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中短波扩频导航接收机信号同步方法研究

作　者: 沈锋
导　师: 孙枫
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 中短波扩频天波干扰信号同步观测量提取
分类号: TN965.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

采用扩频体制的中短波无线电导航系统,利用直达波的传播延迟进行测距定位。系统工作在中短波频段,大气噪声强,存在天波干扰、远近效应、多径效应等,信道模型复杂,实现难度大。在此复杂环境下实现扩频导航信号的同步和观测量的提取是整个系统工作的关键。本文围绕扩频信号同步的有关理论和方法展开,对信号同步、观测量提取、干扰消除等关键技术进行了全面深入的研究,设计了信号捕获、信号跟踪、观测量提取、天波干扰消除和多径干扰抑制的实现方案,并应用于实际导航定位系统海上试验与验证。论文工作主要包括以下几个方面：(1)系统工作原理及信道特性分析了基于扩频体制的中短波无线电导航系统定位原理和工作方式,介绍了发射信号的调制方式及扩频码的选择,提出了接收机的总体方案和实现同步算法的硬件平台,分析了系统工作频段内天地波传播特性、环境噪声特性和影响地波信号同步的因素。(2)强天波干扰消除技术提出了基于迭代信息传递算法的快时变天波信号快速捕获方法,详细的仿真分析了迭代信息传递捕获算法的性能,并与其他捕获方法进行了比较。研究了基于串行干扰抵消技术的天波干扰消除方法,仿真分析了串行干扰抵消的性能。(3)低信噪比地波信号的快速捕获详细分析了数字化DS/BPSK捕获系统的性能,研究了多普勒频移和伪码相位差对系统捕获性能的影响。提出了一种基于分数最大熵和局部最优检测相结合的大步进伪码快速捕获方案,分析了该方案的捕获性能,提出了一种自适应门限设计方法。(4)地波信号跟踪方法研究建立了超前-滞后非相干DDLL模型,分析了环路鉴相特性、稳态特性、噪声性能及动态性能,分析了多径环境下信号跟踪性能,提出了一种多相关值定宽拟合鉴相方法,提高了多径与干扰环境下的信号跟踪性能。提出了-种频率跟踪和相位跟踪相结合的载波跟踪方法,兼顾了跟踪环路载体动态性和跟踪精度的要求。分析了伪码载波跟踪环中误差源热噪声和接收机载体动态性对环路测量误差的影响,给出了各环路设计的最佳带宽。(5)伪码载波联合观测量的提取提出了一种伪码载波联合观测量提取算法,利用伪码跟踪环提取粗略观测量消除载波整周模糊度,利用载波跟踪环提取小于一个载波周期的观测量,采用伪码载波观测量动态变化相抵原则对动态环境下伪码距离差观测量进行平均,进一步提高了用于确定载波整周的伪码距离差观测量的准确性。(6)信号同步算法实现与试验数据分析论文实现了所研究的同步算法。信号同步算法采用FPGA+DSP全数字化工作方式,论文给出了同步算法各模块的FPGA设计电路和DSP软件设计流程图,分析了接收机实际海试数据。目前,本文研究的同步算法已用于实际导航接收机,经过了多次海上试验,试验结果表明接收机能够有效的消除天波干扰,正常的捕获跟踪地波信号并实现载波相位测距；验证了天波干扰消除、地波同步算法以及观测量提取方法的正确性与可行性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第1章绪论  14-26
  1.1 课题背景和意义  14
  1.2 国内外研究动态及相关技术  14-24
    1.2.1 无线电导航技术的发展  14-16
    1.2.2 扩频技术  16-19
    1.2.3 扩频信号同步技术  19-22
    1.2.4 扩频无线电导航接收机  22-24
  1.3 论文主要研究内容  24-26
第2章系统工作原理及信道特性  26-44
  2.1 系统概述  26-29
    2.1.1 系统定位原理  26-28
    2.1.2 工作方式与组网  28-29
  2.2 导航信号调制方式  29-33
    2.2.1 扩频码的选取  29-31
    2.2.2 DS-BPSK调制技术  31-33
  2.3 同步算法实现平台  33-36
    2.3.1 接收机总体方案  33-34
    2.3.2 数字信号处理硬件平台  34-36
  2.4 系统信道特性与干扰情况  36-43
    2.4.1 地波传播特性  36-38
    2.4.2 天波传播特性  38-41
    2.4.3 大气噪声  41-42
    2.4.4 干扰情况分析  42-43
  2.5 本章小结  43-44
