卫星定位P码直接捕获技术研究
摘要
GPS(Global Positioning System)中的P码码速率高且周期长，与C／A码相比，P码的精确度高，抗干扰性强。传统的P码捕获技术是从C／A码中获得P码的相关信息后然后对P码进行捕获，但是当C／A码不可用时，就只能对P码进行直接捕获。
本文对应用于高动态、低信噪比下的数字化中频直扩接收机中的同步技术进行了研究，提出了GPS(Global Positioning System)中P码直接快速捕获的方法，并对其进行了实现。文章首先介绍了论文的选题背景及GPS相关知识，给出了P码直接捕获在GPS接收机中的意义。其次，介绍了几种常用的伪随机码捕获方法及不适合于P码直接快速捕获的原因。为了对P码进行直接快速捕获，论文还介绍了本地P码的生成，并可将P码设置在GPS周的任意时刻，对不同GPS卫星之间P码的互相关性和局部自相关性进行了Matlab仿真。最后，详细介绍了基于FFT的P码直接快速捕获方法，并对其进行了仿真及FPGA、DSP实现。
仿真结果及实现结果表明，基于FFT的P码直接快速捕获方法与传统的滑动相关法相比，捕获时间缩短了十倍以上，捕获运算量大大减少，此方法对其它长伪随机码的直接快速捕获技术有很好的借鉴意义。
The Global Positioning System (GPS) P-code has a higher chipping rate, better accuracy and anti-jamming property than C/A code. When C/A code is not available, direct P-code acquisition is useful.
This thesis investigates the synchronization of digitalized DSSS receiver in high-dynamic and low SNR environment, presents and realizes the methods of fast P-code acquisition in GPS. Firstly, the background of this thesis and fundamental theory of GPS are introduced, and the significance of direct P-code acquisition in GPS receiver is displayed. Secondly, this thesis introduces several conventional code acquisition methods and the reason why they are not fit for direct P-code acquisition. In order to realize direct P-code acquisition, this thesis also introduces the way to generate the P-code which can set the P-code at any specific time during a week, and simulates the cross correlation and partial autocorrelation of P-code for different GPS satellites. In the precondition of good cross correlation and partial autocorrelation of P-code, fast P-code acquisition scheme based on FFT is proposed and realized in FPGA and DSP.
Compared to conventional slipping correlation method, the time of fast P-code acquisition scheme based on FFT is reduced more than ten times and the calculation is reduced rapidly. It's useful for other direct long PRN codesacquisition.
本文对应用于高动态、低信噪比下的数字化中频直扩接收机中的同步技术进行了研究，提出了GPS(Global Positioning System)中P码直接快速捕获的方法，并对其进行了实现。文章首先介绍了论文的选题背景及GPS相关知识，给出了P码直接捕获在GPS接收机中的意义。其次，介绍了几种常用的伪随机码捕获方法及不适合于P码直接快速捕获的原因。为了对P码进行直接快速捕获，论文还介绍了本地P码的生成，并可将P码设置在GPS周的任意时刻，对不同GPS卫星之间P码的互相关性和局部自相关性进行了Matlab仿真。最后，详细介绍了基于FFT的P码直接快速捕获方法，并对其进行了仿真及FPGA、DSP实现。
仿真结果及实现结果表明，基于FFT的P码直接快速捕获方法与传统的滑动相关法相比，捕获时间缩短了十倍以上，捕获运算量大大减少，此方法对其它长伪随机码的直接快速捕获技术有很好的借鉴意义。
The Global Positioning System (GPS) P-code has a higher chipping rate, better accuracy and anti-jamming property than C/A code. When C/A code is not available, direct P-code acquisition is useful.
This thesis investigates the synchronization of digitalized DSSS receiver in high-dynamic and low SNR environment, presents and realizes the methods of fast P-code acquisition in GPS. Firstly, the background of this thesis and fundamental theory of GPS are introduced, and the significance of direct P-code acquisition in GPS receiver is displayed. Secondly, this thesis introduces several conventional code acquisition methods and the reason why they are not fit for direct P-code acquisition. In order to realize direct P-code acquisition, this thesis also introduces the way to generate the P-code which can set the P-code at any specific time during a week, and simulates the cross correlation and partial autocorrelation of P-code for different GPS satellites. In the precondition of good cross correlation and partial autocorrelation of P-code, fast P-code acquisition scheme based on FFT is proposed and realized in FPGA and DSP.
