)通過更多的 衛(wèi)星組成區(qū)域性或者全球性的導(dǎo)航系統(tǒng)1 4 1 。如今，國(guó)內(nèi)導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)Ρ倍废到y(tǒng)( b n t s ) 的全面 發(fā)展已經(jīng)開始準(zhǔn)備，為了能順利設(shè)計(jì)、掌握本國(guó)自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，接收機(jī)的研發(fā)已經(jīng)義不容 辭，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)高校、公司等開始慢慢研究接收機(jī)技術(shù)并努力將技術(shù)將用于實(shí)際的實(shí)踐開發(fā)。 自從1 9 9 2 年5 月，在美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上，來自m i t r e 公司的j o em i t o l a 首先提出了 “s o f t w a r er a d i o s ”概念以來，軟件接收機(jī)就被受到廣泛的關(guān)注1 5 1 。軟件無線電的基本概念就是 在一個(gè)通用硬件平臺(tái)上，通過軟件加載的方式用軟件來實(shí)現(xiàn)所有無線電系統(tǒng)的通信功能。軟 件無線電的基本思想是將寬帶模數(shù)變換器( a d ) 及數(shù)模變換器( d a ) 盡可能地靠近射頻天線， 建立一個(gè)具有“a d d s p - d a ”模型的通用的、開放的硬件平臺(tái)，在這個(gè)硬件平臺(tái)上盡量利用 軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能模塊。目前g p s 接收機(jī)由射頻前端，用于信號(hào)處理的專用集 成電路( a s i c ) 和進(jìn)行位置解算的c p u 組成。軟件可以下載到c p u 改變接收機(jī)的性能參數(shù)， 然而預(yù)先設(shè)計(jì)的跟蹤通道，相關(guān)器和控制環(huán)路參數(shù)已固化到a s i c 中，其靈活性不強(qiáng)。相反， g n s s 軟件接收機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)其信號(hào)捕獲和跟蹤處理而不是硬件，由于軟件接收機(jī)的開放 性、全面可編程性、和靈活性的特點(diǎn)，在不需要更改硬件的前提下，通過對(duì)軟件模塊的調(diào)整 和升級(jí)就可以滿足不同用戶的需要，因此，在整合g n s s 各頻段衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)中，有深遠(yuǎn)的 意義 6 - 1 0 1 。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一類高集成度的可編程邏輯器件，1 9 8 5 年起源 于美國(guó)的x i l i n x 公司，它是一種采用單元型結(jié)構(gòu)的新型p l d 器件，采用c m o s 、s r a m 工 藝制作，在結(jié)構(gòu)上與簡(jiǎn)單的陣列型p l d 不同，它的內(nèi)部由許多獨(dú)立的可編程邏輯單元構(gòu)成， 各邏輯單元之間可以靈活地相互連接，具有密度高、速度高、編程靈活、可重新配置等優(yōu)點(diǎn)。 第一章緒論 在這二十幾年的發(fā)展過程中，f p g a 硬件系統(tǒng)和軟件開發(fā)工具不斷完善且日趨成熟。從最初 的1 2 0 0 個(gè)可用門到現(xiàn)在的數(shù)百萬至上千萬的單片f p g a 芯片。f p g a 技術(shù)結(jié)合了微電子技術(shù)、 電路技術(shù)、e d a 技術(shù)，與專用的集成電路a s i c 相比，f p g a 具有靈活性高、設(shè)計(jì)周期短、 成本低、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的應(yīng)用1 1 1 】，而且用f p g a 替代一般的a s i c 芯片進(jìn) 行設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。 一方面f p g a 可以通過編寫代碼來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯電路，另一方面其內(nèi)部是由規(guī)則的邏輯 陣列所組成，這樣就可以開發(fā)出適應(yīng)的專用芯片。最近幾年里，f p g a 已近成為數(shù)字信號(hào)處 理系統(tǒng)的核心器件，尤其在數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)、視頻和圖像應(yīng)用領(lǐng)域中1 1 2 】。如今的f p g a 不僅 包含查表法、寄存器、多路復(fù)用器、分布式塊存儲(chǔ)器，而且嵌入了專用的快速加法器、乘法 器和輸入輸出設(shè)備。