基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨研究

发布时间：2017-10-26 13:03

  本文关键词：基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨研究

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【摘要】：卫星轨道参数的确定是卫星应用的基础。空间技术的飞速发展,对卫星轨道确定的实时性、自主性、精度和可靠性的要求也越来越高。同时,随着卫星数目的不断增多与空间安全需求,卫星自主定轨技术已经引起了人们的重视,是未来定轨方式的发展趋势。本文提出了一种基于非合作导航卫星信号和无码多普勒测速原理的轨道测定方法,主要内容如下:为了在无码条件下获取较高精度的导航卫星信号的载波多普勒频移,首先分析了导航卫星信号的结构、下变频原理及消码过程;然后提出了一种基于相位补偿及数据块累加来增强信号,并结合FFT算法估计载波频率初值的方法;其次阐述了无码载波跟踪环路的工作原理,分析了在轨条件下多普勒频移对环路跟踪性能的影响;为了减小相近载波频率对跟踪结果的影响,提出并确定了环路的隔离度及隔离频率,并在此基础上,分析了环路阶数及参数的选择原则;最后,通过相位微分精密测量载波频率。仿真表明,在轨条件下,载波频率初值估计技术能够估计出满足跟踪环路带宽要求的频率初值;无码载波跟踪技术可以获取满足定轨精度要求的载波频率。为了解决无码条件下的导航卫星识别问题,提出了一种基于多普勒频移特征的导航星识别方法:由无码载波跟踪环路可以获取多普勒频移实测值,由初始轨道参数及上注的导航星星历可以计算多普勒频移先验值;以实现两组频率一致对应为准则,研究并对比了基于三分法和二分法的快速估计频差的匹配算法;建立了易于计算、误匹配率低的匹配指标,并采用全局匹配、局部剔除的策略提高卫星识别的全局可信度;最后仿真表明,新提出的导航星识别匹配方案可行并具有一定的正确识别度,可以作为现有卫星识别技术的补充。在高精度定轨方面,本文利用复杂度适中的卫星轨道运动模型建立了状态方程,利用载波频率测量系统获取的多普勒频移建立量测方程,设计EKF滤波器用于低轨卫星轨道参数的估计;仿真分析了初轨误差、导航卫星数目及观测精度对定轨结果的影响。最后,本文设计并搭建了基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨的半物理仿真实验平台,并对其关键算法进行了物理验证。本文定轨方案为用户卫星在伪码未知的条件下,实现高精度、高可靠的定轨提供一种技术思路,有望成为现有自主定轨技术的补充。
【关键词】：导航卫星 无码 多普勒定轨 锁相环 频率初值估计 卫星识别 扩展卡尔曼滤波
【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】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注释表12-13
• 缩略词13-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 研究背景及意义14-16
• 1.2 多普勒定轨的研究现状16-18
• 1.3 无码载波恢复技术的研究现状18-19
• 1.4 GNSS信号频点的研究现状19-21
• 1.5 本文的主要内容21-23
• 第二章 基于在轨条件下的导航卫星信号无码载波恢复技术研究23-43
• 2.1 引言23
• 2.2 导航卫星中频信号及其消码处理23-25
• 2.2.1 导航卫星中频信号的结构23-24
• 2.2.2 导航卫星信号的下变频过程24-25
• 2.2.3 导航卫星中频信号的消码处理25
• 2.3 在轨条件下无码载波频率初值估计技术25-28
• 2.4 在轨条件下的导航卫星信号无码载波恢复方案28-35
• 2.4.1 导航卫星信号无码载波恢复方案28-30
• 2.4.2 无码载波跟踪环路的参数选择30-34
• 2.4.3 相位微分获取载波频率34-35
• 2.5 无码载波频率初值估计及载波恢复的仿真与验证35-42
• 2.5.1 仿真平台的搭建及中频信号的仿真35-38
• 2.5.2 基于相位补偿、数据块累加的载波频率初值估计算法的仿真验证38-40
• 2.5.3 导航卫星信号无码载波恢复技术的仿真与验证40-42
• 2.6 本章小结42-43
• 第三章 基于多普勒频移的导航星识别匹配技术研究43-50
• 3.1 引言43
• 3.2 基于多普勒频移特征的导航星识别原理43-44
• 3.3 基于频移特征的导航星识别算法的优化44-46
• 3.3.1 基于三分法的卫星识别及频差估计算法45
• 3.3.2 基于二分法的卫星识别及频差估计算法45-46
• 3.4 基于频移特征的导航星识别匹配技术的仿真与验证46-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 基于EKF的无码多普勒高精度定轨算法研究50-62
• 4.1 引言50
• 4.2 基于多普勒频移的高精度定轨算法的研究50-56
• 4.2.1 扩展卡尔曼滤波算法51-52
• 4.2.2 基于卫星运动方程的系统模型52-54
• 4.2.3 基于载波频率测量系统的观测模型54-56
• 4.3 仿真与定轨误差分析56-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 无码多普勒定轨研究的实验平台设计与算法验证62-69
• 5.1 引言62
• 5.2 无码多普勒定轨半物理仿真实验系统的设计62-65
• 5.2.1 总体实验框架62-63
• 5.2.2 实验系统的组成63-65
• 5.3 非合作导航卫星信号的获取及载波跟踪的实验验证65-68
• 5.3.1 非合作导航卫星信号获取与分析65-66
• 5.3.2 基于中频卫星信号的无码载波跟踪环路的实验验证66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 全文总结与展望69-71
• 6.1 本文工作总结69-70
• 6.2 工作展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 在学期间的研究成果及学术论文情况76

【参考文献】

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本文编号：1098766