北斗卫星信号捕获关键算法研究

发布时间：2020-08-12 17:43

【摘要】：随着我国自主研制的北斗卫星导航系统的运营,用户端接收机的性能不断提高,但是目前,导航接收机仍然存在诸多技术难点,还没有取得突破性进展,这给北斗导航系统的应用产生巨大的影响。因此,提高接收机性能的研究迫在眉睫。接收机按其功能划分,主要分为三个部分:前端的射频处理、基带数字信号的处理和最后的定位解算,目前的研究热点为基带信号处理部分,分为信号的捕获和跟踪,其中,信号的捕获是基带信号处理的首要步骤,其性能直接影响后续跟踪的精度和速度,因此,开展信号捕获的深入研究,提高捕获过程的性能显得尤为重要。本文主要研究北斗接收机基带信号处理中的捕获算法,改进现有的捕获算法,缩短捕获时间,提高捕获效率,为加快整个接收机的工作进程做贡献。在北斗信号设计之初,为了提高卫星信号间的相关性,提高窄带抗干扰能力,采用主码加二次编码的方式调制信号,但是由于二次编码可能会出现位翻转使得捕获峰值降低,导致不能有效的捕获信号,同时,在信号采样过程中遵循传统的奈奎斯特采样定理,采样率高,数据量大,严重影响接收机的性能,因此针对二次编码带来相关峰值损失和计算复杂度高的问题,分别提出两种改进的捕获算法:(1)新型的FFT并行捕获算法。算法首先假设无位翻转的情况,采用并行码相位搜索的方法,对接收信号和本地信号进行相关运算,得到相关结果;而后针对存在位翻转的情况对接收信号和本地信号进行改进,再进行相关运算;最后将两次相关运算得到的结果相干合成,得到最大的相关峰值,以此来解决由于位翻转带来的相干累积峰值被削弱的问题;此外改进算法还将快速傅里叶变换进行分段运算进一步降低整体计算量。(2)基于压缩感知的捕获算法。卫星信号的捕获过程需要一定的硬件资源,且消耗时间,为了节约硬件资源,减少成本,同时为了去除量测噪声,得到更为准确地估计值,本文提出一种基于卡尔曼滤波的压缩感知卫星信号捕获算法。首先,分析北斗卫星信号的稀疏性,构造稀疏变换矩阵,选择观测矩阵进行观测;其次,在信号重构阶段引入Kalman滤波,每次迭代都获得最佳信号估计,同时采用弱匹配的方式筛选有效信息,剔除冗余信息。最后得到码相位和频率的准确估计值。对上述算法进行实验分析,从计算复杂度、积分时间和捕获性能等方面进行对比,分析可得:本文提出的两种算法对比传统的捕获算法都有所改进,能有效地运用到捕获过程中。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN967.1
【图文】：

导航系统,组成部分,信息,运行轨道

第二章导航系统定位原理及接收机原理详细介绍北斗卫星导航系统的定位原理，其次概述接收机的到的信号如何得到接收机位置的过程，最后介绍了北斗信号做铺垫。航系统定位原理系统主要由图 2-1 所示三个部分组成，系统间三个部分信号传分的卫星，首先向外发送信息，随后地面监控站负责接收发信息，得到该颗卫星的运行轨道信息，再把这些信息传回给后，发射转播有轨道信息的信号，这时用户设备的接收机接电文信息解算出卫星的运行轨道信息，最后采用一定的方法信息[21]。

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图 2- 2 四星定位原理示意图Fig. 2-2 Schematic diagram of four satellites positioning星的坐标可以由导航电文得出，从式（2-4）到式（2-7）可以看出的精度影响着最终解算出的定位结果的精度，计算距离的方法有两相位观测，而一般提高定位精度，减小测量误差的方法是差分定位作原理是处于同一地域的不同接收机，测量值中由于外界因素引起，或者这些误差极大程度相关，因此可以在这些接收机中，选取其取的这个接收机的位置坐标必须是已知的，用差分定位算法时，将距离测量值与真实的几何距离作比较，得到的差值就是基准接收机差，一定范围内的接收机根据这一测量误差修正自身的值，从而消得到一个较为精确地位置信息。基本结构和原理

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图 3- 6 多径效应示意图Fig. 3-6 Schematic diagram of multipath effect过程中，由于发射端和接收端会发生位置的变化，会，这就是多普勒效应。当接收机远离卫星时，接收到卫星方向运动时，接收到的信号频率变高，多普勒效号频率的一个因素，受到接收机相对于卫星的运动速勒频移越大[31]。间传播的过程中，要经过大气电离层，导致信号的幅离层是一个不确定的因素，它的结构不均匀，且无变是不可预测的，因此在捕获时，会产生很大的误差[星信号在传播的过程中还受到阴影效应的影响，以上

【参考文献】