更重要的一點(diǎn)是f p g a 具有實(shí)現(xiàn)高速并行運(yùn)算的能力，這就使得f p g a 成為高性能的數(shù)字信號(hào)處理方面的理想器件，如在數(shù)字濾波、快速傅立葉變換等方面，f p g a 具有可重新編程的優(yōu)點(diǎn)，比a s i c 更實(shí)用f 1 3 】。 傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)核心器件較多使用d s p 處理器，因此數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 者和底層技術(shù)人員通常對(duì)c 語言和匯編語言很熟悉，但是對(duì)硬件描述語言v h d l 或v e r i l o g 并不熟悉，而且硬件描述語言最終要轉(zhuǎn)換成硬件實(shí)現(xiàn)，這就要求工程師對(duì)硬件有一定的了解， 使用x i l l n u xs y s t e mg e n e r a t o rf o rd s p 可以使上述問題迎刃而解，s y s t e mg e n e r a t o r 是一款 理想的f p g a 開發(fā)軟件【1 4 1 。 本文主要以g p s 為對(duì)象，詳細(xì)研究了g p s 信號(hào)捕獲、跟蹤以及基于軟件s y s t e mg e n e r a t o r 的f p g a 開發(fā)，其思想可以貫通于其余導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)自制的北斗系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的接收 機(jī)相比，軟件接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要有一下幾點(diǎn)【1 5 】： 1 、實(shí)時(shí)功率譜分析?？捎糜诒O(jiān)視天線信號(hào)的頻譜，檢測(cè)窄帶連續(xù)波干擾。 2 、中頻數(shù)據(jù)重演。用戶可以經(jīng)常重復(fù)使用采集的原始射頻信號(hào)，以優(yōu)化算法和分析結(jié)果。 3 、多傳感器組合。在軟件層面上組合傳感器數(shù)據(jù)；例如，允許用戶利用慣性測(cè)量器件等 的所有信息，獲得“超緊耦合”的g p s i n s 組合導(dǎo)航解。 4 、多相關(guān)器輸出。允許用戶采用先進(jìn)的鑒相器與濾波器組合跟蹤環(huán)路；在相關(guān)器層面對(duì) 反射信號(hào)與多徑干擾進(jìn)行分析。 總而言之，軟件接收機(jī)為以后其他導(dǎo)航系統(tǒng)提供了方便的平臺(tái)，將研究成本最低化，并 顯示出巨大的靈活性和商業(yè)潛力。而且為創(chuàng)新提供了一個(gè)極好的通道，同時(shí)為普通研究者一 個(gè)理想的用于教學(xué)與研究的平臺(tái)，能讓更多的學(xué)者認(rèn)知并投入其中，使之具有一個(gè)美好的未 來。 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 第一批g p s 接收機(jī)研制于2 0 世紀(jì)7 0 年代，供d o d ( 美國(guó)國(guó)防部) 驗(yàn)證g p s 的可行性。 1 9 8 2 年，為精密測(cè)量大地而設(shè)計(jì)的兩款g p s 接收機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。麻省理工學(xué)院c h a r l e s c c o u n s e l m a n xi i i 設(shè)計(jì)、s t e i n b r e c h e r 公司制造。 1 9 8 9 年d o d 開始發(fā)射數(shù)量足以布滿星座的b l o c ki i 衛(wèi)星，并發(fā)布了宣布系統(tǒng)運(yùn)行的計(jì)劃。從 此，注意力開始向信號(hào)處理轉(zhuǎn)移，專用集成電路( a s i c ) 被采用，最終實(shí)現(xiàn)了微型化發(fā)展i l 】o 經(jīng)過多年的發(fā)展，基于a s i c 硬件接收機(jī)技術(shù)早已成熟，近幾年眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究軟 2 第一章緒論 件接收機(jī)，并同時(shí)也取得了一系列明顯的成就。理論知識(shí)已經(jīng)慢慢趨于成熟，具有代表性的是 p r a t a pm i s r a ( l i n c o l nt a b o r a t o r y ) 和p e re n g e ( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 的g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( s i g n a l s ， m e a s u r e m e n t s ，a n dp e r f o r m a n c e ) ，對(duì)g p s 的基礎(chǔ)、信號(hào)、接收機(jī)等做了詳細(xì)的解釋和理論推掣1 5 1 。 