【摘要】：隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速建設(shè)和發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面,在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用的發(fā)展勢頭迅猛,如城市、峽谷、森林、以及大型建筑物內(nèi)部或地下車庫等室內(nèi)場所。在這些環(huán)境中,衛(wèi)星信號強(qiáng)度存在較大的衰減,傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計已不能滿足常規(guī)的導(dǎo)航定位需求。因此,針對弱信號的高靈敏度接收機(jī)設(shè)計已經(jīng)成為國內(nèi)外專家研究的熱點。北斗衛(wèi)星信號與傳統(tǒng)GPS信號相比,存在NH碼的二次調(diào)制,導(dǎo)致北斗信號中包含較多的數(shù)據(jù)比特符號跳變,給北斗高靈敏度接收機(jī)的設(shè)計帶來了許多限制因素和問題。由于北斗信號與GPS信號在結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式上的不同,傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)信號處理技術(shù)并不能直接套用于北斗信號的處理,需要對相關(guān)算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。因此,針對北斗信號結(jié)構(gòu)特點,開展適合北斗信號的高靈敏度接收機(jī)信號處理技術(shù)具有重要理論意義和應(yīng)用參考價值。本文針對北斗導(dǎo)航接收機(jī)的高靈敏度信號處理問題,圍繞接收機(jī)基帶信號處理過程中的信號捕獲、信號同步及信號跟蹤三個方面的關(guān)鍵技術(shù)展開研究工作,研究高靈敏度北斗接收機(jī)基帶信號處理算法,設(shè)計搭建了北斗接收機(jī)硬件測試系統(tǒng),對相關(guān)的算法進(jìn)行了驗證。首先,研究了適合北斗信號的捕獲算法。在分析北斗信號結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上,對北斗信號數(shù)據(jù)比特符號跳變導(dǎo)致傳統(tǒng)一毫秒相干積分峰值衰減裂變的問題進(jìn)行建模和分析。研究了一種適合北斗信號的捕獲算法,采用分段匹配濾波和FFT的方式實現(xiàn)對碼相位和載波多普勒頻率二維的并行搜索,消除數(shù)據(jù)比特符號跳變的影響。經(jīng)過建模分析,該算法與傳統(tǒng)算法相比提高了信號處理效率和速度,且信號增益保持一致。設(shè)計并實現(xiàn)了北斗中頻信號仿真系統(tǒng),驗證了該算法的可用性,并為相關(guān)信號處理算法的驗證提供了支持。接著,開展了北斗弱信號捕獲算法研究。北斗信號相比傳統(tǒng)GPS信號,存在較多的數(shù)據(jù)比特符號跳變,且符號跳變周期為一毫秒,極大地限制了積分時間的加長,限制了信噪比的提升和信號捕獲靈敏度的提升。針對此問題,研究了基于補(bǔ)零與差分相干的弱信號捕獲算法,通過本地碼序列補(bǔ)零運算減小數(shù)據(jù)比特符號跳變的影響,實現(xiàn)了差分相干積分的累積,減小頻率誤差影響,提升信噪比。為了進(jìn)一步提升差分相干積分的性能,將差分運算從相干積分層面轉(zhuǎn)移到中頻信號層面,提出了一種基于中頻差分相干的弱信號捕獲算法,極大地降低數(shù)據(jù)比特符號跳變的影響,利用FFT運算實現(xiàn)對碼相位和載波頻率的并行搜索,相比傳統(tǒng)捕獲算法大大提高了捕獲效率和靈敏度性能,設(shè)計和搭建了蒙特卡洛仿真系統(tǒng),對相關(guān)算法進(jìn)行了驗證。然后,開展了北斗弱信號位同步算法研究。北斗信號的結(jié)構(gòu)特點使得傳統(tǒng)的GPS信號位同步方法不再適用,研究了適合北斗信號的位同步算法,結(jié)合分組和比特匹配的思想,消除數(shù)據(jù)比特符號跳變的影響,可同時實現(xiàn)北斗信號位同步和幀同步。在弱信號環(huán)境中,由于信噪比較低,環(huán)路跟蹤頻率偏差較大,導(dǎo)致傳統(tǒng)弱信號位同步算法容易失效。針對此問題,研究了一種適合北斗弱信號、大頻偏條件下的信號位同步算法,將最大似然算法和差分算法進(jìn)行結(jié)合,削弱NH碼相位和頻率跟蹤誤差的影響,實現(xiàn)大頻偏下的北斗弱信號位同步。開展仿真試驗,驗證了相關(guān)算法的可用性和有效性。另外,開展了北斗弱信號跟蹤算法研究。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤環(huán)路中的熱噪聲和頻率跟蹤誤差等因素影響了信號跟蹤質(zhì)量,并限制了通過積分時間的加長對弱信號跟蹤性能的提升,需要進(jìn)一步通過慣性信息輔助和環(huán)路跟蹤結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低跟蹤誤差。為此,研究了慣性信息輔助的跟蹤環(huán)路最優(yōu)濾波算法,利用慣性信息減小頻率跟蹤誤差,利用卡爾曼濾波獲得更優(yōu)的環(huán)路跟蹤效果。在此基礎(chǔ)上,研究分析了北斗雙矢量跟蹤環(huán)路,針對VDLL+VFLL的矢量跟蹤結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較難的問題,研究了一種基于相位補(bǔ)償?shù)碾p矢量環(huán)路跟蹤方法,實現(xiàn)對載波相位的跟蹤,便于實際硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)。構(gòu)建了衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航綜合測試仿真平臺,對跟蹤環(huán)路的架構(gòu)設(shè)計及算法進(jìn)行了驗證。最后,設(shè)計并搭建了基于DSP+FPGA的高靈敏度北斗導(dǎo)航接收機(jī)硬件驗證系統(tǒng),構(gòu)建了試驗測試環(huán)境,結(jié)合北斗實時信號和北斗衛(wèi)星信號模擬器,開展弱信號測試、靜態(tài)測試和車載測試,分別對北斗弱信號捕獲算法、北斗弱信號位同步算法及北斗弱信號跟蹤算法開展試驗驗證,結(jié)果表明本文相關(guān)算法能有效提高北斗導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度性能,增強(qiáng)接收機(jī)對弱信號環(huán)境的適應(yīng)性。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN967.1
【圖文】：

