基于GPS软件接收机的微弱信号捕获跟踪算法

发布时间：2017-03-23 11:19

  本文关键词：基于GPS软件接收机的微弱信号捕获跟踪算法，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来，随着GPS接收机在全球范围内多用途宽领域的应用，对卫星导航定位技术也提出了更高的要求。而基于软件无线电思想的GPS软件接收机也为开发适用于特殊环境下的高复杂度算法提供了便利。作为高性能导航的关键技术之一，微弱卫星信号接收技术是目前研究的热点。在正常情况下，接收机接收到的卫星信号的信噪比大约为-20dB，但在信号微弱的环境下，信噪比可下降20dB左右，普通的接收机很难捕获跟踪到信号，难以实现定位功能。本文针对微弱GPS卫星信号的捕获、跟踪算法进行了以下研究： 1.介绍了GPS软件接收机的结构和工作过程。对GPS卫星信号的调制方式和复用技术进行了分析，重点研究了C/A码的相关特性以及多普勒效应对载波频率和C/A码码长的影响。研究了GPS中频信号模型，并仿真产生了数字中频信号。 2.研究了GPS卫星信号捕获的基本原理和基本方法，并对常用的微弱信号捕获算法进行介绍，分析了相干积分算法、非相干积分算法和差分相干积分算法的特点。针对相干积分时间容易受到导航数据位翻转影响的问题，提出了两种通过检测出翻转位来提高信噪比增益的算法，一种借鉴全比特算法检测数据翻转位边沿的思想，通过比较多组数据的相干积分值检测出翻转位的位置，舍弃翻转位并对其余数据进行分块相干积分；另一种将传统的差分相干积分算法推广到对数据块的处理中，并通过比较导航数据比特长度内不同数据块的积分值粗略的估计出翻砖块的位置，舍弃翻砖块后对其它数据进行数据块差分相干积分。经过仿真验证，，这两种算法均具有较高的捕获灵敏度和捕获效率。 3.对传统的锁相环跟踪算法进行了深入的研究，针对其缺陷将卡尔曼滤波算法引入GPS卫星信号的跟踪中，并建立了系统方程和量测方程，针对标准卡尔曼滤波算法对噪声统计特性的假设过于理想且对初值的依赖程度很高的问题，提出了强跟踪Suge-Husa自适应卡尔曼滤波算法，利用Suge-Husa自适应卡尔曼滤波器能够对噪声进行实时估计的特点以及强跟踪滤波器鲁棒性好且对突变情况具有很强适应能力的特点对卫星信号进行持续稳定的跟踪，经仿真验证，该算能够实现对微弱信号的跟踪且具有良好的跟踪性能。
【关键词】：GPS软件接收机 弱信号检测 位翻转 捕获灵敏度 捕获效率 自适应卡尔曼滤波 强跟踪 捕获跟踪算法
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P228.4
【目录】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-12
• 1.1 研究的背景及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-11
• 1.3 本文的主要研究内容11-12
• 2 GPS 软件接收机结构及卫星信号模型12-21
• 2.1 GPS 软件接收机结构12-13
• 2.2 GPS 卫星信号的结构13-17
• 2.2.1 载波13-14
• 2.2.2 C/A 码14-16
• 2.2.3 数据码16-17
• 2.2.4 中频信号模型17
• 2.3 信号强度17-18
• 2.4 GPS 卫星信号的多普勒效应18-20
• 2.5 本章小节20-21
• 3 GPS 微弱信号的捕获算法研究21-47
• 3.1 GPS 卫星信号捕获原理21-26
• 3.1.1 时域串行捕获22-23
• 3.1.2 基于循环相关的频域并行捕获23-26
• 3.2 传统微弱信号捕获算法研究26-31
• 3.2.1 相干积分算法27-29
• 3.2.2 非相干积分算法29-30
• 3.2.3 差分相干积分算法30-31
• 3.3 基于翻转位检测的微弱信号捕获算法31-44
• 3.3.1 “先累加后相关”的相干积分方式31-32
• 3.3.2 分块相干积分32-34
• 3.3.3 基于全比特算法思想的翻转位检测34-36
• 3.3.4 基于数据块差分相干积分的翻转位检测36-38
• 3.3.5 捕获阈值的设定38
• 3.3.6 算法分析与仿真38-44
• 3.4 精捕获44-46
• 3.4.1 时域精捕获44
• 3.4.2 频域精捕获44-46
• 3.5 本章小节46-47
• 4 GPS 微弱信号的跟踪算法研究47-67
• 4.1 传统锁相环跟踪原理47-54
• 4.1.1 锁相环基本原理47-50
• 4.1.2 载波跟踪环50-51
• 4.1.3 码跟踪环51-53
• 4.1.4 完整跟踪环路53-54
• 4.2 卡尔曼滤波跟踪算法54-59
• 4.2.1 卡尔曼滤波基本方程54-55
• 4.2.2 系统状态方程55-58
• 4.2.3 系统量测方程58
• 4.2.4 算法分析58-59
• 4.3 强跟踪 Suge-Husa 自适应卡尔曼滤波算法59-66
• 4.3.1 Suge-Husa 自适应卡尔曼滤波算法59-61
• 4.3.2 强跟踪滤波器61-62
• 4.3.3 强跟踪 Suge-Husa 自适应卡尔曼滤波算法62-63
• 4.3.4 算法仿真63-66
• 4.4 本章小节66-67
• 5 总结与展望67-69
• 5.1 工作总结67
• 5.2 展望67-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-74
• 附录74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 田海;朱新岩;;一种简化的SAGE-HUSA卡尔曼滤波[J];弹箭与制导学报;2011年01期

2 覃新贤;韩承德;谢应科;;GPS软件接收机中的一种实用高灵敏度快速捕获算法[J];电子学报;2010年01期

3 史彦芳;刘静;马娟;;微弱GPS信号差分快速捕获算法[J];电子设计工程;2012年16期

4 王冲;曾庆军;;基于Sage-husa自适应滤波算法的AUV组合导航系统设计[J];电子设计工程;2013年15期

5 张婧;茅旭初;;基于平淡卡尔曼滤波的微弱GPS信号跟踪算法[J];上海交通大学学报;2007年11期

6 魏玲玲;范胜林;王顺亮;刘建业;;高灵敏度GPS软件接收机捕获算法[J];指挥控制与仿真;2012年05期

7 何秋生;程亚奇;;基于位跳变检测提高GPS信号处理增益方法研究[J];微电子学与计算机;2010年02期

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1 左启耀;高动态GPS信号跟踪算法研究[D];中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）;2008年

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本文编号：263614