k a ib o r r e 、d e n n i sm a k o s 等所著的as o f t w a r e - d e f i n e dg p sa n dg a l i l e or e c e i v e 從信號(hào)處理的基本 知識(shí)到在軟件接收機(jī)的具體應(yīng)用都描述的非常仔細(xì)【1 6 l ，國(guó)內(nèi)也開始緊跟國(guó)外的理論發(fā)展。 在基礎(chǔ)知識(shí)之上，國(guó)外開始研究算法改進(jìn)和及其理論分析。1 9 9 7 年8 月，o h i o 大學(xué)的d e n n i s m a k o s 在他的博士論文中討論了g n s s 軟件接收機(jī)前端模擬信號(hào)的接收和模數(shù)轉(zhuǎn)化 ( f r o n t e n d ) 的兩種設(shè)計(jì)方案，并且事后處理并驗(yàn)正了衛(wèi)星信號(hào)捕獲的f f t 算法的可行性和 跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定性。j a m e sb a o - y e nt s u i 在f u n d a m e n t a l so f g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mr e c e i v e r s as o t t w a r ea p p r o a c h 結(jié)合了m a t l a b 分析了軟件接收機(jī)。并且提出了一種新的信號(hào)跟蹤方法 _ b a s s ( b l o c ka d j u s t m e n to fs y n c h r o n i z i n gs i g n a l ) 。 基于理論知識(shí)的研究的深入，對(duì)算法的具體實(shí)現(xiàn)的研究也開始慢慢熱起來，2 0 0 5 年在美國(guó) l o n gb e a c h , c a l i f o r n i a 的界國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航會(huì)議中h u n - s o oc h os u n g - h y u c ki mg y u - i nj e e 提出 了基于s y s t e mg e n e r a t o r 的軟件接收機(jī)實(shí)現(xiàn)，提出軟件在p c 機(jī)中無法達(dá)到實(shí)時(shí)性，并對(duì)f p g a 中實(shí)現(xiàn)理論分析。同樣在最近的2 0 0 7 年的國(guó)際全球衛(wèi)星導(dǎo)航會(huì)議中t a oh u a n gb i ng u o m a t t h e wt r i n k l e ( 澳大利亞) 也類似的發(fā)了基于s y s t e mg e n e r a t o r 的軟件接收機(jī)實(shí)現(xiàn)問題的 文章，主要做了跟蹤環(huán)路的系統(tǒng)搭建并把它用于教學(xué)中。算法的移植和實(shí)時(shí)性技術(shù)仍待提高 和改進(jìn)【1 7 】。 在國(guó)內(nèi)，對(duì)軟件接收機(jī)的研究也開始慢慢增多，我國(guó)電子集團(tuán)5 4 所、航天7 0 4 所、北京 航空航天大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、武漢大學(xué)、中科院等高校以及多家從事衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備開發(fā)的 公司，都在g p s 接收機(jī)的研制方面投入了較大的人力物力，并相繼嘗試開發(fā)g p s 接收機(jī)， 其中北航的軟件接收機(jī)在p c 機(jī)上的軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成熟。同樣國(guó)內(nèi)將f p g a 大多應(yīng)用于硬 件接收機(jī)，也就是純粹的用f p g a 來實(shí)現(xiàn)a s i c 電路，在用f p g a 實(shí)現(xiàn)具體的軟件接收機(jī)算 法這塊研究較少。目前g p s 在我國(guó)的科研應(yīng)用主要有如下明顯缺點(diǎn)：( 1 ) 主要采用進(jìn)口o e m 板作為g p s 接收機(jī)內(nèi)核，并非自主研制；( 2 ) 主要是進(jìn)行產(chǎn)品的二次開發(fā)，如g p s g i s 地理 信息系統(tǒng)?？傊?，國(guó)內(nèi)g n s s 軟件接收機(jī)的研究還處于起步水平【1 3 捌】。 1 3 本文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 本文主要介紹了g p s 接收機(jī)發(fā)展背景、g p s 接收機(jī)原理、f p g a 芯片結(jié)構(gòu)以及開發(fā)原理。 在此基礎(chǔ)上通過具體編程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步分析與改進(jìn)。