（毕业论文 字数：39150 页数：94）摘要 ：GPS卫星导航定位技术于上世纪80年代末引入中国，经过十多年的发展，我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟。随着我国经济的不断发展，GPS技术的应用已经渗透到许多行业中，特别是电子消费类的GPS产品中，如新式钟表、轿车和手机。开发具有自主知识产权、性能优越的GPS芯片和接收机模块是当前国内GPS技术发展的重点和难点。
本研究以开发面向普通用户，使用方法较简单的小型GPS信号接收机为目的，其中以研究GPS接收机的数字基带信号处理方法及其FPGA实现为主要内容，包括载波NCO、码NCO、C/A码发生器、积分清零器等核心模块的设计，并给出各模块软件和硬件的仿真结果，验证方案的正确性。本设计完成了一个单通道的GPS数字基带信号捕获和跟踪通道的设计，通过对其扩展为多通道，则可作为GPS基带信号数字化处理测试平台，也可作为导航数据解算的前端部分，是完整的GPS信号接收机的开发基础。由于FPGA的先进性和灵活性，该设计方案和实现方法可扩展到其他的扩频通信领域，有较好的发展前景。
本研究使用的编程语言为VHDL硬件描述语言，软件开发平台为Altera公司推出的CPLD/FPGA集成开发环境Quartus II，硬件开发平台为一套FPGA开发板，其核心FPGA芯片为Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，设计最后通过利用一个GPS信号接收模块（JRT-18）获得NEMA-0183标准的GPS数据，并使用FPGA设计串行数据接收器和液晶显示控制系统，完成了整个GPS接收机的设计。该GPS接收机为是一个16通道的GPS接收机，设计的GPS接收机的性能参数如下：
(1)、 具备同时跟踪16颗卫星的能力；
(2)、 输出串行数据更新率为1秒钟，比特率为9600；
(3)、 接收机工作在L1频段，捕获C/A码；
(4)、 典型的信号捕获灵敏度为-147dbm，典型的信号捕获灵敏度为-154dbm
(5)、 接收机的定位精度为5-25米范围内；

关键词：GPS接收机,捕获,跟踪,FPGA,VHDL

GPS(global positioning system) the technology of navigation by satellite which is brought in CHINA on 8th decades of last century. With the development of this years, the market of navigate equipment become very mature. At the same time with the development of economy in our country, the application of GPS is brought into many businesses. Especially the consumer electronics. For example, new-fashioned watches、automobiles and mobile phones. To exploit the GPS ICs which have the independent intellectual property rights and high quality performance is the most important and most difficult thing in GPS development in our country.
This design is purpose to exploit one sample GPS receiver. The research force on the base band signal processing of the GPS receiver and its implement by FPGA. The subject matter including the design of Carrier Wave NCO、Code NCO、C/A code Generator and so on. This design programmed and verified by the simulation of software and hardware, in order to finish a single GPS base band signal acquisition and tracking channel. This channel is expandable and can use as a test platform to the GPS base band signal processing. It also can use as the forward part of navigation resolving. The channel is the exploit base of whole GPS receiver. Because of the progression and flexibility of the FPGA, this design can expand on many other fields of spread spectrum communication.
This design is use VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) as the programming language. The simulation software is Quartus II. The exploiting hardware is FPGA（EP1C6Q240C8）exploit board. At the end of this design, the designer uses a GPS receiver IC(JRT-18) to acquire the NEMA-0183 standard GPS data. And use FPGA to design the serial data receiver and LCD display system. At finally, finish the design of the whole GPS receiver. This GPS receiver has 16 channels. The performance parameters of the designed GPS receiver are as follow：
（1） Track 16 satellites at the same time；
（2） Update rate of output serial data is 1 second；
（3） Work at the L1 frequency. Acquire the C/A code；
（4） The typical signal acquisition sensitivity is -147dbm. The typical signal acquisition sensitivity is -154dbm；
（5） Precision of location is 5 to 25 meters；

