【摘要】：GPS(Global Positioning System)接收機(jī)技術(shù)主要包括GPS信號的捕獲和跟蹤兩部分。信號的捕獲實質(zhì)上是一個對微弱信號的檢測過程,信號的跟蹤實質(zhì)上是一個對微弱信號參數(shù)的估計問題。對于微弱信號的捕獲技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究,因此本文將以GPS信號的跟蹤做為研究重點。由于傳統(tǒng)的商用GPS導(dǎo)航接收機(jī)并不是針對室內(nèi)或高動態(tài)等復(fù)雜工作環(huán)境設(shè)計的,因此要在室內(nèi)或高動態(tài)等環(huán)境中使用GPS導(dǎo)航接收機(jī),就需要對傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),以解決以下問題:(1)一般來說,商用的GPS導(dǎo)航接收機(jī)可正常工作的最低信號強(qiáng)度大約為-130dBm,但是在諸如室內(nèi)或高動態(tài)等惡劣環(huán)境中,GPS信號的強(qiáng)度最低可能達(dá)到-150 dBm,普通的商用GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路已經(jīng)無法正常工作。(2)當(dāng)GPS接收機(jī)工作在微弱信號或高動態(tài)環(huán)境中時,接收機(jī)在較低信噪比情況下的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)比特解調(diào)會出現(xiàn)較高的錯誤率,因而接收機(jī)有可能不能成功地解調(diào)出定位計算所必需的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)和衛(wèi)星鐘差參數(shù)。所以為了提高接收機(jī)在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的可用性和精度,需提高接收機(jī)本身的跟蹤靈敏度。(3)雖然減小GPS跟蹤環(huán)路濾波器的噪聲帶寬可以增加信噪比,但是減小濾波器帶寬的同時也會降低跟蹤環(huán)路的高動態(tài)性能。因此,設(shè)計一種同時具有小的環(huán)路噪聲帶寬和好的高動態(tài)跟蹤能力的GPS跟蹤環(huán)路是勢在必行的。針對以上問題,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多解決方案,這些方案總體上可分為兩種類型:一種為利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)對GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路進(jìn)行輔助的組合導(dǎo)航技術(shù),以提高GPS接收機(jī)對高動態(tài)應(yīng)力的適應(yīng)性;另一種為以使用卡爾曼濾波器等最優(yōu)估計器為代表的最優(yōu)估計技術(shù),以提高跟蹤環(huán)路的跟蹤靈敏度及抗動態(tài)應(yīng)力能力。其中,組合導(dǎo)航技術(shù)可以將兩種或兩種以上的導(dǎo)航技術(shù)通過數(shù)據(jù)融合的方法組合在一起,使組合后的導(dǎo)航系兼具各子系統(tǒng)的優(yōu)點,組合后的系統(tǒng)被稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。最常用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行融合的INS/GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠自主導(dǎo)航,抗干擾能力強(qiáng),且能夠提供連續(xù)的位置和姿態(tài)信息,但是也存在著導(dǎo)航精度隨時間增長而迅速降低的缺陷�，F(xiàn)代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然定位精度很高且定位誤差不會隨時間積累,但其不能提供連續(xù)的載體位置和姿態(tài)信息,同時,當(dāng)載體做劇烈運動、運行環(huán)境遮擋嚴(yán)重或衛(wèi)星信號信噪比較低時,GPS接收機(jī)有可能會對GPS信號失鎖。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合后,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提高并補(bǔ)償衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)失效或性能降低時的位置及速度精度,同時GPS系統(tǒng)可以補(bǔ)償INS系統(tǒng)的累積誤差。也就是說,INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)兼具INS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的優(yōu)勢,可以為載體提供長期、穩(wěn)定、連續(xù)的高精度位置和姿態(tài)信息。在工程中,經(jīng)常遇到"估計"的問題。所謂"估計",就是對受到隨機(jī)干擾影響的物理參數(shù),按著某種評價指標(biāo)為最優(yōu)的準(zhǔn)則,從包含隨機(jī)誤差的測量數(shù)據(jù)中提取出目標(biāo)物理參數(shù)的最佳值。我們都希望估計出來的參數(shù)越接近真實值越好,因此提出了"最優(yōu)估計"的概念。所謂"最優(yōu)估計",就是指在某一確定的準(zhǔn)則條件下,使估計值達(dá)到最優(yōu)。因為GPS接收機(jī)的跟蹤過程,就是一個典型的微弱信號參數(shù)的估計過程。因此,將最優(yōu)估計技術(shù)用于GPS信號的跟蹤環(huán)路,以提高跟蹤環(huán)路的靈敏度和高動態(tài)性能成為了當(dāng)前的研究熱點。本文以基于最優(yōu)估計技術(shù)的跟蹤環(huán)路和INS輔助的跟蹤環(huán)路兩方面作為研究內(nèi)容,以提高GPS接收機(jī)的跟蹤性能為研究目的。論文的主要工作與創(chuàng)新點如下:(1)基于最優(yōu)估計的GPS跟蹤環(huán)路。