基于FPGA的实时GPS接收机的设计与实现

摘要

GPS全球定位系统作为一个具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的卫星系统,其应用价值和市场需求正变得越来越大,成为众多国内外公司和科研机构的研究对象。GPS导航定位新算法的开发与验证工作得到了普遍的重视。本课题研究的主要内容是设计并实现GPS接收机射频前端的硬件平台、基于FPGA开发板及MicroBlaze软处理器的实时GPS接收机。该接收机能实现对GPS信号的混频及积分转储,对数字信号的基带处理,能正确解码导航电文,完成卫星及用户位置的定位,并能在上位机上将处理结果实时显示。天线接收GPS卫星信号后,在基于GP2015的射频前端硬件平台上进行混频采样处理,得到实时的GPS数字中频信号。通过Xilinx公司的FPGA开发板及MicroBlaze软处理器进行软硬件设计。其中,通过Verilog编程,实现GPS十二通道相关器的硬件设计。通过基于MicroBlaze软核的C编程,实现GPS信号实时控制、基带处理的软件设计。这样,整个FPGA平台就能实现对信号的粗捕获、码相位和频率的锁定跟踪,最终实现导航电文解码及用户位置定位。通过改写bootloader和连接器脚本,实现系统的BPI模式Flash启动。基于MFC,完成上位机控制软件,实现串口/以太网通信和动态显示功能。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 全球定位系统概述

1.2 GPS 接收机国内外发展现状

1.3 基于FPGA 的GPS 接收机的研究意义

1.4 本文的主要内容与组织结构

1.5 本章小结

第二章 GPS 系统概述

2.1 GPS 系统的组成

2.1.1 空间星座部分

2.1.2 地面控制部分

2.1.3 用户设备部分

2.2 GPS 定位原理

2.3 GPS 信号结构

2.3.1 载波

2.3.2 伪随机噪声码

2.3.3 导航电文

2.4 本章小结

第三章 总体设计

3.1 GPS 接收机系统设计框架

3.2 GPS 接收机组成模块及其实现

3.3 项目开发环境介绍

3.3.1 Xilinx Spartan-3A 1800A 开发板

3.3.2 MicroBlaze 软核

3.4 本章小结

第四章 射频前端设计

4.1 射频信号处理原理

4.2 射频前端基本结构

4.2.1 第一级变频滤波器

4.2.2 第二级变频滤波器

4.2.3 第三级变频滤波器

4.2.4 外置锁相环滤波器

4.2.5 晶体振荡器

4.2.6 GPS 射频前端的最终实现

4.3 本章小结

第五章 GPS 信号12 通道相关器的设计

5.1 总体功能框图

5.2 采样数据预处理模块

5.2.1 亚稳态现象

5.2.2 同步寄存器

5.2.3 具体实现

5.3 载波数控振荡器

5.3.1 数字控制振荡器

5.3.2 基于查找表的数控振荡器实现

5.4 C/A 码发生器模块

5.4.1 Gold 码

5.4.2 C/A 码的生成原理

5.4.3 C/A 码发生器的具体实现

5.5 混频与积分转储模块

5.5.1 数字乘法器

5.5.2 累加器

5.6 用户IP 核的生成

5.6.1 IP 核与EDK 简介

5.6.2 GPS 相关器IP 核的生成与使用

5.7 本章小结

第六章 GPS 信号处理软件设计

6.1 基带处理流程概述

6.2 系统初始化过程

6.2.1 串口初始化

6.2.2 参数初始化

6.2.3 系统初始化

6.2.4 GPS 数据初始化

6.2.5 通道初始化

6.2.6 使能中断

6.3 主程序部分

6.3.1 导航电文解码

6.3.2 相关器通道复位

6.3.3 位置计算

6.3.4 通道重分配

6.3.5 状态显示

6.4 中断程序部分

6.4.1 数据更新

6.4.2 捕获状态

6.4.3 确认状态

6.4.4 锁定状态

6.4.5 跟踪状态

6.5 硬件设计与软件设计的结合

6.6 BPI 模式FLASH 启动

6.7 上位机通信及显示

6.7.1 上位机用户界面

6.7.2 初始参数设置界面

6.7.3 实时GPS 接收机运行界面

6.8 本章小结

第七章 结论

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文