KEYWORDS: GPS receiver；acquisition；tracking；FPGA；VHDL

目 录
设计总说明 I
INTRODUCTION II
1 引言 1
1.1 课题的来源 1
1.2 GPS系统概述 1
1.2.1 空间卫星部分 1
1.2.2 地面监控系统 2
1.2.3 用户设备 3
1.2.4 GPS特点及应用 3
1.3 国内外发展现状 4
1.4 论文研究的目的及内容 5
2 GPS信号发生和接收原理概述 6
2.1 GPS信号结构和调制 6
2.1.1 载波 6
2.1.2伪随机码（PRN码） 6
2.1.2 GPS导航电文 9
2.1.3 GPS信号的调制 9
2.2 GPS信号接收机结构和原理 10
2.2.1 天线单元 11
2.2.2 变频器单元（射频单元） 11
2.2.3 信号通道 11
2.2.4 存储器 12
2.2.5 微处理器与显控 13
2.2.6 电源 13
2.3 数字GPS接收机 13
3 GPS信号的捕获和跟踪的分析与研究 14
3.1 GPS信号的捕获策略分析 14
3.2 载波跟踪环 16
3.2.1 锁相环（PLL） 16
3.2.2 科斯塔斯环（Costas环） 16
3.2.3 数字Costas环的功能部件 17
3.3 伪随机码跟踪环 19
3.3.1 数字非相干延迟锁相环（DDLL） 19
3.3.2 码跟踪环的功能部件 20
3.4 GPS数字接收机通道 23
4 GPS信号捕获和跟踪通道的设计与仿真 24
4.5 载波NCO的设计 24
4.6 数字混频器的设计 27
4.7 码NCO的设计 29
4.8 C/A码发生器的设计 30
4.8.1 M序列发生器 30
4.8.2 C/A码发生器 31
4.8.3 三位移位寄存器 33
4.9 数字相关器与积分累加器的设计 34
4.10 门限检测单元的设计 34
4.11 GPS数字中频信号发生器设计 36
4.12 信号通道的综合设计 39
5 GPS信号接收机设计 44
5.1 JRT-18型GPS信号接收模块 44
5.2 NEMA-0183数据协议 45
5.3 UART接收器设计 46
5.4 LCD显示控制单元设计 48
5.5 GPS接收机的连接与测试 51
5.5.1 GPS接收机的电路连接 51
5.5.2 GPS接收机功能测试 53
6 总结与展望 57
鸣 谢 58
参考文献 59
附 录 VHDL代码 60