Compared to conventional slipping correlation method, the time of fast P-code acquisition scheme based on FFT is reduced more than ten times and the calculation is reduced rapidly. It's useful for other direct long PRN codesacquisition.
引文
[1] Jing Pang, Direct Global Positioning System P-code Acquisition Field Programmable Gate Array Prototyping[D], College of Engineering and Technology Ohio University, California, 2003: 30-35.
[2] Jing Pang, Fast Direct GPS P-Code Acquisition, GPS Solutions[J], 9 October 2003: 168-175.
[3] ICD-GPS-200C
[4] New Fast GPS Code-acquisition Technique using FFT[J], Electronics letters, 17th January, 1991,Vol. 27.
[5] P.M. Grant, S.M. Spangenberg, I. Scott, S. McLaughlin, G.J.R. Povey and D.G.M. Cruickshank. Doppler estimation for fast acquisition in spread spectrum communication systems[J]. IEEE. 1998
[6] Raymond L.Filler. Clock Performance and Direct GPS P(Y)-Code (RE) Acquisition[J]. IEEE International Frequency Control. 1998
[7] Robert Wolfert, Steve Chen, Sanjai Kohli, Don Leimer. Direct P(Y)-Code Acquisition Under a Jamming Environment[J]. IEEE. 1998
[8] TMS320VC5410A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual. http://www.ti.com.: 68-69
[9] FFT MegaCore.Function User Guide http://www.altera.com: (3-10)-(3-11)
[10] TMS320C54x DSP Reference Set, Volume 1: CPU and Peripherals. http://www.ti.com.
[11] TMS320C54x DSP Reference Set, Volume 4: Applications Guide. http://www.ti.com.
[12] 张守信．GPS技术与应用[M]，北京，国防工业出版社．2004．6
[13] 金俊坤，吴嗣亮，李菊．基于基2-FFT的伪码快速捕获实现新算法[J]，系统工程与电子技术，2005年11月，第27卷第11期：1957-1960
[14] 曾兴雯、刘乃安．通信中的扩展频谱技术[M]，西安电子科技大学，1995年，146～156
[15] Elliott D．Kaplan．GPS原理与应用[M]，邱致和，王万义译，北京，电子工业出版社，2002，8：52-56．
[16] 夏宇闻．Verilog数字系统设计教程[M]．北京航空航天大学出版社，2003年7月第1版．
[17] 赵媛、刘成朋．基于FFT伪码捕获方法及性能[J]，测控技术，2004年，Vol．34，No．9，38～39
[18] 胡广书．数字信号处理—理论、算法与实现[M]，清华大学出版社，2003年7月，22～27，285～287
[19] 樊昌信，詹道庸，徐炳祥等．通信原理[M]，国防工业出版社，2000年10月第4版
[20] 黄振，陆建华，杨士中．卫星通信中多普勒频移的快速捕获[J]，电子学报，2003．7．
[21] EDA先锋工作室 吴继华，王诚．Altera FPGA／CPLD设计(基础篇)[M]．人民邮电出版社，2005年7月第1版．
[22] EDA先锋工作室 吴继华，王诚．Altera FPGA／CPLD设计(高级篇)[M]．人民邮电出版社，2005年7月第1版．
[23] 张亮．数字电路设计与Vedlog HDL[M]．人民邮电出版社，2000年10月第1版
[24] 郭肃丽，刘云飞．一种基于FFT的伪码快捕方法[J]，扩频技术，2003．
[25] Uwe Meyer-Baese著，刘凌 胡永生译，数字信号处理的FPGA实现[M]．清华大学出版社，2003年1月第1版．
[26] Donald E．Thomas，Philip R．Moorby著，刘明业，蒋敬旗，刁岚松等译，硬件描述语言Vedlog(第四版)[M]，清华大学出版社，2001年8月第1版
[27] 胡建波，杨莘元，卢满宏．一种基于FFT的高动态扩频信号的快速捕获方法[J]，遥测技术，2004．11
[28] 陈辉．伪码在大动态多普勒条件下的快速捕获[J]，无线电技术，2005
[29] 展放，张君昌．数字匹配滤波器在直序扩频快速捕获中的应用[J]，航空电子技术，2003．9．
[30] 楼顺天，李博菡．基于MATLAB的系统分析与设计—信号处理[M]，西安电子科技大学出版社，1999．9．
[31] 金璐．GPS卫星定位系统中的P码直接捕获技术研究[D]，西北工业大学，2006．3
[2] Jing Pang, Fast Direct GPS P-Code Acquisition, GPS Solutions[J], 9 October 2003: 168-175.
