卫星导航系统中的弱信号跟踪研究

发布时间：2017-08-02 22:00

  本文关键词：卫星导航系统中的弱信号跟踪研究

  更多相关文章： GNSS 相干积分时间 弱信号跟踪 滑动滤波器 卡尔曼滤波器

【摘要】：随着众多新的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的投入建设和运行,GNSS应用日益盛行于人们的日常生活,然而,在城市峡谷、室内和密林等复杂环境下,到达接收端的GNSS信号存在着较大的衰减,绝大多数传统接收机的性能将急剧下降,甚至不能正常工作。因此,传统GNSS接收技术不能满足在这些恶劣环境中的应用需求。与传统GNSS接收机相比,高灵敏度接收机具有更高的捕获灵敏度和跟踪灵敏度,能够应用于弱信号环境。随着个人手持导航终端的普及,高灵敏度接收机具有广阔的市场前景。因此,GNSS接收机的设计面临着挑战和机遇。高灵敏度接收机的关键技术主要包括弱信号捕获技术和弱信号跟踪技术。在我国高灵敏度接收机的研制尚处于起步阶段,与国外在该领域的先进国家有着一定差距。目前,大多数高灵敏度接收机研究更加关注于弱信号捕获算法,而对弱信号跟踪算法研究相对较少。论文以提高跟踪灵敏度为目的深入研究了卫星导航系统中的弱信号跟踪技术。论文的主要研究内容如下:(1)增加相干积分时间可以提高跟踪灵敏度,因此论文研究了相干积分时间对传统数字跟踪环路的影响。首先,详细分析了传统数字跟踪环路在不同归一化噪声带宽(相干积分时间与噪声带宽的乘积)条件下的稳定性和闭环特性。随着归一化噪声带宽的增大,传统数字跟踪环路的低通特性将逐步恶化,最终导致环路不稳定。其次,分析了环路在不同归一化噪声带宽条件下等效噪声带宽偏离预期噪声带宽的程度。环路的等效噪声带宽随着相干积分时间增加逐渐偏离噪声带宽预期值。分析结果表明,传统数字跟踪环路不适合弱信号跟踪。(2)由于传统数字跟踪环路在扩展相干积分时间方面存在着限制,基于参数化根的方法设计了优化数字跟踪环路。通过理论分析和仿真对比了优化数字跟踪环路与传统数字跟踪环路在不同归一化噪声带宽时的闭环特性和跟踪抖动。研究结果表明,优化跟踪环路有着更好的低通特性和噪声性能。尽管如此,优化数字跟踪环路的低通特性和噪声性能也会随着相干积分时间的增加而下降。(3)导航数据位跳变也限制了相干积分时间的扩展。为了处理导航数据位跳变,本文分析了三种环路跟踪结构,即基于符号检测的相干结构、基于能量检测的相干结构和非相干结构。通过仿真和实验验证了这三种跟踪结构的可用性,同时对比了三者在跟踪抖动方面的性能差异。研究表明,这三种结构无需任何导航数据位的先验信息,能够有效地削弱导航数据位的影响。在跟踪抖动性能方面,基于能量检测的相干结构最优,非相干结构最差。而在设计复杂度方面,基于符号检测的相干结构最简单,基于能量检测的相干结构最复杂。(4)由于优化数字跟踪环路的性能随着相干积分时间的增加也会下降,因此为了提升跟踪环路的性能,通过在数字跟踪环路中引入滑动滤波器设计了滑动式跟踪环路。为此,基于参数化根的方法提出了一种较为通用的迭代算法,该算法能够有效的求解滑动式跟踪环路的滤波器系数。依据滑动式跟踪环路的线性模型分析了环路的闭环响应,并通过仿真验证滑动式环路的跟踪抖动性能和可用性。分析和仿真结果表明,滑动式跟踪环路的噪声性能和动态性均优于优化数字跟踪环路。(5)分别以鉴相器和鉴频器输出作为卡尔曼滤波器的测量残差,设计了基于卡尔曼滤波器的三阶锁相环和二阶锁频环,并通过数学推导为两者建立了明确的z域线性模型。利用该z域线性模型设计了二阶锁频环辅助三阶锁相环的卡尔曼跟踪环路,并通过仿真验证了环路跟踪性能。根据卡尔曼滤波器和滑动式跟踪环路的特点,提出了滑动式卡尔曼跟踪环路设计方法。仿真结果表明:滑动式卡尔曼锁频环可以扩大鉴频器的频率牵入范围;当数据位不存在时,滑动式卡尔曼跟踪环路可跟踪载噪比为10d B-Hz的弱信号;当数据位存在时,滑动式卡尔曼跟踪环路可跟踪载噪比为15.5d B-Hz的弱信号。
