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基于FPGA的伪GPS卫星信号的研究与实现

作　者: 姚铭
导　师: 张小华
学　校: 湖北工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 全球定位系统直接序列扩频伪随机噪声码导航电文内嵌逻辑分析仪
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

自六十年代底,美国军方提出了NAVSTAR GPS的概念以来,如今GPS系统已经满足了当时提出的最佳定位系统标准。由于GPS系统可以向无限个用户提供精确的PVT(三维位置、速度、时间),所以它具有极其广泛的应用。然而,GPS系统的高精度、可靠性、信息完整度等诸多优越性是建立在至少四颗可视SV(GPS空间卫星)的空间几何分布与其射频编码信号的完整性与可靠性之上的,因此,GPS接收机会在某些相对封闭的场所(如钢架结构厂房、隧道、封闭的写字楼等等)中失去正常的功能。另外、尽管美国军方采用的是GPS系统中的精密定位服务(PPS,一般民用系统为标准定位服务即SPS),采用了反欺骗(Antispoofing,AS)和选择可用性(Selective Availability,SA)的两种加密特性来实现加密(SA已于2000年5月1日停用),但研究GPS编码信号是制造干扰器的必要手段,可以利用伪卫星模拟GPS星座,干扰和误指挥敌方设备进行错误导航。所以研究GPS伪卫星和编码是非常有必要的。本方案的设想是对于GPS双频信号的完全模拟,那么就需要对GPS真实信号进行详细的研究和剖析。本篇文章主要是针对GPS数字信号的编码、导航电文的解析、以及硬件的实现进行的研究。这些是实现GPS伪卫星的必要过程和方法。文章的第一章介绍GPS导航系统的发展和现状以及未来GPS信号的发展趋势,第二章详细研究GPS信号的伪随机序列码(C/A码和P码)和直接序列扩频技术(DSSS)。第三章是关于导航电文的详细介绍,对于导航电文的研究是实现伪卫星的关键所在,因此需要细化到每一个比特加以说明。第四章是方案的实现方法和调试结果,在本章中也包含了部分的程序代码和仿真图形。本方案的核心芯片是采用ALTERA公司的Cyclone II系列FPGA, EP2C5Q208C8。该芯片资源丰富含有4608个逻辑单元(LE)、142个用户IO脚、117K的RAM另外加上2个PLL为系统提供了强大的硬件支持。利用VerilogHDL语言来完成C/A码和P码的发生和系统的控制,导航电文储存于FPGA片内ROM中。实验结果将进行仿真并用QuartusII软件提供的强大的内嵌逻辑分析仪(SigalTap II Logic Analyzer)和数字示波器来加以验证。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章引言  9-13
  1.1 全球定位系统的简介  9-10
  1.2 全球定位系统现代化计划  10-11
  1.3 GPS 伪卫星的概述  11
  1.4 文章内容简介  11-13
第2章 GPS 伪卫星信号的编码构成和解析  13-22
  2.1 概述  13
  2.2 信号的调制方式  13
  2.3 信号的构成  13-15
  2.4 伪随机噪声码的产生  15-21
    2.4.1 PRN 码的产生和特性  15-16
    2.4.2 粗码C/A 码的构成  16-18
    2.4.3 精码P 码的构成  18-21
  2.5 本章小结  21-22
第3章 GPS 伪卫星的导航电文  22-33
  3.1 概述  22
  3.2 导航电文格式和解析  22-32
    3.2.1 导航电文的基本格式  22-23
    3.2.2 导航电文的内容  23-32
  3.3 本章小结  32-33
第4章方案的硬软件设计以及仿真和测试分析  33-54
  4.1 核心芯片FPGA 的介绍  33
  4.2 方案系统的框架和设计  33-35
  4.3 单片机程序的设计  35-39
  4.4 FPGA 程序的设计  39-47
    4.4.1 顶层模块的设计  39-41
    4.4.2 C/A 码发生器的设计及仿真  41-43
    4.4.3 P 码发生器的设计及仿真  43-47
    4.4.4 D 码（导航电文）ROM 的设计  47
  4.5 测试结果和分析  47-52
    4.5.1 关于内嵌逻辑分析仪(SigalTap II Logic Analyzer)的说明  48-49
    4.5.2 信号的测试和分析  49-52
  4.6 本章小结  52-54
第5章总结与展望  54-58
  5.1 论文总结  54
  5.2 方案的展望  54-55
  5.3 关于备用方案  55-58
参考文献  58-61
致谢  61

基于FPGA的伪GPS卫星信号的研究与实现

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