高灵敏度北斗卫星导航接收机基带信号处理关键技术研究

发布时间：2020-08-21 14:32

【摘要】：随着我国北斗卫星导航系统的快速建设和发展,其应用领域越来越广泛,已经渗透到人们生活的方方面面,在复杂环境中应用的发展势头迅猛,如城市、峡谷、森林、以及大型建筑物内部或地下车库等室内场所。在这些环境中,卫星信号强度存在较大的衰减,传统的卫星导航接收机设计已不能满足常规的导航定位需求。因此,针对弱信号的高灵敏度接收机设计已经成为国内外专家研究的热点。北斗卫星信号与传统GPS信号相比,存在NH码的二次调制,导致北斗信号中包含较多的数据比特符号跳变,给北斗高灵敏度接收机的设计带来了许多限制因素和问题。由于北斗信号与GPS信号在结构和调制方式上的不同,传统的GPS接收机信号处理技术并不能直接套用于北斗信号的处理,需要对相关算法进行改进和优化。因此,针对北斗信号结构特点,开展适合北斗信号的高灵敏度接收机信号处理技术具有重要理论意义和应用参考价值。本文针对北斗导航接收机的高灵敏度信号处理问题,围绕接收机基带信号处理过程中的信号捕获、信号同步及信号跟踪三个方面的关键技术展开研究工作,研究高灵敏度北斗接收机基带信号处理算法,设计搭建了北斗接收机硬件测试系统,对相关的算法进行了验证。首先,研究了适合北斗信号的捕获算法。在分析北斗信号结构特点的基础上,对北斗信号数据比特符号跳变导致传统一毫秒相干积分峰值衰减裂变的问题进行建模和分析。研究了一种适合北斗信号的捕获算法,采用分段匹配滤波和FFT的方式实现对码相位和载波多普勒频率二维的并行搜索,消除数据比特符号跳变的影响。经过建模分析,该算法与传统算法相比提高了信号处理效率和速度,且信号增益保持一致。设计并实现了北斗中频信号仿真系统,验证了该算法的可用性,并为相关信号处理算法的验证提供了支持。接着,开展了北斗弱信号捕获算法研究。北斗信号相比传统GPS信号,存在较多的数据比特符号跳变,且符号跳变周期为一毫秒,极大地限制了积分时间的加长,限制了信噪比的提升和信号捕获灵敏度的提升。针对此问题,研究了基于补零与差分相干的弱信号捕获算法,通过本地码序列补零运算减小数据比特符号跳变的影响,实现了差分相干积分的累积,减小频率误差影响,提升信噪比。为了进一步提升差分相干积分的性能,将差分运算从相干积分层面转移到中频信号层面,提出了一种基于中频差分相干的弱信号捕获算法,极大地降低数据比特符号跳变的影响,利用FFT运算实现对码相位和载波频率的并行搜索,相比传统捕获算法大大提高了捕获效率和灵敏度性能,设计和搭建了蒙特卡洛仿真系统,对相关算法进行了验证。然后,开展了北斗弱信号位同步算法研究。北斗信号的结构特点使得传统的GPS信号位同步方法不再适用,研究了适合北斗信号的位同步算法,结合分组和比特匹配的思想,消除数据比特符号跳变的影响,可同时实现北斗信号位同步和帧同步。在弱信号环境中,由于信噪比较低,环路跟踪频率偏差较大,导致传统弱信号位同步算法容易失效。针对此问题,研究了一种适合北斗弱信号、大频偏条件下的信号位同步算法,将最大似然算法和差分算法进行结合,削弱NH码相位和频率跟踪误差的影响,实现大频偏下的北斗弱信号位同步。开展仿真试验,验证了相关算法的可用性和有效性。另外,开展了北斗弱信号跟踪算法研究。卫星导航接收机跟踪环路中的热噪声和频率跟踪误差等因素影响了信号跟踪质量,并限制了通过积分时间的加长对弱信号跟踪性能的提升,需要进一步通过惯性信息辅助和环路跟踪结构优化来降低跟踪误差。为此,研究了惯性信息辅助的跟踪环路最优滤波算法,利用惯性信息减小频率跟踪误差,利用卡尔曼滤波获得更优的环路跟踪效果。在此基础上,研究分析了北斗双矢量跟踪环路,针对VDLL+VFLL的矢量跟踪结构实现较难的问题,研究了一种基于相位补偿的双矢量环路跟踪方法,实现对载波相位的跟踪,便于实际硬件系统的实现。构建了卫星导航与惯性导航综合测试仿真平台,对跟踪环路的架构设计及算法进行了验证。最后,设计并搭建了基于DSP+FPGA的高灵敏度北斗导航接收机硬件验证系统,构建了试验测试环境,结合北斗实时信号和北斗卫星信号模拟器,开展弱信号测试、静态测试和车载测试,分别对北斗弱信号捕获算法、北斗弱信号位同步算法及北斗弱信号跟踪算法开展试验验证,结果表明本文相关算法能有效提高北斗导航接收机的灵敏度性能,增强接收机对弱信号环境的适应性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN967.1
【图文】：

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系统相关产业和应用的发展带来的机遇[40][4多军民用领域的发展[42]，同时为国家安全、的发展及现状统的建设和发展，卫星导航技术的应用领域，对接收机的高性能需求日益凸显。卫星导干扰、低功耗、小型化等方面[43][44][45]。其中的并仍能正常工作的最低卫星信号强度[46]。端的应用和推广，适应城市楼宇、密林等弱领域的热点。度的 GPS 卫星导航接收机技术开始受到关注F）公司推出的第五代芯片 SiRFstar V5e B02士 U-blox 公司推出了第八代芯片 u-blox LEABm，跟踪灵敏度达到-167 dBm[48]，可用在高

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机芯片主要来自于国外发达国家。直到 2005 年，西安华讯成功研制了我国第一块 GPS 接收机芯片，打破了国外技术垄断的局面。近年来，随着我国北斗卫星导航系统的快速发展，国内开展卫星导航接收机技术研究的企业、高校和研究所逐渐增多，以司南导航、北斗星通、中科微电子、东方联星、合众思壮、华力创通、国腾电子、泰斗微电子等为代表的一批公司都着手进行卫星导航接收机技术或者接收机芯片的研究[50][51]。上海司南导航自主研发的 K5 系列 GNSS板卡，如图 1.2 所示，填补了国内外北斗高精度 OEM 板卡的市场空白[52]。2017 年 9 月 16 日，深圳华大科技发布了 HD8040 系列芯片，如图 1.3 所示，是全球首个支持北斗三号信号体制的高精度导航定位芯片。在高灵敏度接收机方面，北京和芯星通的火鸟 UFirebird UC6226 低功耗、高性能 GNSS 定位芯片，如图 1.4 所示，GPS 信号捕获灵敏度可以达到-148 dBm，北斗信号捕获灵敏度达到-146 dBm，跟踪灵敏度达到-162 dBm[53]；杭州中科微电子的 AT6558 系列 GNSS芯片，捕获灵敏度达到-148 dBm，跟踪灵敏度达到-162 dBm[54]。北斗芯片市场的繁荣推动了国产芯片的蓬勃发展，至 2017 年底，国产北斗芯片累计销量突破 5000 万片，在军队、公安、金融、交通、紧急救援等行业应用市场占据重要份额。随着国产北斗芯片在成熟度、功耗、成本等方面的提升，正逐步进入智能手机等领域。

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【参考文献】