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1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要随着通讯技术、计算机技术、信息论及航天与空间技术的迅猛发展,卫星导航技术也日新月异，越来越多的领域都离不开卫星导航技术的支持。卫星导航系统包含卫星、地面控制站和用户三部分，其中卫星负责产生导航信号用于导航定位。本论文进行卫星导航信号发生器的研究，可为设计产生高性能的卫星导航信号提供基础，具有重要的现实意义。本文首先对卫星导航系统进行研究，分析伪随机码产生原理、DDS 信号产生原理和 BPSK 调制原理，提出导航信号发生器的设计方案，进一步进行各模块设计与实现，基于 ISE 开发环境进行程序开发，在仿真工具 ModelSim中进行仿真验证。关键词：卫星导航；信号发生
2、器；伪随机序列；DDS沈阳理工大学学士学位论文AbstractWith the rapid development of communication technology, computer technology, information theory and space and space technology, satellite navigation technology is changing with each passing day, more and more fields are inseparable from the support of satellite navigat
3、ion technology. The satellite navigation system includes three parts: satellite, ground control station and user. The satellite is responsible for navigation signal and navigation The research of the satellite navigation signal generator can provide the basis for designing the high performance satel
4、lite navigation signal and has important practical significanceFirstly the satellite navigation system research, analysis of the pseudo random code principle, signal generator based on DDS principle and BPSK modulation principle, the navigation signal generator design, further each module design and
5、 implementation, based on the ISE development environment for program development, simulation in Modelsim simulation tool.Keywords: satellite navigation; signal generator; pseudo-random sequence; DDS沈阳理工大学学士学位论文目 录1 绪论11.1 背景与意义.11.2 国内外发展现状.21.3 章节介绍.32 卫星导航系统基本原理42.1 卫星导航系统概述.42.2 伪随机序列.82.2.1 m 序
6、列82.2.2 Gold 序列.102.3 VHDL 简介.112.4 Xilinx ise 与 Modelsim 简介.132.4.1 Xilinx ise132.4.2 ModelSim.143 卫星导航信号发生器设计163.1 顶端模块设计与实现.163.2 各模块设计与实现.173.2.1 分频模块173.2.2 伪随机序列码模块183.2.3 DDS 模块.203.2.4 D 触发器模块233.3.5 BPSK 调制模块.244 仿真分析254.1 各模块仿真.254.1.1 分频器产生模块254.2.2 伪随机序列数据模块254.2.3 DDS 产生模块.274.2.4 D 触发器
7、产生模块284.2 顶层模块仿真.28结 论30致 谢31沈阳理工大学学士学位论文参考文献32附录 A 英文原文34附录 B 中文翻译43沈阳理工大学学士学位论文1 绪论1.1 背景与意义卫星导航是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题，全部 24 颗导航卫星（21 颗工作卫星和 3 颗备用卫 星）系统已经建成。GPS 采用码分多址，定位精度通常 15m 左右，主要应用于单点导航定位与相对测地定位，具有全天候、定位迅速、精度高、可连续提供三维位置(纬度、经度和高度)、三维速度和时间信息等一系列优点，是实现全球导航定位的高新技术。通常 GPS 接收机接收
8、到四颗卫星的信号就能够确定移动载体的方位，是当前移动目标导航定位的主流。1992 年 GPS 正式向全世界开放，1994 年在中国市场开始得到应用。由于全球卫星定位系统具有全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程建设、市政规划、海洋开发、资源勘察、地球动力学等多种学科。目前，导航定位技术已经渗透到国民经济建设、国防建设、科学研究和人民生活等方方面面。 随着卫星导航系统应用领域的不断扩大，很多国家正加紧开发研制独立自主的卫星导航系统。美国正在实施 GPS 现代化计划，俄罗斯加紧恢复