[3] ICD-GPS-200C
[4] New Fast GPS Code-acquisition Technique using FFT[J], Electronics letters, 17th January, 1991,Vol. 27.
[5] P.M. Grant, S.M. Spangenberg, I. Scott, S. McLaughlin, G.J.R. Povey and D.G.M. Cruickshank. Doppler estimation for fast acquisition in spread spectrum communication systems[J]. IEEE. 1998
[6] Raymond L.Filler. Clock Performance and Direct GPS P(Y)-Code (RE) Acquisition[J]. IEEE International Frequency Control. 1998
[7] Robert Wolfert, Steve Chen, Sanjai Kohli, Don Leimer. Direct P(Y)-Code Acquisition Under a Jamming Environment[J]. IEEE. 1998
[8] TMS320VC5410A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual. http://www.ti.com.: 68-69
[9] FFT MegaCore.Function User Guide http://www.altera.com: (3-10)-(3-11)
[10] TMS320C54x DSP Reference Set, Volume 1: CPU and Peripherals. http://www.ti.com.
[11] TMS320C54x DSP Reference Set, Volume 4: Applications Guide. http://www.ti.com.
[12] 张守信．GPS技术与应用[M]，北京，国防工业出版社．2004．6
[13] 金俊坤，吴嗣亮，李菊．基于基2-FFT的伪码快速捕获实现新算法[J]，系统工程与电子技术，2005年11月，第27卷第11期：1957-1960
[14] 曾兴雯、刘乃安．通信中的扩展频谱技术[M]，西安电子科技大学，1995年，146～156
[15] Elliott D．Kaplan．GPS原理与应用[M]，邱致和，王万义译，北京，电子工业出版社，2002，8：52-56．
[16] 夏宇闻．Verilog数字系统设计教程[M]．北京航空航天大学出版社，2003年7月第1版．
[17] 赵媛、刘成朋．基于FFT伪码捕获方法及性能[J]，测控技术，2004年，Vol．34，No．9，38～39
[18] 胡广书．数字信号处理—理论、算法与实现[M]，清华大学出版社，2003年7月，22～27，285～287
[19] 樊昌信，詹道庸，徐炳祥等．通信原理[M]，国防工业出版社，2000年10月第4版
[20] 黄振，陆建华，杨士中．卫星通信中多普勒频移的快速捕获[J]，电子学报，2003．7．
[21] EDA先锋工作室 吴继华，王诚．Altera FPGA／CPLD设计(基础篇)[M]．人民邮电出版社，2005年7月第1版．
[22] EDA先锋工作室 吴继华，王诚．Altera FPGA／CPLD设计(高级篇)[M]．人民邮电出版社，2005年7月第1版．
[23] 张亮．数字电路设计与Vedlog HDL[M]．人民邮电出版社，2000年10月第1版
[24] 郭肃丽，刘云飞．一种基于FFT的伪码快捕方法[J]，扩频技术，2003．
[25] Uwe Meyer-Baese著，刘凌 胡永生译，数字信号处理的FPGA实现[M]．清华大学出版社，2003年1月第1版．
[26] Donald E．Thomas，Philip R．Moorby著，刘明业，蒋敬旗，刁岚松等译，硬件描述语言Vedlog(第四版)[M]，清华大学出版社，2001年8月第1版
[27] 胡建波，杨莘元，卢满宏．一种基于FFT的高动态扩频信号的快速捕获方法[J]，遥测技术，2004．11
[28] 陈辉．伪码在大动态多普勒条件下的快速捕获[J]，无线电技术，2005
[29] 展放，张君昌．数字匹配滤波器在直序扩频快速捕获中的应用[J]，航空电子技术，2003．9．
[30] 楼顺天，李博菡．基于MATLAB的系统分析与设计—信号处理[M]，西安电子科技大学出版社，1999．9．
[31] 金璐．GPS卫星定位系统中的P码直接捕获技术研究[D]，西北工业大学，2006．3