【摘要】：全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有全天時(shí)、全天候和高精度的特點(diǎn),自建成以來已經(jīng)在民用和軍事領(lǐng)域得到了廣泛的不可替代的應(yīng)用。但是由于GNSS衛(wèi)星軌道高度較高,空間傳播的損耗較大,到達(dá)地面的信號強(qiáng)度只有-135~-130dBm左右。在一些惡劣的環(huán)境下,如室內(nèi)、城市和森林,接收到的GNSS信號會進(jìn)一步衰減10~30dB,這對接收機(jī)的靈敏度提出了很高的要求。尤其是接收機(jī)內(nèi)部最薄弱的鎖相環(huán)(Phase-locked Loop,PLL),在這些環(huán)境下誤差會顯著增大甚至失鎖。而載波跟蹤是GNSS接收機(jī)最重要的環(huán)節(jié)之一,載波跟蹤不精確會帶來測速誤差,并影響碼環(huán)的跟蹤精度,降低定位導(dǎo)航性能。因此弱信號環(huán)境下載波的跟蹤問題一直都是GNSS接收機(jī)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一,極大地限制了GNSS的應(yīng)用。本文針對室內(nèi)、城市等弱信號環(huán)境,以提高載波跟蹤環(huán)路的靈敏度、精度和魯棒性為目的,對提高載波跟蹤環(huán)路性能的相關(guān)技術(shù)展開深入研究,提出了幾種適用不同信號、不同環(huán)境的低復(fù)雜度、高性能的載波跟蹤方法,并通過半實(shí)物平臺驗(yàn)證了部分算法性能,主要研究工作和成果包括:1.提出了弱信號環(huán)境下適用于GPS(Global Positioning System)L1C/A信號的載波跟蹤環(huán)路。該環(huán)路由一個(gè)最大似然估計(jì)(Maximum Likelihood Estimation,MLE)器和一個(gè)自適應(yīng)的卡爾曼濾波器(Adaptive Kalman Filter,AKF)組成。由于ML估計(jì)器處理信號的相干積分結(jié)果,并通過高效的搜索算法迭代搜索代價(jià)函數(shù)極值點(diǎn),估計(jì)器具有較低的復(fù)雜度,同時(shí)又能達(dá)到誤差的克拉美羅下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)。設(shè)計(jì)的自適應(yīng)的卡爾曼濾波器能夠結(jié)果進(jìn)行濾波,進(jìn)一步提高估計(jì)精度。仿真結(jié)果表明,使用GPS L1C/A信號時(shí)提出的環(huán)路相比傳統(tǒng)的鎖頻環(huán)(Frequency-locked Loop,FLL)輔助的鎖相環(huán)在跟蹤靈敏度、跟蹤精度和誤碼率方面均有提升。2.提出了弱信號環(huán)境下適用于GPS L5導(dǎo)頻通道信號的載波跟蹤環(huán)路。環(huán)路由非線性最小二乘(Non-linear Least Squares,NLS)估計(jì)器和AKF組成。NLS估計(jì)器將相干積分結(jié)果做一階泰勒級數(shù)展開,然后由線性最小二乘法估計(jì)參數(shù)。由于一階泰勒級數(shù)展開存在線性化誤差,NLS估計(jì)器不是最優(yōu)估計(jì),但是省去了迭代搜索最優(yōu)解的過程,因此計(jì)算量進(jìn)一步降低。仿真結(jié)果表明該環(huán)路對誤碼比較敏感,不適合有電文調(diào)制的信號跟蹤。但是對于無電文調(diào)制的信號,例如GPS L5導(dǎo)頻通道,可以達(dá)到比ML估計(jì)器更高的靈敏度。3.提出了一種適用于動態(tài)弱信號環(huán)境下的載波跟蹤環(huán)路。為了克服動態(tài)弱信號環(huán)境下,基于FFT(Fast Fourier Transform,FFT)的載波估計(jì)方法受加速度影響較大、分辨率受限的問題,提出了基于離散調(diào)頻傅里葉變換(Discrete Chirp Fourier Transform,DCFT)和相位擬合的兩步估計(jì)環(huán)路。首先通過DCFT對載波多普勒頻率和加速度引起的多普勒率進(jìn)行粗估計(jì),然后通過對載波相位進(jìn)行線性擬合得到載波參數(shù)精確估計(jì)。通過引入相位擬合,相比單純的DCFT方法不僅有效降低了計(jì)算量,又解決了DCFT分辨率受限的問題。由于兩步的環(huán)路在動態(tài)弱信號環(huán)境下能對多普勒率進(jìn)行精確估計(jì),極大降低了加速度的影響,提高了載波跟蹤性能。4.提出了一種適用于城市環(huán)境下的多通道聯(lián)合載波跟蹤環(huán)路。城市內(nèi)的GNSS信號跟蹤存在信號弱、多徑干擾和信號頻繁中斷等問題。區(qū)別于傳統(tǒng)的單通道跟蹤環(huán)路,多通道聯(lián)合跟蹤環(huán)路融合所有通道的數(shù)據(jù)直接搜索接收機(jī)的速度,實(shí)現(xiàn)了速度域的完全信息融合,免去了單通道的信號參數(shù)估計(jì)。由于融合了所有通道的信息,該方法不僅能獲得更高的信噪比(Signal-to-noise Ratio,SNR)增益,還能有效克服由于建筑物遮擋導(dǎo)致信號中斷造成的單個(gè)通道失鎖的問題,并且對多徑干擾有良好的抑制能力。通過本文的研究工作,明確了室內(nèi)、城市等弱信號環(huán)境下的載波跟蹤中的主要問題,以處理相干積分結(jié)果、低復(fù)雜度為前提,提出了弱信號環(huán)境下適用于GPS L1C/A信號的載波跟蹤方法、適用于GPS L5導(dǎo)頻通道的載波跟蹤方法、適用于動態(tài)弱信號環(huán)境下的載波跟蹤環(huán)路和適用于城市環(huán)境下的多通道聯(lián)合載波跟蹤環(huán)路,通過仿真驗(yàn)證了提出的方法相對于傳統(tǒng)的跟蹤環(huán)路都有一定的性能提升,并通過搭建試驗(yàn)平臺使用半實(shí)物驗(yàn)證了部分環(huán)路性能,補(bǔ)充完善了GNSS弱信號的載波跟蹤理論,為高靈敏度GNSS軟件接收機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論補(bǔ)充。
【圖文】：

(a)頻譜儀 (b) NI PXIe-1065 信號采集卡和操作界面(c) 基于 Matlab 的軟件接收機(jī)圖7.2 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備7.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)子實(shí)驗(yàn)：
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN967.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2619087