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北斗二代接收机捕获跟踪算法研究与实现

王松瑞  
【摘要】:随着信息技术的发展,卫星导航已经普遍应用于社会生活的多个领域,尤其在军事上得到快速应用和发展。北斗卫星导航系统作为全球卫星导航系统的重要一员,是我国独立自主进行研制的全球卫星导航系统。随着北斗系统的逐渐完善,北斗二代导航接收机的应用研究日益得到关注,尤其是在高动态下的应用研究已经成为国内外卫星导航定位研究的一个热点。在高动态环境下,北斗卫星信号载波会产生较大的多普勒频移及多普勒变化率,传统的信号捕获和跟踪技术已经无法应对卫星信号的动态变化,动态信号的基带信号处理部分已经成为北斗二代接收机研制的关键技术和研究难点之一。因此,高动态环境下北斗信号的快速捕获和稳定跟踪技术是一项具有挑战性和前瞻性的研究课题。本文的主要内容包括:1.介绍了北斗二代导航系统原理,讨论了其信号构成特点以及高动态对接收信号的影响,并指出了在高动态下捕获和跟踪阶段需要解决的技术难点。2.对于信号捕获技术,重点研究了基于时域串行、循环码相关、折叠匹配滤波器和多段匹配滤波器结合快速傅里叶变换捕获算法原理和Matlab仿真分析,比较分析了不同算法的捕获时间和资源占用情况,最后提出了适合在高动态环境下的快速捕获算法,即多段匹配滤波器结合快速傅里叶变换的快速捕获方案。3.对于信号跟踪技术,研究分析了载波跟踪环和码跟踪环的原理和环路参数设计,通过Matlab仿真研究了锁相环、锁频环和码环的动态适应性和跟踪误差,设计了使用四相频率牵引、二阶锁频环辅助三阶锁相环的载波跟踪和载波辅助下二阶延迟锁定环的码跟踪的跟踪方案,并通过Matlab对其进行了跟踪算法仿真分析。4.设计了基于FPGA硬件平台的捕获和跟踪算法,首先通过FPGA对多段匹配滤波器结合快速傅里叶变换算法进行了硬件设计和仿真实现,然后使用FPGA设计了二阶锁频环辅助三阶锁相环的载波跟踪算法和载波辅助下二阶延迟锁定环的码跟踪算法。最后在Modelsim仿真平台上对算法的关键模块进行了功能仿真验证,实现了北斗信号的捕获与跟踪功能。综上所述,本文在研究基带信号捕获和跟踪的基础上,提出了快速捕获算法和稳定跟踪方案,并通过Matlab实验仿真达到了预期的效果,最终在FPGA联合仿真平台上完成了整个北斗二代基带捕获和跟踪的功能仿真,对于高动态的接收机研究具有重要的参考意义。


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