1 引言
1.1 课题的来源
全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空，进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，同时能为用户提供连续实时、高精度的三维位置、速度和时间基准，使得GPS在航海、航天、测量、运动载体监控调度等诸多领域得到了广泛的应用。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓[1,2]。
目前，GPS的应用已经扩展到海、陆、空、各种军、民用领域，包括车船导航与定位、大地测量、野外勘测、海洋测量、石油勘探、管道与电缆铺设、飞机导航与进场着陆、空中交通管制、导弹制导与定位、空间飞行器的精密定轨等。 GPS已经与人们的日常生活和工作密不可分，如何更好的利用GPS为我国的社会主义现化服务，已经成为当前我国科技工作者一个刻不容缓的任务。
GPS系统中GPS信号接收机是直接面向用户的部分，其主要任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以获得必要的定位信息和观测量，并对数据处理、解算，以完成定位和导航工作，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同用户要求的GPS信号接收机也各有差异。由于GPS接收机用户来说最直接，如何功能强大，接收稳定，误差小精度高的GPS接收机是生产商和用户最关心的问题，关系着GPS的发展和应用，因此研究GPS信号接收和处理技术有着重大的实际意义。
1.2 GPS系统概述
1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统－navigation by satellite timing and ranging(NAVSTAR) global positioning system,我们称之为GPS卫星全球定位系统，简称为GPS系统。该系统由三大组成部分构成：GPS卫星星座（空间部分），地面监控系统（控制部分）和GPS信号接收机（用户部分）[3]。
1.2.1 空间卫星部分
GPS工作卫星及其星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，如图1-1所示。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗， 最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗 GPS卫星，称为定位星座。
GPS卫星的主要功能为:(1)接收和存储由地面监控站发来的导航信息、接收并执行监控站的控制命令;(2)卫星上设有微处理机，进行必要的数据处理;(3)通过星载高精度原子钟产生基准信号，提供精确的时间标准;(4)向用户连续不断地发送导航定位信号:(5)接收地面主控站通过注入站发送给卫星的调度命令，如调整卫星的姿态、启用备用时钟或者启用备用卫星等。
1.2.2 地面监控系统
GPS地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。地面监控系统如图1-2所示。
(1)、 主控站：主控站又称联合空间执行中心（CSOC），它位于美国科罗拉多州普林斯附近的佛肯（Colorado Spring Falcon）空军基地。主要任务是：采集数据、推算编制导航电文。给定全球定位系统时间基准。协调和管理所有地面监测站和注入站系统。调整卫星运动状态，启动备用卫星。
(2)、 注入站：3个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。每天注入3次，每次注入14天的星历。
(3)、 监测站：5个监测站除了位于主控站和3个注入站之外的4个站以外，还在夏威夷设立了1个监测站。它的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。每个监测站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据[4]11。
1.2.3 用户设备
GPS用户设备主要包括接收机和处理控制解算的显示设备，其核心是GPS接收机。GPS的空间部分和地面监控部分是该导航和定位的基础，用户只有通过GPS接收机才能实现导航和定位的目的。接收机是由天线单元、射频单元、通信单元和解算单元等四部分组成。接收天线接收卫星信号，信号经接收机解扩、解调处理,控制设备进行信号和信息处理，从中提取卫星星历、距离及距离变化率，时钟校正、大气校正等参量，获得定位和导航信息，完成导航和定位工作。用户接收机分为多种类：按使用环境可以分为低动态接收机、中动态接收机和高动态接收机；按所要求的精度可分为单频粗捕获码（C/A码）接收机和双频精码（P码）接收机；按用途还可以分为测量型和导航型。
1.2.4 GPS特点及应用
GPS是新一代的卫星定位导航系统，其最基本特点是以“多星、高轨、高频、测时－测距”为体制，以高精度的原子钟为核心，并以高精度、全天候、高效率、多功能、操作简单、应用广泛为特点著称。GPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。GPS技术的应用已发展为多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等）、多用途（导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载型、舰（船）载型、机载型、星载型、弹载型等）的高新技术。GPS的应用领域，已经无所不在了[4]16。
1.3 国内外发展现状
GPS问世以来，以其高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉，吸引了全世界许多用户。目前，在国外稳定的GPS市场已经形成，。以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一，GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT经济新增长点。根据估计，目前世界上有超过100家的公司正在研制各种各样的GPS用户接收机。大批量的OEM板接收机的价格将从1995年标准定位服务接收机的每片150美元降低到2003年的50美元左右。随着接收机价格的下降，GPS市场将会像PC机市场那样呈指数增长的趋势。目前，GPS市场呈现两种趋势：一是硬件价格以每年30％的速度持续下降；二是用户的各类应用软件不断增加。市场研究公司ABI最近的研究显示，2008年全球GPS市场总值将达220亿美元。ABI公司认为：GPS将在汽车中得到广泛应用，包括汽车使用情况跟踪和洲际卡车公司自动缴费等。ABI的研究表明，到2003年底，汽车和物流将成为GPS市场收入的重要来源，占50％以上的份额，而且这种趋势到2008年还将加剧。进一步研究发现，人员定位和手机应用的增长比率最高，明显高过整体市场12％的增长率。另外，GPS市场增长也将带动相关芯片的发展，用于GPS的芯片将会在最近几年保持强劲增长，并且承受的价格压力将会比其他半导体产品更加温和。
GPS卫星导航定位技术于上世纪80年代末引入中国，目前主要在大地测量(测绘、勘探)、海上渔业和车辆定位监控等领域得到了比较广泛的应用。在全球GPS应用领域中，车辆应用所占的比重最大，目前约占总数的40％以上。我国现在拥有世界上最大潜力的卫星导航应用市场。经过十多年的发展，我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟，批量化用户群体正在逐步形成，已进入应用行业高速发展的时期。然而在国内，虽然GPS接收机研制的起步较早，但由于各种因素的制约，发展较慢，绝大多数GPS接收机的厂商仍停留在买进国外的GPS OEM板，加入显示单元及控制键盘后作为整机出售的水平上，对GPS的核心技术研究不够深入。直到最近，我国第一套具有完全自主知识产权的高性能GPS芯片组才在西安诞生，打破国外垄断。国家已经认识到发展GPS的重要性，除了将强调研究高档的GPS技术和产品，我国还积极研发自主卫星定位系统“北斗”，国有关部门负责人表示在未来几年内中国将陆续发射系列北斗导航卫星，计划2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。自主研发才是改变我国卫星导航命运的根本途径。