9、GLONASS 全面性能，欧盟正在建设 GALILEO，中国正在建设北斗卫星导航系统等。此外，为了进一步满足本国导航定位服务需求，日本正在加紧研制基于多功能卫星的星基增强系统（MSAS）和准天顶卫星导航系统（QZSS） 。印度正在加紧研发基于 GEO 辅助的 GPS 增强导航（GAGAN）系统和印度自主建设的区域导航卫星系统（IRNSS） 。多种卫星导航系统的运行，势必打破单一卫星导航系统的垄断局面，更好地为全球民用用户提供更精确、更安全的导航定位服务。尽管这些卫星导航系统具有较高的精度和较低的成本，且具有很好的长期稳定性。信号发生器作为卫星导航系统的重要组成部分，是卫星导航不可缺少的基础技术
10、，通过借鉴国内外研究工作的先进经验，研制出精度高，可靠性强的信号发生器，对于促进我国卫星导航系统的发展具有重要意义。沈阳理工大学学士学位论文1.2 国内外发展现状卫星导航定位的需求，可以说不是历来就有的，在人类早期物质生产活动中以牧猎为主，日出而作，日落而息。当时人们离不开森林和水草，或是随着水草的兴衰而漂泊不定，根本不需要什么明确的定位。但是，随设社会的发展，到了农业时代，在人们开发农田，兴修水利等相应活动中就逐渐产生了测绘定位的需求，可以说在这时，导航定位就在慢慢酝酿之中。等到了工业时代，人类的活动遍及全球，而一些工程比如航海、航空、洲际交通工程，通信工程，矿产资源勘探工程，地球生态及环境
11、变迁的研究，就需要精确地定位。这些需求促使导航定位技术的发展，并把这项技术带到一个前所未有的发展时期，它的手段也从光学机械过渡到光电子精密机械仪器的时代。社会是不断发展的，科技是不断进步的，20 世纪末，出现了电子计算器技术、半导体技术、激光技术、航天科学技术，它们的出现，把人类带到了电子信息时代和航天探索时代。当 1957 年前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星，人类跟踪无线电信号中发现了卫星无线电信号的多普勒频移现象，这预示着一种全新的天空定位技术的可行性，由此，人类进入了卫星定位和导航的时代。卫星导航定位系统应用装备主要是以美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONA
12、SS）为代表的应用产品。在今后的五到十年内，欧洲的 Galileo 系统和中国的导航卫星系统（CNSS）会加入这一行列，形成全球性导航卫星系统的集合（GNSS） 。 2000 年 5 月 1 日，美国总统宣布将SA 置零，这毫无疑问会在很大程度上促进 GPS 民用的普遍化，肯定会推动一个新的应用爆发性增长热潮。GPS 业界有句名言：“GPS 的应用只受到人们想象力的限制”。这就是说其应用面积其宽广，前景不可限量。 近些年来，在导航卫星系统应用领域出现四大转变是值得关注的，它们是：从以军用为主转变为军民两用乃至民用为主，目前在美军军品和民品的 GPS销量比为 1：20，甚至民品的比例比这还要大；
13、从个别部门个别场合应用转变为国民经济众多部门，乃至人们日常生活、工作、学习和娱乐的大规模应用；由只是在少数发达国家，诸如美国、日本形成产业化发展势头转变为蓬勃发展的国际性产业。像我国这样的发展中国家，也将卫星导航系统视为电子信息产业的新经济增长点，打算逐步推行产业化发展计划。鉴于多种多样的原因和理由，欧洲和中国都立志要搞自己的卫星导航系统，沈阳理工大学学士学位论文从而使 GPS 单星座转变多星座兼容机制，在国际上得到普遍的认同，卫星导航系统向多极化制式发展已是不可逆转的总趋势。像 GPS/GLONASS 以及GALILEO 兼容机加上已备 WAAS、EGNOS 和 MSAS 功能的多机制兼容则
14、应运而生。 GPS 的应用已十分广泛，而且越来越广泛，差不多涉及到国民经济的各个领域，尤其是近几年来其向消费市场的发展的强劲势头表明，以 GPS 位代表的卫星导航应用产品，由于他能很容易地提供位置、速度和时间信息，所以会很快成为现代信息社会的重要信息来源，成为信息时代的国家基础设施之一，由于他功能强大、使用方便、价格合适，所以能很好的与其他系统结合，形成大量的新应用、新产品，迅速的进入我们日常工作、学习、生活和娱乐中，它的发展具有如下特点： GPS 应用产品产业是当前国际上八大无线产业之一； GPS 也是目前世界上发展的最快的三大信息产业之一； GPS 与 GSM 和 CDMA的结合已成为全球
15、通信导航界的热点； GPS 与 PDA（个人数字助理）和PAN（人域网）消费类组合是个巨大的潜在市场.。1.3 章节介绍本论文的主要目的是在广泛参考相关文献的基础上，从理论上研究卫星导航信号发生器的原理、结构及相关的关键技术，以 FPGA 器件为核心，用VHDL 硬件描述语言，设计一个卫星定位导航系统的信号发生器。论文包括以下几个方面：第一章：绪论。介绍了课题的研究卫星导航背景与意义，卫星导航信号发生器的发展现状。第二章：卫星导航信号基本原理。主要卫星导航的原理，FPGA 器件，VHDL 硬件描述语言的运用理论，伪随机序列的相关理论，为导航信号的产生奠定理论基础。第三章：卫星导航信号的实现与仿
16、真。基于卫星导航信号的基本原理，深入探究了卫星导航信号的实现方法，提出了信号发生器的设计方案，并在 ISE中进行仿真，论证方案的可行性。第四章：基于卫星导航信号发生器的设计与实现。介绍了信号发生器具体实现过程，详述了各个模块的功能与设计原理，并在 Modelsim 进行仿真，验证设计方案的正确性。第五章：结论。对仿真结果进一步深入总结。沈阳理工大学学士学位论文2 卫星导航系统基本原理2.1 卫星导航系统概述卫星导航由美国国防部于 20 世纪 70 年代初开始设计、研制，于 1993 年全部建成。1994 年，国宣布在 10 年内向全世界免费提供使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息服务。欧盟“伽利略”：1999 年，欧洲提出计划，准备发射 30 颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。今年该计划正式启动。俄罗斯“格
