弹载GNSS软件接收机基带信号处理关键技术研究

发布时间：2020-05-22 03:48

【摘要】：精确制导弹药在现代高技术局部战争中的作用越来越突出,是信息化战争的重要标志。卫星制导凭借其全天候、低成本等优势已发展成为制导弹药主要的制导方式之一。与常规的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellites System,GNSS)接收机相比,弹载GNSS接收机接收的卫星信号具有更大的动态、更低的载噪比,甚至可能出现信号中断等情况,从而对接收机的核心技术——基带信号处理,提出了更高的要求。对于信号捕获,由于弹丸飞行时间仅为数十秒,因此捕获速度性能非常关键。而捕获精度影响跟踪环路到达稳态的时间,从而影响接收机首次定位时间,因此捕获精度也是重要的捕获性能之一。对于信号跟踪,高动态要求环路增大带宽,但会导致更多的噪声,因此如何平衡环路动态性能和噪声性能是弹载接收机高动态、低载噪比条件下载波跟踪的难点。随着新的卫星导航信号陆续出现,以及接收机基带信号处理算法的不断改进,接收机必须不断地更新换代。软件接收机能在不改变硬件结构的基础上快速地更新算法功能,现已成为未来卫星导航接收机的一个发展方向。基于上述精确制导弹药的应用背景和卫星导航接收机的发展趋势,本文重点研究了弹载GNSS软件接收机的基带信号处理相关技术,开展的主要工作及取得的研究成果如下:(1)开展了卫星导航软件接收机数字中频信号源的设计工作,为后续研究接收机基带信号处理算法提供参数可灵活设置的信号源。具体工作包括以下三个内容:第一,研究了目前世界上主要的四大卫星导航系统的信号体制,分析其异同点,得出尽管各系统信号体制不尽相同,但基带信号算法具有一定相似性的结论。为此,后续工作均在GPS L1信号基础上展开;第二,基于Matlab/Simulink开发了GPS L1软件模拟器;第三,基于DSP+FPGA研制了一台GPS L1伪卫星原理样机。经测试,所设计的信号源参数可控,满足设计要求。(2)以精确制导炮弹为应用背景,提出了一种能同时顾及精度与速度的信号捕获算法。该算法借助炮弹发射前初始化辅助信息对码相位和载波频偏进行预估,缩小参数搜索范围,提高捕获速度。在此基础上,利用Chirp-Z变换实现频率的细化,提高捕获精度。为提高算法效率,借鉴了卫星导航接收机基带信号处理中的相干积分清零思想,对原始信号进行降采样,从而降低运算量。实验结果表明,降采样在显著提高捕获速度的同时,能保持较高的频率精度。为进一步提高算法的精度和灵敏度,提出加长相干积分时间和降采样相结合的方法。结果表明,当相干积分时间为10ms时,所提算法能捕获载噪比低至22dB-Hz的信号;对于25dB-Hz的信号,捕获误差仅为5.9Hz。(3)开展了弹载GNSS软件接收机矢量跟踪算法研究工作。重点研究了矢量跟踪环在弹载GPS接收机高动态信号跟踪中的应用,建立了弹载接收机数字中频信号仿真电路模型,并对传统的固定带宽环路、基于Kalman滤波器的锁相环及矢量跟踪环在频率跟踪方面的性能进行了比较,结果表明矢量跟踪环具有更好的噪声性能和动态性能。针对矢量跟踪环存在的可见星数目减小和导航解精度下降将导致环路跟踪精度下降甚至环路失锁的问题,提出了一种利用弹丸期望弹道辅助的矢量频率跟踪算法,有效抑制了信号短时中断情况下误差的发散,并且在信号恢复时,能实现环路的快速重锁。(4)由于弹丸空间狭小,弹载GNSS接收机通常使用体积较小的温补晶振(Temperature Compensated Crystal Oscillator,TCXO)作为频率参考源,而TCXO的频率准确度和稳定度较差。考虑到振荡器对接收机信号处理有重要影响,开展了接收机振荡器对基带信号算法性能的影响研究。为给软件接收机提供更接近实际情况的信号源,需要模拟接收机振荡器的相位噪声。为此,提出了一种低成本、满足精度要求的振荡器相位噪声测量方法。该方法基于自主研制的伪卫星发射与接收系统,信号载噪比可灵活设置。利用较高的载噪比,可有效降低热噪声的影响,从而可使环路带宽尽可能加大。使用该方法,可测量平均时间低至1 ms的短期频率稳定度,测量误差仅为2.22%。利用模拟得到的信号源,分析了接收机振荡器相位噪声对锁相环以及接收机钟差、码相位预测的影响。此外,考虑到弹载接收机印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)元器件密度高,易导致发热现象,进而影响振荡器的频率稳定性,本文通过实验研究和分析了接收机工作时PCB温度变化对锁相环的影响。本文开展的卫星导航接收机基带信号处理关键技术研究,对于弹载GNSS软件接收机的工程化实现具有一定的理论意义和应用价值。
【图文】：