第3章强天波干扰的消除方法  44-71
  3.1 基于IMPA算法的天波快速捕获方案  44-61
    3.1.1 迭代信息传递算法  45-52
    3.1.2 基于IMPA算法的天波捕获  52-58
    3.1.3 捕获性能仿真与分析  58-61
  3.2 串行干扰抵消技术消除天波干扰  61-69
    3.2.1 串行干扰抵消数学模型  63-64
    3.2.2 串行干扰抵消方案  64-66
    3.2.3 串行干扰抵消性能分析  66-69
  3.3 本章小结  69-71
第4章低信噪比下地波信号的快速捕获  71-100
  4.1 数字化扩频序列捕获电路  71-79
    4.1.1 捕获结构数学模型  72-74
    4.1.2 捕获性能分析  74-79
  4.2 盲信道下地波信号捕获方法  79-90
    4.2.1 捕获假设检验问题  80-81
    4.2.2 基于分数最大熵的PDF估计算法  81-83
    4.2.3 二维局部最优检测统计量  83-85
    4.2.4 一维局部最优检测统计量  85-87
    4.2.5 捕获性能仿真  87-90
  4.3 信号搜索策略  90-96
    4.3.1 一种大步进串行捕获  91-93
    4.3.2 捕获判定策略  93-95
    4.3.3 一种自适应门限设计方法  95-96
  4.4 大步进串行捕获性能分析  96-99
    4.4.1 平均捕获时间  96-97
    4.4.2 检测概率与虚警概率分析  97-99
  4.5 本章小结  99-100
第5章信号跟踪方法研究  100-133
  5.1 伪码跟踪  100-106
    5.1.1 超前一滞后非相干DDLL伪码跟踪模型  101-103
    5.1.2 非相干DDLL跟踪性能  103-106
  5.2 载波信号跟踪方案设计  106-111
    5.2.1 载波频率跟踪环  107-108
    5.2.2 载波相位跟踪环  108-109
    5.2.3 FLL/PLL相结合载波跟踪  109-111
    5.2.4 导航信息的解调  111
  5.3 多径环境下的地波信号跟踪性能研究  111-117
    5.3.1 多径效应下信号跟踪模型  112-114
    5.3.2 多径效应下信号跟踪性能分析与仿真  114-117
  5.4 一种多相关值定宽拟合伪码鉴相方法  117-123
  5.5 环路测量误差和最佳带宽设计  123-131
    5.5.1 DDLL环测量误差  123-125
    5.5.2 FLL环测量误差  125-127
    5.5.3 PLL环测量误差  127-130
    5.5.4 跟踪环路最佳带宽设计  130-131
  5.6 本章小结  131-133
第6章信号同步算法实现与试验数据分析  133-171
  6.1 同步算法总体结构  133-135
  6.2 FPGA电路设计  135-147
    6.2.1 本地伪码产生模块  135-138
    6.2.2 本地载波产生模块  138-141
    6.2.3 数据相关处理模块  141-146
    6.2.4 天波干扰抵消模块  146-147
  6.3 同步算法DSP软件设计  147-159
    6.3.1 信号同步软件总体结构  148-149
    6.3.2 地波信号的捕获  149-151
    6.3.3 信号的跟踪  151-153
    6.3.4 天波干扰消除  153-155
    6.3.5 观测量的提取  155-159
  6.4 试验数据分析  159-170
    6.4.1 地波捕获模块数据分析  160-163
    6.4.2 地波跟踪模块数据分析  163-165
    6.4.3 天波消除模块数据分析  165-167
    6.4.4 观测量提取模块数据分析  167-168
    6.4.5 接收机长时间航行试验数据分析  168-170
  6.5 本章小结  170-171
结论  171-173
参考文献  173-186
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  186-189
致谢  189-190
附录A  190-191
附录B  191-193
附录C  193-197

中短波扩频导航接收机信号同步方法研究

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