其中包括g p s 信號(hào)捕獲算法的改進(jìn)， g p s 信號(hào)跟蹤環(huán)路的改進(jìn)，加入了f l l 來輔助p l l 進(jìn)行跟蹤，最后在s i m u l i n k 平臺(tái)下用s y s t e m g e n e r a t o r 軟件仿真實(shí)現(xiàn)了捕獲算法。 全文共分六章，各部分結(jié)構(gòu)如下： 第一章：緒論介紹g n s s 軟件接收機(jī)、f p g a 開發(fā)的研究背景、意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 概述論文主要內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)。 第二章：g p s 接收機(jī)原理對(duì)g p s 信號(hào)的產(chǎn)生原理做了詳細(xì)理論推導(dǎo)，包括c a 碼發(fā)生器結(jié) 構(gòu)，g p s 信號(hào)調(diào)制，接收機(jī)前端。并介紹了g p s 信號(hào)捕獲與跟蹤，為后面的信號(hào)處理打下了 基礎(chǔ)。 第一犖緒論 第三章：g p s 信號(hào)捕獲算法及改進(jìn)討論了g p sc a 碼信號(hào)捕獲傳統(tǒng)方法，包括串行、并 行捕獲，并在此基礎(chǔ)上提出了三大改進(jìn)方法，補(bǔ)零計(jì)算、循環(huán)相關(guān)改進(jìn)、降采樣。并用實(shí)驗(yàn) 進(jìn)行了驗(yàn)證。 第四章：g p s 信號(hào)跟蹤算法研究主要分析了鎖相環(huán)( p l l ) 、延遲鎖定環(huán)( d l l ) 、鎖頻 環(huán)( f l l ) 結(jié)構(gòu)，詳細(xì)推導(dǎo)了各自鑒別器理論依據(jù)。并改進(jìn)了跟蹤環(huán)路，采用了f l l 輔助p l l 方式。最后用相應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了論證。 第五章：捕獲算法的f p g a 仿真實(shí)現(xiàn)主要介紹了f p g a 芯片結(jié)構(gòu)原理，并詳細(xì)論述了 x i l i n x 模塊的參數(shù)配置，最后完成了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。 第六章：總結(jié)與展望論文完成工作的總結(jié)及后續(xù)研究的個(gè)人意見。 4 第二章g p s 接收機(jī)原理 2 1g p s 信號(hào) 第二章g p s 接收機(jī)原理 g p s 衛(wèi)星在不停的發(fā)射著兩種波段的無線電波，分別是l 1 和l 2 波段，l 波段覆蓋的頻 率波段主要在1 g h z 和2 g h z 之間，l 1 和l 2 波段的中心頻率分別是： l i ：五l = 1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 ：無2 = 1 2 2 7 6 0 m h z 。 其中l(wèi) 1 中包含了兩種信號(hào)，一個(gè)是給平面用的，另一個(gè)是需d o d ( d e p a r t m e n to f d e f e m e ) 批準(zhǔn)的用戶，l 2 上的信號(hào)則是專為d o d ( d e p a r t m e n to f d e f e n s e ) 批準(zhǔn)的用戶服務(wù)。 g p s 信號(hào)主要有3 種組成：數(shù)據(jù)碼( d 碼，或者基帶信號(hào)) 、測(cè)距碼( c a 碼、p 碼) 和 載波信號(hào)( l 1 和l 2 ) 。 用戶是用g p s 接收機(jī)來接收g p s 衛(wèi)星信號(hào)，然后經(jīng)過捕獲跟蹤等一系列相關(guān)處理來測(cè) 出信號(hào)傳播的時(shí)間延遲，從而得到相應(yīng)的偽距( 因?yàn)楹姓`差) ，從而完成定位等一系列功能。 2 1 1c a 碼 g p s 衛(wèi)星信號(hào)主要有兩種偽隨機(jī)碼( p s e u d o r a n d o mn o i s e ，p r n ) ，他們分別是 c a ( c o a r s e a c q u i s i t i o n ) 碼和p 碼，本文中主要討論c a 碼，c a 碼是用于分址、捕獲衛(wèi)星信 號(hào)和粗測(cè)距，具有一定的抗干擾能力，提供給民用。 g p sc a 碼是屬于g o l d 碼的偽隨機(jī)碼，信號(hào)是兩個(gè)1 0 2 3 位的p r n 序列g(shù) l 和( 3 2 產(chǎn)生 的，其中，g 1 和g 2 都是由1 0 位最大長(zhǎng)線性移位寄存器組成，并且又同一個(gè)1 0 2 3 m h z 的時(shí) 鐘來驅(qū)動(dòng)。 r 戶k ：。1 發(fā)生器! 11 奄藿寄離幕：! 駕巴藕南爨 i 皿= q ；蕤器； 圖2 1g p sc a 碼發(fā)生器 兩個(gè)產(chǎn)生器工作的基本原理一樣，由帶適當(dāng)反饋的移位寄存器構(gòu)成，如果移位寄存器位 數(shù)為n ，則產(chǎn)生的序列長(zhǎng)度為2 n 1 。g l 和g 2 都是由1 0 位寄存器組成，所以對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的序列長(zhǎng)度 為2 1 0 1 = 1 0 2 3 。