高灵敏度GPS接收机基带信号处理相关技术的研究与仿真

发布时间：2017-03-27 17:05

  本文关键词：高灵敏度GPS接收机基带信号处理相关技术的研究与仿真，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着GNSS导航应用的普及,各种各样的应用场景对导航接收机的性能提出了更高的要求。为了使接收机能够在室内、隧道等极弱信号环境下工作,提高接收机的捕获跟踪灵敏度就成了必不可少的一步。然而传统经典的捕获跟踪结构优化已经遇到瓶颈,有必要探索新的基带信号处理架构。大块相关器技术是除了加长相干积分时间和AGPS之外,国际上公认的高灵敏度技术之一。本文从大块相关器的根本思想出发,在MATLAB软件平台上设计了一种开环的GPS信号捕获、跟踪、位同步结构,此外,在载波跟踪和比特解调方面更是引入了维特比算法(VA)和扩展卡尔曼滤波(EKF),使得在没有传统闭环的情况下,仍然能够实现载波跟踪。为验证算法性能,需要明确实际信号的码相位、载波频率、数据比特等信息,还需要产生特定载噪比的信号,因此,论文设计了一个模拟信号源,用于产生特定的GPS信号,可自行设定多种信号参数。关于大块相关器粗捕模块,论文首先分析了相干积分时间、非相干积分时间和部分匹配滤波(PMF)+FFT算法的基本性能特点,而后完成了大块相关器粗捕模块的设计,实现了频率、码相位、位边沿和数据比特组合的四维搜索。仿真结果表明,如果单纯使用80ms相干积分,没有非相干积分时,能够捕获载噪比23dBHz的信号,当采用80ms相干积分,20次非相干积分时,可以捕获载噪比15dBHz的信号。粗捕不仅提供了频率和码相位的粗略估计,也给出了位边沿的粗略位置。接下来的大块相关器精捕,采用了Chirp Z变换(CZT)作为频谱细化方法,进一步减小了载波频率误差,明确了位边沿位置,实现了相当于传统接收机环路的牵引和位同步功能。仿真结果表明,采用20次非相干积分时,该精捕模块同样能够工作在15dBHz信号强度下,且频率误差在2Hz以内。载波频率和码相位误差都减小了之后,后续的比特解调工作要求载波相位的精确跟踪。首先采用基于极大似然估计的VA缩小载波相位误差,而后利用误差较小的载波相位估计启动EKF,维持对载波相位的跟踪,与此同时用VA进行数据解调。仿真结果表明,在18dBHz信号强度下,误码率为6*10-2,而EKF则在15dBHz信号强度下,仍然能够维持对载波的跟踪。
【关键词】：高灵敏度 大块相关器 FFT 维特比算法(VA) 卡尔曼滤波(KF) MATLAB
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN911.7;P228.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-15
• 1.1 论文背景及研究意义8-11
• 1.2 本论文的研究内容11-13
• 1.2.1 开环结构和FFT11-12
• 1.2.2 维特比算法12
• 1.2.3 卡尔曼滤波(KF)12-13
• 1.3 本论文的结构13-15
• 2 GPS信号的产生15-21
• 2.1 GPS信号结构15-16
• 2.2 GPS信号源的实现16-17
• 2.3 噪声与载噪比17-18
• 2.4 信号源扩展18-20
• 2.5 结论20-21
• 3 GPS接收机高灵敏度粗捕算法21-38
• 3.1 相干积分21-22
• 3.2 非相干积分22-23
• 3.3 部分匹配滤波+FFT23-24
• 3.4 大块相关器粗捕24-35
• 3.4.1 大块相关器概述24-26
• 3.4.2 基本结构和相干积分26-27
• 3.4.3 非相干积分27-28
• 3.4.4 码多普勒补偿28-29
• 3.4.5 计算量分析29-30
• 3.4.6 代码实现30-35
• 3.5 仿真结果35-37
• 3.6 结论37-38
• 4 GPS接收机高灵敏度精捕及跟踪算法38-47
• 4.1 Chirp Z变换(CZT)38-39
• 4.2 大块相关器精捕39-40
• 4.3 代码实现40-41
• 4.4 传统环路跟踪结构实现41-44
• 4.5 仿真结果44-46
• 4.6 结论46-47
• 5 维特比算法和卡尔曼滤波在相位跟踪与比特解调中的应用47-68
• 5.1 维特比算法概述47-49
• 5.2 似然函数的构建49-50
• 5.3 相位剥离、数据解调及代码实现50-54
• 5.4 卡尔曼滤波算法概述54-56
• 5.5 卡尔曼滤波器对传统环路跟踪性能的改善作用56-61
• 5.5.1 卡尔曼滤波用于跟踪环路滤波器56-58
• 5.5.2 仿真结果58-61
• 5.6 卡尔曼滤波在大块相关器跟踪上的应用61-67
• 5.6.1 扩展卡尔曼滤波(EKF)61-62
• 5.6.2 基于扩展卡尔曼滤波的载波跟踪62-64
• 5.6.3 仿真结果64-67
• 5.7 结论67-68
• 6 实验结果68-74
• 6.1 MATLAB仿真环境68
• 6.2 大块相关器算法灵敏度及优势68-70
• 6.3 维特比算法和卡尔曼滤波性能70-74
• 结论74-76
• 参考文献76-79
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况79-80
• 致谢80-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 陆国生;李立言;赵民建;;全球导航卫星系统矢量载波环的设计与分析[J];浙江大学学报(工学版);2015年01期

2 王驰昊;;基于PMF-FFT的伪码捕获算法分析[J];现代导航;2012年06期

3 樊新海;曾兴祥;张丽霞;张传清;;基于CZT的频谱细化算法及应用[J];装甲兵工程学院学报;2012年01期

4 赵金峰;常江;尹冉冉;;基于矢量跟踪的导航接收机研究综述[J];数字通信世界;2011年08期

5 巴晓辉;李金海;陈杰;;不需辅助信息的室内GPS信号捕获算法[J];电子技术应用;2006年09期

6 李天昀,葛临东;基于CZT和Zoom-FFT的频谱细化分析中能量泄漏的研究[J];电子对抗技术;2003年05期

  本文关键词：高灵敏度GPS接收机基带信号处理相关技术的研究与仿真，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：270706