本文關鍵詞：衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的弱信號跟蹤研究

  更多相關文章： GNSS 相干積分時間 弱信號跟蹤 滑動濾波器 卡爾曼濾波器

【摘要】：隨著眾多新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的投入建設和運行,GNSS應用日益盛行于人們的日常生活,然而,在城市峽谷、室內(nèi)和密林等復雜環(huán)境下,到達接收端的GNSS信號存在著較大的衰減,絕大多數(shù)傳統(tǒng)接收機的性能將急劇下降,甚至不能正常工作。因此,傳統(tǒng)GNSS接收技術不能滿足在這些惡劣環(huán)境中的應用需求。與傳統(tǒng)GNSS接收機相比,高靈敏度接收機具有更高的捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度,能夠應用于弱信號環(huán)境。隨著個人手持導航終端的普及,高靈敏度接收機具有廣闊的市場前景。因此,GNSS接收機的設計面臨著挑戰(zhàn)和機遇。高靈敏度接收機的關鍵技術主要包括弱信號捕獲技術和弱信號跟蹤技術。在我國高靈敏度接收機的研制尚處于起步階段,與國外在該領域的先進國家有著一定差距。目前,大多數(shù)高靈敏度接收機研究更加關注于弱信號捕獲算法,而對弱信號跟蹤算法研究相對較少。論文以提高跟蹤靈敏度為目的深入研究了衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的弱信號跟蹤技術。論文的主要研究內(nèi)容如下:(1)增加相干積分時間可以提高跟蹤靈敏度,因此論文研究了相干積分時間對傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路的影響。首先,詳細分析了傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路在不同歸一化噪聲帶寬(相干積分時間與噪聲帶寬的乘積)條件下的穩(wěn)定性和閉環(huán)特性。隨著歸一化噪聲帶寬的增大,傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路的低通特性將逐步惡化,最終導致環(huán)路不穩(wěn)定。其次,分析了環(huán)路在不同歸一化噪聲帶寬條件下等效噪聲帶寬偏離預期噪聲帶寬的程度。環(huán)路的等效噪聲帶寬隨著相干積分時間增加逐漸偏離噪聲帶寬預期值。分析結果表明,傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路不適合弱信號跟蹤。(2)由于傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路在擴展相干積分時間方面存在著限制,基于參數(shù)化根的方法設計了優(yōu)化數(shù)字跟蹤環(huán)路。通過理論分析和仿真對比了優(yōu)化數(shù)字跟蹤環(huán)路與傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路在不同歸一化噪聲帶寬時的閉環(huán)特性和跟蹤抖動。研究結果表明,優(yōu)化跟蹤環(huán)路有著更好的低通特性和噪聲性能。盡管如此,優(yōu)化數(shù)字跟蹤環(huán)路的低通特性和噪聲性能也會隨著相干積分時間的增加而下降。(3)導航數(shù)據(jù)位跳變也限制了相干積分時間的擴展。為了處理導航數(shù)據(jù)位跳變,本文分析了三種環(huán)路跟蹤結構,即基于符號檢測的相干結構、基于能量檢測的相干結構和非相干結構。通過仿真和實驗驗證了這三種跟蹤結構的可用性,同時對比了三者在跟蹤抖動方面的性能差異。研究表明,這三種結構無需任何導航數(shù)據(jù)位的先驗信息,能夠有效地削弱導航數(shù)據(jù)位的影響。在跟蹤抖動性能方面,基于能量檢測的相干結構最優(yōu),非相干結構最差。而在設計復雜度方面,基于符號檢測的相干結構最簡單,基于能量檢測的相干結構最復雜。(4)由于優(yōu)化數(shù)字跟蹤環(huán)路的性能隨著相干積分時間的增加也會下降,因此為了提升跟蹤環(huán)路的性能,通過在數(shù)字跟蹤環(huán)路中引入滑動濾波器設計了滑動式跟蹤環(huán)路。為此,基于參數(shù)化根的方法提出了一種較為通用的迭代算法,該算法能夠有效的求解滑動式跟蹤環(huán)路的濾波器系數(shù)。依據(jù)滑動式跟蹤環(huán)路的線性模型分析了環(huán)路的閉環(huán)響應,并通過仿真驗證滑動式環(huán)路的跟蹤抖動性能和可用性。分析和仿真結果表明,滑動式跟蹤環(huán)路的噪聲性能和動態(tài)性均優(yōu)于優(yōu)化數(shù)字跟蹤環(huán)路。(5)分別以鑒相器和鑒頻器輸出作為卡爾曼濾波器的測量殘差,設計了基于卡爾曼濾波器的三階鎖相環(huán)和二階鎖頻環(huán),并通過數(shù)學推導為兩者建立了明確的z域線性模型。利用該z域線性模型設計了二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)的卡爾曼跟蹤環(huán)路,并通過仿真驗證了環(huán)路跟蹤性能。根據(jù)卡爾曼濾波器和滑動式跟蹤環(huán)路的特點,提出了滑動式卡爾曼跟蹤環(huán)路設計方法。仿真結果表明:滑動式卡爾曼鎖頻環(huán)可以擴大鑒頻器的頻率牽入范圍;當數(shù)據(jù)位不存在時,滑動式卡爾曼跟蹤環(huán)路可跟蹤載噪比為10d B-Hz的弱信號;當數(shù)據(jù)位存在時,滑動式卡爾曼跟蹤環(huán)路可跟蹤載噪比為15.5d B-Hz的弱信號。
