高动态导航信号跟踪技术研究与实现

发布时间：2017-10-07 21:15

  本文关键词：高动态导航信号跟踪技术研究与实现

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【摘要】：卫星导航技术已经成为人类社会发展必不可少的重要部分。在某些特殊领域,由于接收机载体与卫星间存在着较大的相对运动速度、加速度甚至加加速度,这将导致接收到的卫星信号包含较大的多普勒频移、多普勒频率的一次变化率甚至多普勒频率的二次变化率,给信号的跟踪带来了困难和挑战。本文以GPS为例对高动态导航信号跟踪问题进行算法研究并完成相关算法的FPGA实现。论文首先介绍了GPS信号的构成和多普勒特性,并给出了典型的导航信号高动态模型,为后续算法仿真提供模型基础。针对该高动态模型,给出了一种能在数字域内直接合成高动态信号中时变多普勒频率的方法,为高动态GPS信号的模拟提供依据。针对高动态环境下的信号跟踪问题,在综述了导航信号处理流程和传统跟踪方法后,本文做了以下算法研究工作:(1)使用三阶锁相环对高动态接收信号的载波进行了跟踪研究,研究结果表明了三阶环路在跟踪高动态GPS信号载波时具有缺陷和局限性。(2)研究了基于卡尔曼滤波技术的载波跟踪算法,包括使用鉴相器的线性卡尔曼滤波(Linear Kalman Filter,LKF)算法,对相干积分输出结果进行线性化处理的扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)算法和对相干积分输出结果进行分布近似的无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法,并对上述载波跟踪方案进行了仿真分析。仿真结果表明,在本文的高动态模型下EKF和UKF算法的失锁门限要低于LKF算法,在同等载噪比的情况下,UKF算法的均方根频率跟踪误差要略小于EKF算法。(3)在载波跟踪的基础上,研究了两种载波和扩频码的联合跟踪方案。一种是五阶线性卡尔曼滤波跟踪方案,另一种是将载波UKF和三阶码环相结合的联合跟踪方案。通过仿真对两种算法进行了对比,结果表明使用载波UKF和三阶码环相结合的跟踪算法具有更低的稳态跟踪误差。本文的另一个重要工作是在基于FPGA的硬件平台上对高动态GPS信号跟踪的相关算法进行实现。考虑到范围和精度问题,在设计过程中对卡尔曼滤波方程模块的计算采用了32位单精度浮点数格式。在对每个模块进行了设计和仿真验证后给出了整体设计方案和实现结果。
【关键词】：高动态 跟踪 卡尔曼滤波 FPGA
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN967.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 缩略词表12-13
• 第一章 绪论13-16
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.2 课题研究现状14-15
• 1.3 主要内容与结构安排15-16
• 第二章 高动态导航信号特性研究16-27
• 2.1 GPS信号构成与多普勒分析16-18
• 2.1.1 GPS信号构成16-17
• 2.1.2 卫星多普勒特性分析17-18
• 2.2 高动态模型18-21
• 2.3 基于三阶DDS的时变多普勒频率合成21-26
• 2.3.1 DDS原理21-22
• 2.3.2 三阶DDS时变多普勒频率合成模型22-24
• 2.3.3 参数设计与仿真24-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 导航信号传统跟踪算法研究27-37
• 3.1 导航信号接收处理流程27
• 3.2 捕获27-28
• 3.3 跟踪28-33
• 3.3.1 载波跟踪环29-32
• 3.3.2 码跟踪环32-33
• 3.4 三阶锁相环跟踪高动态性信号的局限性33-35
• 3.5 本章小结35-37
• 第四章 基于卡尔曼滤波技术的高动态导航信号跟踪算法研究37-62
• 4.1 卡尔曼滤波理论37-41
• 4.1.1 统计估计理论与最小线性均方误差估计37-38
• 4.1.2 离散线性卡尔曼滤波38-40
• 4.1.3 卡尔曼滤波的特点与稳定性40-41
• 4.2 基于卡尔曼滤波技术的载波同步技术研究41-54
• 4.2.1 载波线性卡尔曼滤波(LKF)算法41-45
• 4.2.2 载波扩展卡尔曼滤波(EKF)估计45-47
• 4.2.3 载波无迹卡尔曼滤波(UKF)估计47-48
• 4.2.4 仿真结果与分析48-54
• 4.3 基于卡尔曼滤波技术的载波与码联合同步技术研究54-61
• 4.3.1 线性卡尔曼联合同步算法54-56
• 4.3.2 基于载波UKF辅助三阶码环的联合同步算法56-57
• 4.3.3 仿真结果与分析57-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 基于卡尔曼滤波技术的高动态信号跟踪的FPGA实现62-81
• 5.1 卡尔曼滤波方程相关运算模块设计62-69
• 5.2.1 浮点数介绍62-63
• 5.2.2 矩阵加减法模块设计63-65
• 5.2.3 矩阵乘法模块设计65-67
• 5.2.4 矩阵求逆模块设计67-68
• 5.2.5 平方根矩阵模块设计68-69
• 5.2 鉴相模块的设计69-72
• 5.3 本地载波发生器和本地码发生器设计72-74
• 5.4 顶层模块设计74-76
• 5.5 板级测试76-80
• 5.6 本章小结80-81
• 第六章 总结与展望81-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-85
• 攻读硕士学位期间取得的成果85-86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李育龙;左启耀;李峰;;高动态下惯性加速度辅助三阶锁相环性能分析[J];导航定位与授时;2015年03期

2 张鑫;李彩华;黄仰博;张国柱;欧钢;;基于混合时钟三阶DDS的信号多普勒模拟方法[J];国防科技大学学报;2014年02期

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本文编号：990104