反饋電路是由模2 加法實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)移位寄存器g 1 和g 2 的初值是全“l(fā) ”且預(yù)先 置入寄存器。衛(wèi)星表示號(hào)( i d ) 是根據(jù)g 2 發(fā)生器的兩個(gè)輸出位置來決定的( 圖2 1 ) ?？偣灿?3 7 個(gè)不同的輸出序列，其中3 2 個(gè)序列可為3 2 顆衛(wèi)星的c a 碼所利用，且目前只有2 4 顆衛(wèi)星在 運(yùn)作，另外5 個(gè)c a 碼保留作為其他用途。 第二章g p s 接收機(jī)原理 表2 1c a 碼相位分配規(guī)定 衛(wèi)星c a 碼衛(wèi)星c ，a 碼衛(wèi)星c i a 碼衛(wèi)星 c a 碼 p r n 抽頭 p r n 抽頭 p i t n 抽頭 p r n 抽頭 號(hào)選擇號(hào)選擇號(hào)選擇號(hào)選擇 l2o61 1 3o4 2 l5o83 l 308 23o71 25o62 26o93 2 4o9 34081 36o72 3lo3 3 35o1 0 45o91 47o82 44o63 44o1 0 5lo91 580 92 55o73 51o7 62061 6901 02 66083 62 國(guó)8 71081 71o42 7 7o9 3 7401 0 8 2o91 82052 88ol o 930l o1 93o62 9106 1 02032 04o73 02o7 這組c a 碼的碼長(zhǎng)、周期和數(shù)碼率均相同。即： 碼長(zhǎng)：n = 2 1 0 0 1 - - 1 0 2 3 b i t 周期：t = l m s 數(shù)碼率：1 0 2 3 m b i t s 由此可以推斷出碼元寬度為：t o2 齋嘉m s = 0 9 7 7 5 2 p s ，這樣一個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的距離為： 3 1 0 s 0 9 7 7 5 2 1 0 _ 6 ：2 9 3 3 m 。 由于c a 碼相對(duì)于p 碼比較短，所以易于捕獲。在g p s 定位中，為了捕獲c a 碼，以測(cè)定衛(wèi) 星信號(hào)的傳播延遲，需要對(duì)所有的c a 碼逐個(gè)搜索，通過c a 碼捕獲衛(wèi)星后，獲得導(dǎo)航電文后， 便可以很容易地捕獲p 碼( 也是利用p 碼進(jìn)行定位的思路) 。c a 碼的碼元寬度較大，一個(gè)碼元 誤差對(duì)應(yīng)的測(cè)距誤差為2 9 3 3 m ，由于精度較低，故c a 碼也稱為粗碼。 在用c 語言或者m a t l a b 進(jìn)行c a 碼發(fā)生器編程的時(shí)候，用兩個(gè)長(zhǎng)度為1 0 的一維數(shù)組代替g 1 和g 2 且i j 可，然后根據(jù)具體的c a 碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的反饋操作，模2 加法采用除2 取余算 法即可，如圖2 1 所示。 6 第二章g p s 接收機(jī)原理 霄 舌 已 鑄 零 褥 蠢 圖2 2c a m 的頻譜圖( 將1 0 2 3 位擴(kuò)h 茈1 6 3 6 7 位后的c a 碼) g p s 信號(hào)采用c a 碼是利用了其相關(guān)特性，該特性類似于數(shù)學(xué)中的三角函數(shù)的正交性， 所謂的三角函數(shù)系【2 2 j ： l ，c o s x ，s i n x ，c o s 2 x ，s i n 2 x ，c o s n x ，s i n n x ， 在區(qū)間 一萬，萬】上正交，就是在三角函數(shù)系中任何不同的兩個(gè)函數(shù)的乘積在區(qū)間【一萬，萬】上 的積分等于零，即： i c o s o c s i n n x = o ( k 胛，k ，刀= 1 ，2 ，3 ，)( 2 - 1 ) 其中區(qū)間卜刀，萬】可以改成任何長(zhǎng)度為2 ，r 的區(qū)間。 前面提過在對(duì)g p s 信號(hào)進(jìn)行捕獲的時(shí)候，需要對(duì)所有的c a 碼逐個(gè)搜索，這樣做的目的 是為了能搜索到可見星，因?yàn)椴煌腸 a 碼對(duì)應(yīng)著不同的衛(wèi)星，相當(dāng)于一個(gè)對(duì)號(hào)入座的過程， 恰恰類似與三角函數(shù)正交性的c a 碼的相關(guān)特性提供了基礎(chǔ)。 如果碼是正交的，則互相關(guān)的值就是零，g o l d 碼雖然不是正交，但是接近于正交，這意 味其互相關(guān)值不為零，但是非常小。 從第k 顆衛(wèi)星得到的碼的時(shí)間平均時(shí)問相關(guān)函數(shù)x ( t ) 如下： _ r o ) = ：le 礎(chǔ)石。o 弦o f ) 西( 2 2 ) 1 c o d e ” 下面根據(jù)時(shí)間偏移和碼元周期的關(guān)系來進(jìn)行討論【1 7 】： 首先，來看下時(shí)間偏移是碼元周期的整數(shù)倍的情況，即f = z z ： 7 一 第二章g p s 接收機(jī)