系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用的發(fā)展帶來的機(jī)遇[40][4多軍民用領(lǐng)域的發(fā)展[42]，同時為國家安全、的發(fā)展及現(xiàn)狀統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，對接收機(jī)的高性能需求日益凸顯。衛(wèi)星導(dǎo)干擾、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衛(wèi)星信號強(qiáng)度[46]。端的應(yīng)用和推廣，適應(yīng)城市樓宇、密林等弱領(lǐng)域的熱點。度的 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)開始受到關(guān)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，跟蹤靈敏度達(dá)到-167 dBm[48]，可用在高

機(jī)芯片主要來自于國外發(fā)達(dá)國家。直到 2005 年，西安華訊成功研制了我國第一塊 GPS 接收機(jī)芯片，打破了國外技術(shù)壟斷的局面。近年來，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，國內(nèi)開展衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)研究的企業(yè)、高校和研究所逐漸增多，以司南導(dǎo)航、北斗星通、中科微電子、東方聯(lián)星、合眾思壯、華力創(chuàng)通、國騰電子、泰斗微電子等為代表的一批公司都著手進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)或者接收機(jī)芯片的研究[50][51]。上海司南導(dǎo)航自主研發(fā)的 K5 系列 GNSS板卡，如圖 1.2 所示，填補(bǔ)了國內(nèi)外北斗高精度 OEM 板卡的市場空白[52]。2017 年 9 月 16 日，深圳華大科技發(fā)布了 HD8040 系列芯片，如圖 1.3 所示，是全球首個支持北斗三號信號體制的高精度導(dǎo)航定位芯片。在高靈敏度接收機(jī)方面，北京和芯星通的火鳥 UFirebird UC6226 低功耗、高性能 GNSS 定位芯片，如圖 1.4 所示，GPS 信號捕獲靈敏度可以達(dá)到-148 dBm，北斗信號捕獲靈敏度達(dá)到-146 dBm，跟蹤靈敏度達(dá)到-162 dBm[53]；杭州中科微電子的 AT6558 系列 GNSS芯片，捕獲靈敏度達(dá)到-148 dBm，跟蹤靈敏度達(dá)到-162 dBm[54]。北斗芯片市場的繁榮推動了國產(chǎn)芯片的蓬勃發(fā)展，至 2017 年底，國產(chǎn)北斗芯片累計銷量突破 5000 萬片，在軍隊、公安、金融、交通、緊急救援等行業(yè)應(yīng)用市場占據(jù)重要份額。隨著國產(chǎn)北斗芯片在成熟度、功耗、成本等方面的提升，正逐步進(jìn)入智能手機(jī)等領(lǐng)域。

機(jī)芯片主要來自于國外發(fā)達(dá)國家。直到 2005 年，西安華訊成功研制了我國第一塊 GPS 接收機(jī)芯片，打破了國外技術(shù)壟斷的局面。近年來，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，國內(nèi)開展衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)研究的企業(yè)、高校和研究所逐漸增多，以司南導(dǎo)航、北斗星通、中科微電子、東方聯(lián)星、合眾思壯、華力創(chuàng)通、國騰電子、泰斗微電子等為代表的一批公司都著手進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)或者接收機(jī)芯片的研究[50][51]。上海司南導(dǎo)航自主研發(fā)的 K5 系列 GNSS板卡，如圖 1.2 所示，填補(bǔ)了國內(nèi)外北斗高精度 OEM 板卡的市場空白[52]。2017 年 9 月 16 日，深圳華大科技發(fā)布了 HD8040 系列芯片，如圖 1.3 所示，是全球首個支持北斗三號信號體制的高精度導(dǎo)航定位芯片。在高靈敏度接收機(jī)方面，北京和芯星通的火鳥 UFirebird UC6226 低功耗、高性能 GNSS 定位芯片，如圖 1.4 所示，GPS 信號捕獲靈敏度可以達(dá)到-148 dBm，北斗信號捕獲靈敏度達(dá)到-146 dBm，跟蹤靈敏度達(dá)到-162 dBm[53]；杭州中科微電子的 AT6558 系列 GNSS芯片，捕獲靈敏度達(dá)到-148 dBm，跟蹤靈敏度達(dá)到-162 dBm[54]。北斗芯片市場的繁榮推動了國產(chǎn)芯片的蓬勃發(fā)展，至 2017 年底，國產(chǎn)北斗芯片累計銷量突破 5000 萬片，在軍隊、公安、金融、交通、緊急救援等行業(yè)應(yīng)用市場占據(jù)重要份額。隨著國產(chǎn)北斗芯片在成熟度、功耗、成本等方面的提升，正逐步進(jìn)入智能手機(jī)等領(lǐng)域。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2799499