低功耗GNSS接收机基带跟踪环路设计

发布时间：2020-07-22 13:55

【摘要】：物联网(Internet of Things,IoT)的兴起带来IoT技术与设备的研发热潮。准确、实时的定位是IoT设备的重要功能。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是应用广泛的导航定位系统。但传统GNSS接收机模块功耗较高难以满足IoT设备的要求,因而低功耗GNSS接收机成为研究的热点。全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是GNSS中应用最广泛的卫星系统,本文的设计和评估将围绕GPS展开。本文采用惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)辅助GPS接收机架构,GPS定位模块间歇工作,在其关闭时由低功耗INS模块进行惯性导航定位,从而系统具有低的工作功耗。定位系统的功耗主要取决于GPS模块的捕获和跟踪过程。因此如何设计跟踪环路降低系统定位功耗成为本文的研究重点。本文设计了一种基于卡尔曼滤波器的快速牵引跟踪环路。该跟踪环路使用用户位置预测GPS信号码相位、多普勒,使得GPS模块开启时刻码相位与多普勒在跟踪环路牵引范围之内,从而接收机可以直接进入跟踪状态,避免捕获过程。接收机进入跟踪后,本地复制信号与接收GPS信号之间存在较大误差。在载波跟踪环路和码跟踪环路中,本文使用频差补偿的方法对抗由频差带来的相干积分衰减,提高鉴频鉴相精度。获得频率和相位偏差后,使用卡尔曼滤波器作为环路滤波器,先通过大的噪声带宽来加速环路的牵引过程,然后逐渐减小噪声带宽获得更好的伪距和多普勒精度。仿真结果表明本文设计的快速牵引跟踪环路在40dB.Hz信号功率,初始误差30m伪距误差,26Hz多普勒误差,100ms时间牵引后伪距精度3.25m,多普勒精度1.65Hz。本文通过软件接收机对基于快速牵引跟踪环路算法的接收机进行仿真验证和评估。仿真实验表明本文设计的基于快速牵引跟踪环路的INS辅助GPS接收机功耗为3.0mW,伪距精度在-130dBm时为4.41m,在空间位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)为1.25的情况下可实现5m圆概率误差(Circular Error Probable,CEP)定位精度。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN967.1
【图文】：

图 4- 4 并行码相位捕获搜索算法流程图 4- 5 GPS 卫星信号捕获结果图图 4- 5 为 GPS 某颗卫星的捕获结果，从中可以看到比较明显的信号峰值。根据图 4- 5 的结果可以计算出捕获成功后的卫星信号峰值对应的伪码相位和多普勒频率，然后把这些信息通过一定的逻辑转换提交给信号跟踪通道，初始化跟踪通道的载波和伪码 NCO 设置，从而进入信号的跟踪处理。信号跟踪初始阶段未知比特边界位置，首先进行比特同步。2) 比特同步本软件使用直方图法[42]进行比特同步，这种方法的基本出发点是在数据比特发生跳变的时刻，相邻两次的 I 路和 Q 路积分器的积分结果可能出现正负值跳变，而在数据比特稳定的时刻，相邻两次的 I 路和 Q 路积分结果保持符号不变。GPS 信号的数据比特宽度为 20ms

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