精确制导,炮弹,全球导航卫星系统

逦博士学位论文逡逑武器主要的研究方向之一［３，４］。图１．１是美国＼＼１９８２式“神剑”１５５１１１１１１制导炮弹。逡逑该弹是美军第’？型全球定位系统／惯性导航系统（Ｇｌｏｂａｌ邋Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ／Ｉｎｅｒｔｉａｌ逡逑Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＧＰＳ／ＩＮＳ）制导弹药，也是美军实现火炮系统转型和增强精确打击逡逑能力的重点项目。“神剑”制导炮弹在伊拉克和阿富汗战场上得到了充分的检验。逡逑（ａ）邋“神剑”精确制导炮弹逦（ｂ）邋“神剑”内部的ＧＰＳ接收机逡逑图１．邋１邋“神剑”精确制导炮弹及其内部ＧＰＳ接收机ｍ逡逑随着ＧＰＳ现代化进程的不断推进，ＧＰＳ系统得到不断的发展和完善，新增加的逡逑军用信号Ｍ码，将使ＧＰＳ制导弹药的性能得到进一步提高。与此同时，其他卫星导逡逑航系统也在组网或现代化改造当中。俄罗斯的格洛纳斯（ＧＬＯＮＡＳＳ）系统是与ＧＰＳ逡逑同时期发展的全球导航卫星系统，并在１９９６年初建成。早在１９９３年９月，，俄罗斯总逡逑统就宣布，ＧＬＯＮＡＳＳ将是俄罗斯武库的一部分。欧洲的伽利略（Ｇａｌｉｌｅｏ）系统是欧逡逑盟研制的全球导航卫星系统。基于Ｇａｌｉｌｅｏ，欧洲可建立自己的军事体系，从而摆脱逡逑对ＧＰＳ的依赖。我国的北斗（ＢＤＳ）系统目前己实现亚太地区的覆盖，正处于全球逡逑组网进程当中

模块,卫星导航,核心部分,软件接收机

飞行过程中高动态、低载噪比和信号中断等恶劣条件均会使跟踪误差增大，因此增强逡逑环路跟踪性能对于提高弹丸命中精度极为关键。逡逑此外，如图１．２所示，振荡器为射频前端模块提供频率源，同时为基带信号处理逡逑模块提供驱动时钟，可见振荡器的性能直接影响信号的捕获与跟踪性能。然而，弹丸逡逑提供的空间有限，弹载接收机通常使用体积较小的温补晶振（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，邋ＴＣＸＯ）。温补晶振受外界因素（温度、压力等）影响逡逑较大［１２］，其输出信号的频率准确度和稳定度性能也较差［１３］，后续的基带信号处理势逡逑必受到影响。逡逑在传统的硬件接收机中，基带信号算法通常由专用集成电路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｐｅｃｉｆｉｃ逡逑Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋Ｃｉｒｃｕｉｔ，邋ＡＳＩＣ）实现，如图１．１（ｂ）所示。尽管ＡＳＩＣ具有强大、高速的运算逡逑能力，但它没有可编程性，缺乏灵活性，对于研究和开发不同功能的基带信号算法不逡逑利。软件接收机的出现则打破了以硬件为核心的传统接收机功能单一、可扩展性差的逡逑设计局限。所谓软件接收机
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ410.3

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