為了解決在高動態(tài)環(huán)境下GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路失鎖的問題,本文基于高動態(tài)環(huán)境下GPS衛(wèi)星中頻信號模型和強(qiáng)跟蹤線性卡爾曼濾波理論,設(shè)計了一種強(qiáng)跟蹤卡爾曼濾波器(Strong Tracking Filter,STF)GPS信號跟蹤環(huán)路。此跟蹤環(huán)路直接以碼鑒相器和載波鑒相器輸出作為觀測量,使用強(qiáng)跟蹤卡爾曼濾波器對高動態(tài)環(huán)境下的GPS信號碼相位誤差、載波相位誤差、多普勒頻率誤差以及多普勒頻率變化率誤差進(jìn)行最優(yōu)估計。仿真結(jié)果表明強(qiáng)跟蹤卡爾曼濾波器跟蹤環(huán)路在高動態(tài)環(huán)境,尤其是高多普勒頻移的情況下,與傳統(tǒng)的PLL(Phase Lock Loop)/DLL(Delay Locked Loop)跟蹤環(huán)路相比,跟蹤性能有明顯的提高。(2)新的INS輔助的高性能GPS接收機(jī)策略。目前主要的INS/GPS組合方法包括INS/GPS松組合技術(shù)、INS/GPS緊組合技術(shù)以及INS/GPS超緊組合技術(shù)。在松組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,GPS系統(tǒng)和INS系統(tǒng)獨立工作,僅將各自的定位結(jié)果進(jìn)行組合。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低,但是由于INS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)仍各自獨立運行,因此無法使用INS系統(tǒng)輔助GPS跟蹤環(huán)路,組合系統(tǒng)對動態(tài)應(yīng)力的適應(yīng)性并沒有顯著提高;在緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,首先利用INS導(dǎo)航系統(tǒng)給出的導(dǎo)航信息虛擬出一顆GPS衛(wèi)星,并計算出虛擬衛(wèi)星的偽距,然后利用真實衛(wèi)星的偽距和虛擬衛(wèi)星的偽距進(jìn)行定位解算。該方案對導(dǎo)航性能的提升仍然有限,且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度;在超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,利用INS導(dǎo)航系統(tǒng)給出的導(dǎo)航信息輔助GPS跟蹤環(huán)路,能夠顯著提高GPS跟蹤環(huán)路對高動態(tài)應(yīng)力的適應(yīng)性。但是這種組合方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針對以上問題,本文提出了一種INS輔助的增強(qiáng)性能的GPS接收機(jī)策略。在該策略中,根據(jù)INS導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航信息推算出載體由于高速運動產(chǎn)生的多普勒頻移,并根據(jù)推算得到的多普勒頻移動態(tài)地改變GPS接收機(jī)射頻前端的采樣頻率,從而抵消高動態(tài)環(huán)境對GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響。該方法的最大優(yōu)勢是僅需要對GPS接收機(jī)的中頻采樣前端進(jìn)行一定的改造,而不需要對原有接收機(jī)的基帶算法進(jìn)行任何修改。仿真結(jié)果表明,該方法能顯著提高GPS接收機(jī)對動態(tài)應(yīng)力的適應(yīng)性。雖然該方法具有結(jié)構(gòu)簡單,對高動態(tài)信號耐受能力強(qiáng),且不需要對傳統(tǒng)接收機(jī)環(huán)路進(jìn)行修改的優(yōu)點,但是該方法并不能提高跟蹤環(huán)路的跟蹤靈敏度,當(dāng)GPS信號過于微弱時,跟蹤環(huán)路將無法對信號進(jìn)行可靠跟蹤。因此,我們又提出了一種慣性輔助的基于非線性最小二乘估計的聯(lián)合相干-非相干積分跟蹤方法,該方法可以在INS輔助下對將各跟蹤通道微弱信號進(jìn)行疊加(非相干積分)處理,在微弱信號條件下,可以顯著提高信號的載噪比,從而提高跟蹤環(huán)路的靈敏度。(3)GPS接收機(jī)矢量跟蹤環(huán)路。本章分析和比較了擴(kuò)展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter,KEF),自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器(Adaptive EKF,AEKF)和迭代擴(kuò)展卡爾曼濾波器(Iterated EKF,IEKF)等非線性最優(yōu)估計算法在GPS接收機(jī)矢量跟蹤環(huán)路中的性能,然后在此基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)IEKF算法進(jìn)行了改進(jìn),加入了觀測噪聲時變估計器,得到了自適應(yīng)迭代擴(kuò)展卡爾曼濾波器(Adaptive IEKF,AIEKF)。并將AIEKF算法應(yīng)用到了 GPS矢量接收機(jī)跟蹤環(huán)路中。雖然標(biāo)準(zhǔn)的矢量跟蹤結(jié)構(gòu)可以更加充分的利用各可見衛(wèi)星的內(nèi)在幾何關(guān)系,提高跟蹤的靈敏度和重捕獲速度,但是標(biāo)準(zhǔn)的矢量跟蹤結(jié)構(gòu)仍然忽略了各通道鑒相器殘差的內(nèi)在相關(guān)性,而且對信號跟蹤靈敏度的提高有限�；诖�,論文在第四章中提出了一種基于空間域的聯(lián)合非相干積分矢量跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu),該環(huán)路可以更加充分的利用各跟蹤環(huán)路間的內(nèi)在關(guān)系,而且可以通過對各跟蹤通道數(shù)據(jù)之間進(jìn)行非相干積分的方法提高跟蹤環(huán)路的跟蹤靈敏度。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P228.4