【关键词】：GNSS 相干积分时间 弱信号跟踪 滑动滤波器 卡尔曼滤波器
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（国家授时中心）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P228.4
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-19
• 缩略词19-21
• 1 引言21-29
• 1.1 研究背景和意义21-22
• 1.2 商品化高灵敏度接收机的发展现状22-23
• 1.3 弱信号跟踪技术的研究现状23-25
• 1.4 论文的结构及主要内容25-29
• 2 GNSS信号和GNSS信号跟踪概述29-35
• 2.1 GNSS信号概述29-30
• 2.2 GNSS信号跟踪概述30-35
• 3 数字锁相环性能分析35-51
• 3.1 鉴相器35-40
• 3.2 积分器的离散域表达40-41
• 3.3 NCO模型41-43
• 3.4 环路滤波器43-49
• 3.5 小结49-51
• 4 优化数字锁相环51-65
• 4.1 基于参数化的根设计数字锁相环51-58
• 4.2 优化数字锁相环的闭环响应58-60
• 4.3 优化数字锁相环的跟踪抖动60-63
• 4.4 小结63-65
• 5 导航数据位跳变处理65-75
• 5.1 基于符号检测的相干结构65-67
• 5.2 基于能量检测的相干结构67-70
• 5.3 非相干结构70-73
• 5.4 小结73-75
• 6 滑动式跟踪环路75-93
• 6.1 滑动式锁相环75-86
• 6.1.1 线性模型75-77
• 6.1.2 滤波器设计77-79
• 6.1.3 滑动式锁相环的闭环特性79-81
• 6.1.4 环路性能和实验结果81-86
• 6.2 滑动式锁频环86-91
• 6.2.1 环路结构86-87
• 6.2.2 线性模型和滤波器设计87-89
• 6.2.3 仿真结果89-91
• 6.3 小结91-93
• 7 基于卡尔曼滤波器的跟踪环路93-123
• 7.1 卡尔曼滤波器介绍93-96
• 7.2 利用离散卡尔曼滤波器设计跟踪环路96-115
• 7.2.1 利用离散卡尔曼滤波器设计锁相环96-105
• 7.2.2 利用离散卡尔曼滤波器设计锁频环105-110
• 7.2.3 利用离散卡尔曼滤波器设计由二阶锁频环辅助的三阶锁相环110-115
• 7.3 利用离散卡尔曼滤波器设计滑动式跟踪环路115-121
• 7.4 小结121-123
• 8 总结与展望123-125
• 8.1 总结123-124
• 8.2 展望124-125
• 附录A 四种常用鉴相器输出的均值与方差125-129
• A.1 经典科斯塔斯环鉴相器125
• A.2 面向判决鉴相器125-127
• A.3 二象限反正切鉴相器127-128
• A.4 四象限反正切鉴相器128-129
• 参考文献129-135
• 发表文章目录135-136
• 简历136

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 赖广锋;罗奎;刘波;黄文俊;陈莹;;微弱GNSS信号跟踪技术综述[J];军事通信技术;2010年04期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 丁继成;弱信号条件下GPS接收机关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

2 莫建文;弱信号环境下高性能GPS接收机关键技术研究[D];西安电子科技大学;2011年

，

本文编号：611367