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抗差自适应GPS软件接收机的关键技术研究

作　者: 苗剑峰
导　师: 陈武; 刘建业
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 全球定位系统软件无线电软件接收机弱信号捕获锁相环抖动噪声 Kalman滤波并行相关环路抗差自适应滤波
分类号: TN967.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

GPS软件接收机以其内部结构开放性以及可编程的优点,使得用户仅需通过开发高性能的内部核心程序模块即可实现接收机的更新换代,从而改善系统的整体性能。软件接收机技术已经成为卫星定位系统现代化进程的重要组成部分。一方面,通过对GPS软件接收机的研究,能够充分了解并掌握接收机核心技术,为推动北斗二代全球定位系统以及惯性/卫星深组合系统的自主研发奠定一定的基础。另一方面,在建筑密度较高,信号接收环境复杂的区域,GPS接收机的稳定性和连续性受到严重限制。因此,深入研究接收机内部结构,开发新型的核心算法,以改善其鲁棒性以及定位精度成为迫切需要解决的问题。本文主要对GPS软件接收机的核心算法进行研究,对实现GPS软件接收机在特定环境中的应用提出一些新的方案。全文将理论研究与工程应用紧密结合,取得了满意的成果,对推广GPS接收机在复杂信号接收环境下的工程应用具有重要的参考意义。本文首先分析研究了多观测量GPS软件接收机的实现过程,基于正常载噪比信号的并行码空间捕获算法以及二阶环路的载波、C/A码跟踪通用解决方案。研究设计了软件接收机的整体结构和实现研究方案。接着,论文针对GPS弱信号捕获,研究了相干/非相干积分相结合的改进型块数据捕获算法。该算法分析了不同时长相干积分的频率搜索栅格配置,并提出一种易于工程实现的平方损耗补偿方法。以GPS基站辅助信息为基础,本文还提出一种导航数据位同步弱信号捕获算法,该方法采用基站辅助信息缩小载波频率的搜索范围。通过位同步技术消除信号中的导航数据位,采用长时间序列的相干积分代替非相干积分实现对弱信号的有效捕获。在GPS信号跟踪方面,本文对经典二阶锁相环的噪声进行了系统性建模分析。仿真实验表明,由于有色噪声的存在,二阶锁相环很难通过减小噪声带宽实现对信号的精确跟踪,信号跟踪环路的窄带性能受到制约。针对传统二阶环路存在的问题,本文研究了基于Kalman滤波器的载波、C/A码新型跟踪环路结构。文中分析了载波观测方程的线性化方案。通过解耦系统噪声,设计了载波跟踪环路的Kalman滤波器。为了提高整个载波、C/A码的闭环跟踪精度,文章分析了基于状态反馈的载波数控振荡器改进模型和C/A码多通道并行相关状态反馈模型。本文采用实测信号对该新型跟踪环路的有效性进行了验证。最后,本文针对在香港楼宇集群环境中GPS应用存在的现实问题,提出了一种抗差自适应GPS软件接收机方案。通过引入等价权矩阵和自适应控制因子,实时调整观测量和系统状态量在Kalman最优估值中的权重比,本文实现了在特定环境下对GPS信号的精确跟踪。本文通过分别与传统二阶环路和基于Kalman滤波器的GPS软件接收机对比,验证了抗差自适应GPS软件接收机的有效性。本文的研究工作,对于卫星定位系统接收机核心技术的进一步深入研究,及其在复杂环境下的工程应用具有重要的推进作用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-18
第一章绪论  18-30
  1.1 引言  18-19
  1.2 GPS 软件接收机的发展概况  19-24
    1.2.1 GPS 接收机的发展  19-21
    1.2.2 GPS 软件接收机的提出  21
    1.2.3 GPS 软件接收机的发展  21-24
  1.3 GPS 软件接收机的研究现状  24-25
  1.4 论文的研究背景和意义  25-26
  1.5 论文的主要研究内容和安排  26-30
第二章 GPS 软件接收机实现研究  30-60
  2.1 引言  30
  2.2 GPS 信号结构  30-34
    2.2.1 信号调制  31-32
    2.2.2 C/A 码的相关特性  32-33
    2.2.3 导航电文  33-34
  2.3 GPS 信号捕获  34-42
    2.3.1 捕获参数的确定  34-35
    2.3.2 时域串行搜索算法  35-37
    2.3.3 并行码空间搜索算法  37-40
    2.3.4 实验验证  40-42
  2.4 GPS 信号跟踪  42-51
    2.4.1 锁相环闭环反馈控制环路的研究  42-44
    2.4.2 不同激励信号下的锁相环性能分析  44-47
