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弱信号条件下GPS接收机关键技术研究

作　者: 丁继成
导　师: 赵琳
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: GPS接收机微弱信号研究平台基带信号处理位同步
分类号: P228.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,随着基于位置服务(Location Based Service, LBS)应用需求的增加,弱信号环境下的定位技术引起了全世界的关注。高灵敏度GPS和辅助GPS (Assisted GPS, A-GPS)定位技术已成为许多国家科研机构及相关单位的重点研究对象。本课题正是在这样一种背景下对没有外部辅助源的接收机核心功能——基带信号处理展开深入研究。(1)接收机研究平台设计。采用软件方式直接模拟数字中频GPS信号,深入研究了GPS中频信号功率控制技术、误差源仿真技术和信号传播延迟等相关技术,利用实测星历和输入参数将正常导航解算时各种信号传播误差的修正方法应用于由真距至伪距的反向推算；开发了常规GPS接收机信号捕获和跟踪模块,为新技术的研究测试提供了开发平台。实现了基于FPGA/ARM硬件平台的GPS接收机,利用信号处理模块对实测信号和模拟信号的处理验证了研究平台的有效性。(2)系统地研究了微弱信号捕获中相干积分操作在多种非理想环境下的性能。分析推导了由任意位数A/D转换导致的功率损失通用公式及最优增益设置方法；从等效噪声功率的角度研究了互相关干扰的影响；由相干积分检测量的幅度变化对残余多普勒频率误差、导航电文数据调制的影响进行了深入分析,为弱信号捕获方案的设计提供了理论依据。(3)对微弱GPS信号捕获技术进行深入研究。从理论上证明并经试验验证了当积分时间增加时,差分相干检测的输出序列服从高斯分布。为提高接收机对微弱信号的检测能力和参数估计精度,设计了频率误差自主实时修正的差分相干弱信号捕获方案,理论分析和测试表明该方法能够提高信号检测概率、减小频率估计误差的不确定性,满足弱信号跟踪需求。(4)深入研究接收机处于弱信号环境,环路未锁定时无法实现信号跟踪的问题。针对传统PLL载波环估计误差较大和EKF (Extented Kalman Filtering)算法需要对非线性方程进行近似处理的缺点,利用SRUKF (Square Root Unscented Kalman Filtering)实现载波环参数估计,将最优路径动态规划技术应用于GPS位同步,取得了比目前广泛应用的直方图法更为理想的效果,在此基础上,将SRUKF估计技术与位同步技术结合,研究设计了环路未锁定时串行和并行两种载波跟踪方案,并通过实验验证了方案的合理性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-27
  1.1 课题研究的背景和意义  12-13
  1.2 弱信号环境特点及对接收机产生的影响  13-20
    1.2.1 GPS导航信号  13-14
    1.2.2 接收机灵敏度  14-16
    1.2.3 弱信号环境特点  16-18
    1.2.4 对接收机产生的影响  18-20
  1.3 国内外研究现状与分析  20-26
    1.3.1 接收机研究现状  20-21
    1.3.2 弱信号捕获技术  21-24
    1.3.3 互相关干扰抑制技术  24
    1.3.4 信号跟踪技术  24-26
  1.4 课题研究的主要内容  26-27
第2章研究平台设计  27-55
  2.1 接收机体系结构  27-28
  2.2 数字中频信号模拟  28-41
    2.2.1 中频信号模型与功率控制  28-30
    2.2.2 中频信号模拟器总体设计  30
    2.2.3 距离延迟模拟方法研究  30-40
    2.2.4 载体运动状态和多普勒频率  40
    2.2.5 数字中频信号输出  40-41
  2.3 基带信号处理  41-47
    2.3.1 并行捕获  41-42
    2.3.2 信号跟踪  42-47
  2.4 基于FPGA/ARM的GPS接收机开发  47-50
  2.5 实测信号与模拟信号处理比较  50-54
  2.6 本章小结  54-55
第3章相干积分检测性能研究  55-76
  3.1 相干积分捕获原理  55-57
  3.2 理想情况下的检测性能  57-58
  3.3 量化对相干积分的影响  58-68
    3.3.1 量化输出的概率分布  59-63
    3.3.2 对检测性能的影响分析  63-68
  3.4 互相关干扰影响  68-71
  3.5 残余多普勒频率误差效应  71-73
  3.6 数据调制影响  73-75
  3.7 本章小结  75-76
第4章弱信号捕获技术研究  76-94
  4.1 非相干积分  76-78
    4.1.1 检测性能  77
    4.1.2 平方损失  77-78
  4.2 差分相干  78-83
    4.2.1 基本原理  78-80
    4.2.2 差分相干输出分布特性研究  80-83
  4.3 基于频率误差自主修正的弱信号捕获  83-86
    4.3.1 频率误差估计  83
    4.3.2 捕获方案设计  83-86
  4.4 理论分析与性能评估  86-93
    4.4.1 频率误差估计性能  86-88
    4.4.2 检测性能  88-89
    4.4.3 测试结果与分析  89-93
  4.5 本章小结  93-94
第5章弱信号环境下位同步与载波跟踪技术  94-131
  5.1 载波跟踪环抗干扰性能分析  94-107
    5.1.1 误差源分析  94-96
    5.1.2 热噪声  96-97
    5.1.3 动态应力误差  97-99
    5.1.4 振动引起的相位噪声  99-103
    5.1.5 Allan方差相位噪声  103-105
    5.1.6 总结  105-107
  5.2 基于SRUKF的载波环参数估计  107-115
    5.2.1 信号跟踪模型建立  107-110
    5.2.2 SRUKF算法  110-112
    5.2.3 估计性能评估  112-115
  5.3 位同步技术  115-125
    5.3.1 直方图法  116-117
    5.3.2 最优路径动态规划在位同步中的应用研究  117-122
    5.3.3 性能测试与分析  122-125
  5.4 位同步与SRUKF联合载波跟踪  125-129
    5.4.1 方案设计  125-127
    5.4.2 测试结果及分析  127-129
  5.5 本章小结  129-131
结论  131-133
参考文献  133-147
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  147-148
致谢  148

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