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多天线GPS测姿接收机设计与实现

作　者: 王彪
导　师: 徐定杰; 肖海潮
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制工程
关键词: GPS 姿态测量 FPGA DSP
分类号: TN851
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着卫星导航系统的发展，利用卫星导航系统进行载体姿态测量的研究也取得关键性成果。对基于GPS的载体的姿态测量技术，国内外学者做了大量的研究并提出了一些实现方案和优秀算法，某些知名公司开发出了相应的产品用于研究与验证，甚至应用到实际姿态测量中。对姿态测量接收机的关键技术进行了研究。主要包括信号的捕获和跟踪、整周模糊度的求解和载体姿态的计算。GPS信号的捕获采用基于FFT的快速捕获方法，设计了基于自适应卡尔曼滤波器的载波跟踪环和经过载波环辅助的码跟踪环，建立了一种基于载波相位双差求解整周模糊度的模型，并据此精确的求解天线的坐标，最后给出根据天线精确坐标求解载体姿态的原理和算法。本文设计了一个基于高性能FPGA和DSP的多天线姿态测量系统硬件平台。该平台在同一时钟信号下对多个天线接收到的GPS信号进行采样，再经过FPGA和DSP对多个信号的同时处理，测量出载体的姿态。针对当前数字信号处理技术现状及姿态测量对硬件的需求，采用FPGA和DSP来设计多天线GPS姿态测量接收机。FPGA用于实现高速、高吞吐量的GPS信号捕获和跟踪，DSP用于求解复杂的整周模糊度和载体的姿态。在Altium Designer中完成射频模块、基带信号处理模块以及姿态测量模块的电路原理图设计，通过合理的PCB设计以及细致有序的焊接调试工作，完成姿态测量硬件平台的设计。对多天线GPS姿态测量接收机的各关键算法做了系统的分析并进行程序设计。在FPGA中设计GPS信号捕获和跟踪程序，在DSP中设计姿态测量姿态测量计算程序。简要分析了FPGA和DSP设计开发的基本方法，并设计了FPGA和DSP的主程序。实验测试表明，所设计的姿态测量接收机能够正常工作。理论分析表明所设计的多天线GPS测姿算法能够精确快速的实现载体姿态的测量。由于所设计的姿态测量接收机在同步时钟信号下进行测量，在同一平台下进行数据处理，因而在误差的消除和实时性上将有良好的性能。该平台对于多天线GPS姿态测量技术的进一步研究有一定价值。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 背景、目的及意义  11-12
  1.2 测姿技术现状  12-14
  1.3 论文工作  14-15
  1.4 论文安排  15-16
第2章 GPS 基本理论  16-26
  2.1 GPS 系统简介  16-19
    2.1.1 GPS 系统的结构  16-17
    2.1.2 GPS 信号结构  17-18
    2.1.3 GPS 导航电文  18-19
  2.2 GPS 定位原理  19-22
    2.2.1 GPS 伪距定位  19-21
    2.2.2 GPS 载波相位定位  21-22
  2.3 坐标系定义及旋转矩阵  22-25
    2.3.1 地心地固坐标系（ECEF）  22-23
    2.3.2 当地水平坐标系（LLS）  23-24
    2.3.3 载体坐标系  24
    2.3.4 坐标变换  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章测姿接收机关键算法研究  26-42
  3.1 GPS 信号捕获  26-28
    3.1.1 FFT 快速捕获算法原理  27-28
    3.1.2 FFT 快速捕获算法  28
  3.2 GPS 信号跟踪算法  28-34
    3.2.1 载波跟踪算法  29-31
    3.2.2 伪随机码跟踪算法  31-34
  3.3 载体姿态解算  34-36
    3.3.1 三天线姿态求解  34-35
    3.3.2 多天线姿态估计  35-36
  3.4 整周模糊度求解方法  36-40
    3.4.1 现有的模糊度求解法  36-37
    3.4.2 基于载波相位双差的模糊度求解  37-40
  3.5 精确求解天线坐标  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章测姿接收机硬件平台设计  42-62
  4.1 测姿接收机功能概述  42-43
  4.2 射频前端设计  43-47
    4.2.1 MAX2769 简介  44-45
    4.2.2 射频前端电路设计  45-47
  4.3 基带信号处理部分电路设计  47-52
    4.3.1 FPGA 芯片简介  47-49
    4.3.2 基带信号处理部分电路设计  49-52
  4.4 测姿部分电路设计  52-57
    4.4.1 DSP 简介  53-54
    4.4.2 DSP 电路设计  54-57
  4.5 电源部分电路设计  57-58
  4.6 PCB 设计  58-60
    4.6.1 整体规划与参数设置  59
    4.6.2 PCB 布局、布线  59-60
    4.6.3 电源层、地层设计  60
    4.6.4 信号测试  60
  4.7 本章小结  60-62
第5章软件设计及系统调试  62-72
  5.1 基带信号处理部分软件设计  62-64
    5.1.1 信号捕获程序设计  62-63
    5.1.2 信号跟踪程序设计  63-64
  5.2 姿态测量算法方案设计  64-65
  5.3 FPGA 程序设计  65-68
    5.3.1 FPGA 开发流程  66-67
    5.3.2 FPGA 主程序设计  67-68
  5.4 DSP 程序设计  68-70
    5.4.1 CCS 开发环境及 cmd 文件编写  68-69
    5.4.2 机上执行算法编写  69
    5.4.3 DSP 自启动  69-70
  5.5 电路板焊接及调试  70-71
    5.5.1 元器件焊接和硬件系统基本测试  70
    5.5.2 FPGA 和 DSP 功能调试  70-71
    5.5.3 射频模块调试  71
  5.6 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  77-78
致谢  78

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