北斗导航接收机的高灵敏度跟踪算法研究

发布时间：2021-06-22 18:38

卫星导航经过数十年的发展,已经成为目前全球应用最为广泛的导航定位技术,对于国民经济发展、军事战略布局都具有重要意义。与此同时,我国的北斗卫星导航系统也已经进入了卫星布局的第三阶段,整体应用逐步实现产业化、国际化、规模化、和大众化的新阶段,预计2020年实现全球卫星定位服务。届时,将会结合一带一路对国家经济与政治实力发展产生不可或缺的影响。本文深入分析北斗卫星跟踪环路参数对跟踪性能的影响。具体分析北斗B1I频点卫星信号调制方式和结构,研究导致信号强度衰减的因素。从传统跟踪环路算法入手,研究环路各个组成部分的结构,验证分析环路参数对跟踪性能造成的影响。建立环路参数与环路跟踪稳态误差的关系模型,提出选取合适环路参数提升跟踪环路跟踪性能的可行性方案,验证选取环路参数与接收机定位性能之间的动态关系。深入研究加长相干积分时间对环路跟踪灵敏度的影响,并在硬件平台进行了验证。研究调制有NH码的北斗D1导航电文,对帧同步/位同步和长相干积分算法进行设计与实现,并探讨维特比算法在帧同步中的应用实现。在FPGA和DSP硬件平台上建立试验系统对提出的长相干积分跟踪方案,在静态与动态航迹的条件下对其跟踪性能进行分析。重点分析跟踪环路动态应力与跟踪精度的平衡关系,从滤波估计的角度着手设计基于卡尔曼滤波的跟踪环路算法。分析热噪声对于卡尔曼滤波跟踪环路性能影响,并且通过对滤波载波跟踪环路进一步简化,将相关值作为观测量输入以实现自适应卡尔曼、扩展卡尔曼载波跟踪环路的模型,提升环路的跟踪性能,有效减小环路跟踪过程中的噪声干扰。在硬件平台上模拟弱信号与高动态的场景,测试验证该方法下的环路跟踪性能优势。搭建基于FPGA+DSP的仿真验证平台,对先前设计各跟踪环路技术的导航定位性能进行验证。首先设计和介绍方案验证平台的整体结构,同时解决GPS/BDS平台移植中出现的伪距跳变问题,最后模拟静态、动态以及弱信号场景,对设计的几种不同的跟踪环路技术的导航定位性能进行试验验证与对比分析。
【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】：2017
【分类号】：TN967.1

注释表

第一章绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 研究现状及发展趋势

1.2.1 北斗卫星导航系统发展概况

1.2.2 卫星导航接收机跟踪环路技术研究现状及发展

1.3 论文研究内容与安排

第二章北斗B1I频点卫星信号跟踪技术研究

2.1 北斗B1I频点卫星信号结构分析

2.1.1 北斗B1I频点载波调制分析

2.1.2 北斗B1I频点测距码调制分析

2.1.3 北斗B1I频点导航电文调制分析

2.2 北斗B1I频点卫星弱信号影响因素分析

2.2.1 信号功率衰减分析

2.2.2 阴影效应分析

2.2.3 多普勒效应分析

2.2.4 电离层闪烁效应分析

2.2.5 北斗B1I频点卫星弱信号仿真设计与实现

2.3 北斗卫星信号的跟踪算法研究及设计

2.3.1 码跟踪环路分析与设计

2.3.2 载波跟踪环路分析与设计

2.3.3 锁相环的环路滤波器分析与设计

2.4 环路带宽对北斗导航接收机跟踪性能的影响试验及分析

2.4.1 环路参数分析与选取

2.4.2 环路带宽对接收机性能影响试验及分析

2.5 本章小结

第三章基于相干积分的北斗导航接收机高灵敏度跟踪算法研究

3.1 弱信号的跟踪算法研究

3.1.1 相干积分基本原理分析

3.1.2 非相干积分基本原理分析

3.1.3 长相干积分时间的限制因素分析

3.2 北斗B1I频点卫星信号弱信号跟踪算法设计

3.2.1 帧同步/位同步设计与实现

3.2.2 长时间相干积分设计与实现

3.2.3 基于维特比算法的译码方法设计分析

3.3 基于FPGA的相干积分算法环路跟踪性能试验与分析

3.3.1 静态航迹下长相干积分算法试验及分析

3.3.2 动态航迹下长相干积分算法试验及分析

3.4 本章小结

第四章基于Kalman/EKF滤波估计的高灵敏度跟踪算法研究

4.1 噪声对于环路跟踪性能的影响研究和分析

4.1.1 噪声对相位锁定环路(PLL)跟踪性能的影响研究与分析

4.1.2 噪声对频率锁定环路(FLL)跟踪性能的影响研究与分析

4.1.3 噪声对码跟踪环路(DLL)跟踪性能的影响研究与分析

4.2 基于卡尔曼滤波估计的载波跟踪算法研究

4.2.1 卡尔曼滤波跟踪环路结构分析

4.2.2 卡尔曼滤波跟踪环路状态模型与观测模型设计

4.2.3 卡尔曼滤波跟踪环路优化设计

4.3 基于自适应扩展卡尔曼滤波估计的载波跟踪算法研究

4.3.1 扩展卡尔曼滤波跟踪环路结构分析

4.3.2 扩展卡尔曼滤波跟踪环路状态模型与观测模型设计

4.3.3 扩展卡尔曼滤波跟踪环路优化设计

4.4 基于自适应卡尔曼、扩展卡尔曼滤波估计的载波跟踪环路试验验证与分析

4.4.1 弱信号场景下EKF滤波跟踪环路的性能试验与分析

4.4.2 高动态场景下KF、EKF滤波跟踪环路的性能试验与分析

4.5 本章小结

第五章北斗卫星导航接收机基带信号FPGA/DSP软件处理平台设计与性能试验验证

5.1 基于FPGA/DSP的信号处理平台方案设计与实现

5.1.1 基带数据处理平台总体模块设计

5.1.2 基于FPGA的基带数据处理平台功能描述与分析

5.1.3 基于FPGA的基带数据处理平台编程分析与实现

5.2 基于FPGA/DSP的信号处理与验证平台伪距测量改进设计

5.2.1 北斗导航卫星伪距定位原理

5.2.2 基于FPGA/DSP的信号处理平台接收机伪距测量改进设计

5.3 基于FPGA/DSP导航接收机开发平台的信号跟踪试验与分析

5.3.1 静态场景下接收机导航定位性能试验验证

5.3.2 动态场景下接收机导航定位性能试验验证

5.3.3 弱信号场景下接收机导航定位性能试验验证

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 本文主要研究工作

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

【参考文献】