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高动态GPS接收机载波跟踪算法研究与实现

作　者: 杨少委
导　师: 田忠
学　校: 电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: GPS接收机载波跟踪平方根UKF FPGA实现高动态
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 295次
引　用: 1次
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内容摘要

本课题研究的主要内容是针对高动态环境下GPS接收机的载波跟踪环路,提出一种基于SR-UKF的载波跟踪算法,并完成该算法的FPGA设计实现。由于载波跟踪过程是一个非线性的参数估计过程,特别是在高动态环境下,传统的基于锁频环和锁相环的载波跟踪环路难以保证动态性能。SR-UKF具有UKF的特点,不需要线性化系统模型,在估计非线性过程时有更高的精度,另一方面采用协方差矩阵的平方根进行载波迭代过程,能避免UKF在滤波过程中由于协方差矩阵负正定而发散。所以本论文在详细分析SR-UKF算法的原理及滤波过程的基础上,将SR-UKF应用于GPS的载波跟踪,详细说明了具体算法的设计过程并确定了载波跟踪环路的结构,最后通过Matlab对算法进行仿真,并对比SR-UKF、UKF和EKF的载波跟踪性能,仿真结果表明算法比UKF具有更好的数值稳定性,且比EKF具有更高的估计精度。同时,为了在FPGA上实现该算法,根据GPS载波跟踪的具体特点,对该算法进行化简,化简后的算法只包含最多4阶的矩阵加、减法、矩阵的乘法、下三角矩阵求逆、三角函数计算和Cholesky分解等运算,避免了复杂的QR分解,也不需要进行高阶的矩阵运算,更易于FPGA的设计实现,且可以减少FPGA资源的占用。最后,对化简后的算法进行Matlab仿真,结果验证了化简的正确性。本论文的另一个主要内容是完成SR-UKF算法的FPGA设计,通过前面部分对算法进行化简后,实现算法所要设计的模块得到明确,这部分详细说明了对化简后的算法中的各运算模块进行设计和实现的过程。在实现的过程中考虑到数值精度和FPGA资源占用,采用32位的单精度浮点数格式。每一个运算模块都给出了ModelSim的仿真结果,最后给出仿真结果。结果表明算法的FPGA实现过程中正确有效的。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-15
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 研究现状  13-14
  1.3 本文的研究内容及方法  14-15
第二章 GPS 系统组成与接收机基本原理  15-23
  2.1 GPS 系统组成  15-16
    2.1.1 空间卫星星座  15
    2.1.2 地面控制  15-16
    2.1.3 用户设备  16
  2.2 GPS 接收机基本原理  16-22
    2.2.1 GPS 信号  17-21
    2.2.2 GPS 载波跟踪原理  21-22
  2.3 本章小结  22-23
第三章基于 SR‐UKF 的载波跟踪算法  23-52
  3.1 SR-UKF 算法  23-31
    3.1.1 UT 变换  23-25
    3.1.2 UKF 算法  25-27
    3.1.3 SR-UKF 算法  27-31
  3.2 SR-UKF 算法用于 GPS 载波跟踪  31-40
    3.2.1 GPS 载波跟踪环路设计  31-34
    3.2.2 计算机仿真  34-40
  3.3 SR-UKF 载波跟踪算法化简  40-51
    3.3.1 SR-UKF 载波跟踪算法化简  40-48
    3.3.2 化简后仿真  48-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章 SR‐UKF 的 FPGA 实现  52-69
  4.1 开发工具简介  52-53
    4.1.1 Quartus II 简介  52
    4.1.2 ModelSim 简介  52-53
  4.2 SR-UKF 算法的 FPGA 实现  53-67
    4.2.1 浮点数  53
    4.2.2 矩阵的加法  53-55
    4.2.3 矩阵的乘法  55-58
    4.2.4 正弦和余弦的计算  58-60
    4.2.5 下三角矩阵求逆  60-62
    4.2.6 Cholesky 分解实现  62-65
    4.2.7 SR_UKF 模块总体仿真  65-67
  4.3 NCO 模块  67-68
  4.4 积分清零模块  68
  4.5 本章小结  68-69
第五章总结与展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-73
攻硕期间取得的研究成果  73-74

高动态GPS接收机载波跟踪算法研究与实现

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