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 鄭興平;寇艷紅;;高動態(tài)GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路設(shè)計與實現(xiàn)[J];無線電工程;2010年01期

2 甘良才;倪煥明;;精密數(shù)字相位跟蹤環(huán)路[J];武漢大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1988年04期

3 馮曉明;廉保旺;何偉;;一種改進(jìn)的高動態(tài)GPS載波組合跟蹤環(huán)路算法[J];現(xiàn)代電子技術(shù);2012年05期

4 胡小平;于海亮;唐康華;;基于軟件GPS接收機(jī)的高動態(tài)跟蹤環(huán)路設(shè)計[J];中國慣性技術(shù)學(xué)報;2007年06期

5 劉思慧;樊婧琦;歐鋼;焦文海;崔曉偉;;多徑效應(yīng)的動態(tài)特性對碼跟蹤環(huán)路的影響分析[J];測繪學(xué)報;2011年S1期

6 林士群,李焯;用于自動跟蹤NMR磁強(qiáng)計的跟蹤環(huán)路分析與設(shè)計[J];廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1986年01期

7 謝非;劉建業(yè);李榮冰;韓志鳳;;GPS/INS超緊組合環(huán)路信息耦合模型及機(jī)理分析[J];控制與決策;2014年04期

8 左啟耀;袁洪;林寶軍;;高動態(tài)環(huán)境下GPS信號跟蹤環(huán)路優(yōu)化算法研究[J];宇航學(xué)報;2008年02期

9 姚彥鑫;楊東凱;丁凡;張其善;;GPS碼精密跟蹤環(huán)路的研究[J];武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版);2010年11期

10 梁高波;陳軍;王大明;;GPS/SINS組合的抗干擾性能分析[J];無線電工程;2006年10期

相關(guān)會議論文 前3條

1 魯郁;楊云春;;多普勒輔助跟蹤環(huán)路在深耦合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[A];第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集[C];2011年

2 徐君君;;卡爾曼濾波在高動態(tài)GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路中的應(yīng)用[A];第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集[C];2011年

3 趙思浩;陸明泉;馮振明;;基于GPS軟件接收機(jī)的矢量跟蹤環(huán)路實現(xiàn)方法與性能評估[A];第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集[C];2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉軍良;衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的弱信號跟蹤研究[D];中國科學(xué)院研究生院（國家授時中心）;2015年

2 王熙贏;慣性輔助的高性能導(dǎo)航軟件接收機(jī)技術(shù)研究[D];東南大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 藍(lán)一帆;彈體自旋狀態(tài)下的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2014年

2 王煥浩;北斗/慣性深組合系統(tǒng)矢量跟蹤環(huán)路控制的研究與實現(xiàn)[D];南京航空航天大學(xué);2016年

3 劉琦;北斗接收機(jī)跟蹤環(huán)路設(shè)計及組網(wǎng)應(yīng)用研究[D];太原理工大學(xué);2017年

4 鳳佳梅;北斗導(dǎo)航接收機(jī)B1信號跟蹤環(huán)路設(shè)計及其FPGA驗證[D];東南大學(xué);2017年

5 惲達(dá)賢;超寬帶通信系統(tǒng)跟蹤環(huán)路設(shè)計及其VLSI實現(xiàn)研究[D];復(fù)旦大學(xué);2008年

6 周友宏;GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的研究和設(shè)計[D];上海交通大學(xué);2010年

7 陸新穎;BD-2/GPS室內(nèi)定位的跟蹤環(huán)路技術(shù)研究與實現(xiàn)[D];華東師范大學(xué);2013年

8 李強(qiáng);GNSS/INS深組合跟蹤環(huán)路設(shè)計及濾波方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

9 李超;GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的改進(jìn)設(shè)計及FPGA實現(xiàn)[D];大連理工大學(xué);2013年

10 梁前浩;GPS中頻信號仿真與微弱信號捕獲、跟蹤方法研究[D];北京交通大學(xué);2008年

，

本文編號：2354321