【關鍵詞】：GNSS 相干積分時間 弱信號跟蹤 滑動濾波器 卡爾曼濾波器
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（國家授時中心）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P228.4
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-19
• 縮略詞19-21
• 1 引言21-29
• 1.1 研究背景和意義21-22
• 1.2 商品化高靈敏度接收機的發(fā)展現(xiàn)狀22-23
• 1.3 弱信號跟蹤技術的研究現(xiàn)狀23-25
• 1.4 論文的結構及主要內(nèi)容25-29
• 2 GNSS信號和GNSS信號跟蹤概述29-35
• 2.1 GNSS信號概述29-30
• 2.2 GNSS信號跟蹤概述30-35
• 3 數(shù)字鎖相環(huán)性能分析35-51
• 3.1 鑒相器35-40
• 3.2 積分器的離散域表達40-41
• 3.3 NCO模型41-43
• 3.4 環(huán)路濾波器43-49
• 3.5 小結49-51
• 4 優(yōu)化數(shù)字鎖相環(huán)51-65
• 4.1 基于參數(shù)化的根設計數(shù)字鎖相環(huán)51-58
• 4.2 優(yōu)化數(shù)字鎖相環(huán)的閉環(huán)響應58-60
• 4.3 優(yōu)化數(shù)字鎖相環(huán)的跟蹤抖動60-63
• 4.4 小結63-65
• 5 導航數(shù)據(jù)位跳變處理65-75
• 5.1 基于符號檢測的相干結構65-67
• 5.2 基于能量檢測的相干結構67-70
• 5.3 非相干結構70-73
• 5.4 小結73-75
• 6 滑動式跟蹤環(huán)路75-93
• 6.1 滑動式鎖相環(huán)75-86
• 6.1.1 線性模型75-77
• 6.1.2 濾波器設計77-79
• 6.1.3 滑動式鎖相環(huán)的閉環(huán)特性79-81
• 6.1.4 環(huán)路性能和實驗結果81-86
• 6.2 滑動式鎖頻環(huán)86-91
• 6.2.1 環(huán)路結構86-87
• 6.2.2 線性模型和濾波器設計87-89
• 6.2.3 仿真結果89-91
• 6.3 小結91-93
• 7 基于卡爾曼濾波器的跟蹤環(huán)路93-123
• 7.1 卡爾曼濾波器介紹93-96
• 7.2 利用離散卡爾曼濾波器設計跟蹤環(huán)路96-115
• 7.2.1 利用離散卡爾曼濾波器設計鎖相環(huán)96-105
• 7.2.2 利用離散卡爾曼濾波器設計鎖頻環(huán)105-110
• 7.2.3 利用離散卡爾曼濾波器設計由二階鎖頻環(huán)輔助的三階鎖相環(huán)110-115
• 7.3 利用離散卡爾曼濾波器設計滑動式跟蹤環(huán)路115-121
• 7.4 小結121-123
• 8 總結與展望123-125
• 8.1 總結123-124
• 8.2 展望124-125
• 附錄A 四種常用鑒相器輸出的均值與方差125-129
• A.1 經(jīng)典科斯塔斯環(huán)鑒相器125
• A.2 面向判決鑒相器125-127
• A.3 二象限反正切鑒相器127-128
• A.4 四象限反正切鑒相器128-129
• 參考文獻129-135
• 發(fā)表文章目錄135-136
• 簡歷136

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 賴廣鋒;羅奎;劉波;黃文俊;陳瑩;;微弱GNSS信號跟蹤技術綜述[J];軍事通信技術;2010年04期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 丁繼成;弱信號條件下GPS接收機關鍵技術研究[D];哈爾濱工程大學;2009年

2 莫建文;弱信號環(huán)境下高性能GPS接收機關鍵技術研究[D];西安電子科技大學;2011年

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本文編號：611367