    2.4.3 GPS 信号跟踪环路设计  47-51
  2.5 GPS 软件接收机  51-56
    2.5.1 软件接收机整体结构设计  51-52
    2.5.2 观测量信息获取  52-56
  2.6 GPS 软件接收机实验验证  56-59
  2.7 本章小结  59-60
第三章弱信号捕获算法研究  60-86
  3.1 引言  60
  3.2 GPS 信号强度分析  60-63
    3.2.1 接收机端GPS 信号强度  60-62
    3.2.2 GPS 信号强度描述指标  62
    3.2.3 弱信号的定义  62-63
  3.3 无辅助GPS 弱信号捕获算法  63-76
    3.3.1 GPS 并行码捕获算法的实现研究  63-66
    3.3.2 弱信捕获算法研究  66-76
  3.4 基于AGPS 技术的弱信号捕获算法  76-85
    3.4.1 多普勒频率估计  76-79
    3.4.2 基于位同步技术的弱信号捕获算法  79-82
    3.4.3 试验验证  82-85
  3.5 本章小结  85-86
第四章二阶环路结构锁相环噪声分析  86-97
  4.1 引言  86
  4.2 PLL 环路抖动噪声分析  86-93
    4.2.1 锁相环热噪声抖动误差  87-89
    4.2.2 锁相环有色噪声抖动误差  89-91
    4.2.3 锁相环动态应力噪声  91-92
    4.2.4 二阶PLL 环路跟踪门限  92-93
  4.3 二阶PLL 环路最优带宽配置  93-94
  4.4 仿真实验  94-96
    4.4.1 试验一最优带宽锁相环性能试验  94-95
    4.4.2 试验二锁相环路临界失锁性能试验  95
    4.4.3 试验三锁相环路失锁性能试验  95-96
  4.5 本章小结  96-97
第五章基于KALMAN 滤波器的新型GPS 跟踪环路研究  97-124
  5.1 引言  97-98
  5.2 基于KALMAN 滤波器的载波跟踪环路  98-105
    5.2.1 载波PLL 环路系统方程的构建  98-99
    5.2.2 观测方程的线性化  99-100
    5.2.3 解耦相关噪声  100-102
    5.2.4 Kalman 滤波器在载波PLL 中的实现  102-105
  5.3 基于KALMAN 滤波器的锁码环  105-111
    5.3.1 基于相关算法的码环观测量数学模型  106-107
    5.3.2 码跟踪环路系统模型的建立  107-108
    5.3.3 基于Kalman 滤波器的DLL  108-109
    5.3.4 多通道并行相关码环路状态反馈改进模型  109-111
  5.4 基于KALMAN 滤波器的载波/码组合跟踪环路  111-114
  5.5 KALMAN PLL+DLL 组合跟踪环路实验验证  114-123
    5.5.1 强信号条件下组合跟踪环路对比试验  115-119
    5.5.2 弱信号条件下组合跟踪环路对比试验  119-123
  5.6 本章小结  123-124
第六章基于KALMAN 滤波的抗差自适应跟踪算法的研究  124-141
  6.1 引言  124
  6.2 抗差自适应控制载波/码组合跟踪环路  124-131
    6.2.1 抗差Kalman 滤波器的提出  124-125
    6.2.2 双因子观测噪声方差等价权模型  125-128
    6.2.3 抗差自适应Kalman 滤波器的研究  128-131
  6.3 基于抗差自适应算法的软件接收机试验验证  131-140
    6.3.1 开阔环境下GPS 信号跟踪性能验证  131-134
    6.3.2 干扰环境下GPS 信号跟踪性能验证  134-140
  6.4 本章小结  140-141
第七章总结与展望  141-145
  7.1 本文的主要工作与创新  141-144
    7.1.1 本文的主要工作和研究内容  141-143
    7.1.2 本文的创新之处  143-144
  7.2 进一步工作展望  144-145
参考文献  145-152
致谢  152-153
在学期间的研究成果及发表的学术论文  153-154
攻读博士学位期间参加科研项目情况  154
攻读博士学位期间申请专利情况  154
攻读博士学位期间荣获的奖励  154-155

抗差自适应GPS软件接收机的关键技术研究

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