光载GPS一机多天线系统关键技术研究

发布时间：2017-06-15 10:07

  本文关键词：光载GPS一机多天线系统关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于GPS的姿态测量和变形监测系统具有速度快、精度高、可连续工作等特点,已受到人们的广泛关注。传统GPS测量系统需用多根天线和多个接收机实现载波相位数据的采集和基线向量的解算,并且天线和接收机间采用电缆连接,因此损耗大、易受电磁干扰且费用高昂,严重限制了系统的测量范围和测量精度。针对传统测量结构存在的这些问题,本文采用光纤代替电缆实现天线与接收机之间低损耗、抗电磁干扰的连接,构建了一种光载GPS一机多天线系统。围绕该系统,本文对基线向量的解算原理、一机多天线接收机的设计、光载GPS系统的实现和相对硬件延时的监测等关键技术进行了研究。首先,对基线向量解算的基本原理进行了理论分析,重点分析了观测方程的线性化、矩阵化,整周模糊度的固定算法等;然后借助于通用软件无线电平台,通过引入多个同步解算模块,设计了一个一机多天线的接收机,避免了传统“一机多天线系统”中信号切换引入的周跳,为基线向量的解算提供了直接的数据来源。其次,本文构建了一个基于马赫增德尔调制器的光载GPS系统,并测量了在150m和2km长光纤下,2.25m、40m和110m左右长基线的长度变化情况;同时测量了零基线的三维坐标变化情况。对实验结果进行分析表明:本文设计的光载GPS一机多天线系统能够有效的解算出基线向量,并且基线向量水平方向、垂直方向和基线长度测量精度均达到毫米量级。最后,本文还构建测试系统对光下变频的光载GPS系统进行了研究,成功输出了9.42MHz的GPS中频信号,对2.25m长基线进行测量,测量误差小至毫米级。另外本文利用本振信号在光纤中的双向传输,实现了相对硬件延时的监测模型,光纤长度变化精度控制在毫米级,为垂直方向测量精度的提高提供了理论依据。
【关键词】：GPS 基线向量 光纤 一机多天线接收机 相对硬件延时监测
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P228.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• abstract5-10
• 注释表10-12
• 第一章 绪论12-17
• 1.1 课题研究背景与意义12-13
• 1.2 光载GPS的优势和关键问题13-15
• 1.3 本文的研究内容和特色15-16
• 1.4 论文的组织结构16-17
• 第二章 基线向量解算原理17-28
• 2.1 GPS信号与导航电文组成17-18
• 2.2 单点定位基本原理18-19
• 2.3 载波相位测量原理19-21
• 2.4 载波相位观测方程线性化21-22
• 2.5 载波相位差分方程22-24
• 2.5.1 单差观测方程22-23
• 2.5.2 双差观测方程23-24
• 2.5.3 三差观测方程24
• 2.6 双差观测方程解算流程24-26
• 2.7 整周模糊度解算26-27
• 2.8 本章小结27-28
• 第三章 一机多天线接收机的设计28-40
• 3.1 软件无线电平台资源配置28-29
• 3.2 射频前端模块29-30
• 3.3 基带信号处理模块30-33
• 3.3.1 载波NCO模块31
• 3.3.2 码NCO模块和伪距测量模块31
• 3.3.3 复相位旋转下变频模块31-32
• 3.3.4 卫星CA码产生模块32
• 3.3.5 码相关模块32-33
• 3.3.6 帧同步解调模块33
• 3.4 环路捕获跟踪和定位解算模块33-37
• 3.5 一机多天线接收机结构配置37-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 光载GPS系统原理与实验分析40-53
• 4.1 直调激光器用于单点定位的分析40-42
• 4.1.1 激光器驱动电流与输出光功率关系40-41
• 4.1.2 直调激光器响应曲线41
• 4.1.3 直调激光器驱动电流与观测卫星数关系41-42
• 4.2 光载GPS系统的构建42-46
• 4.2.1 MZM的调制原理分析42-44
• 4.2.2 光载GPS系统的原理44-45
• 4.2.3 放大器增益动态范围分析45-46
• 4.3 实验结果与分析46-52
• 4.3.1 短基线测量结果分析46-48
• 4.3.2 零基线测量结果分析48-50
• 4.3.3 基线向量水平和垂直方向测量精度分析50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第五章 基于光下变频的光载GPS系统和硬件延时监测技术研究53-64
• 5.1 硬件延时监测对测量精度的理论分析53-54
• 5.2 基于光下频的光载GPS系统54-57
• 5.2.1 光下变频和硬件延时监测实验原理54-55
• 5.2.2 GPS中频信号产生原理分析55-57
• 5.3 系统链路性能分析57-60
• 5.3.1 系统链路性能仿真分析57-58
• 5.3.2 系统链路性能实验分析58-60
• 5.3.3 光下变频系统用于基线测量60
• 5.4 硬件延时监测系统60-63
• 5.4.1 本振信号的输出结果分析60-61
• 5.4.2 相对硬件延时监测结果61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 第六章 总结与展望64-66
• 参考文献66-72
• 致谢72-73
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文73

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