本文關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的弱信號(hào)跟蹤研究

  更多相關(guān)文章： GNSS 相干積分時(shí)間 弱信號(hào)跟蹤 滑動(dòng)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(shè)和運(yùn)行,GNSS應(yīng)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(fù)雜環(huán)境下,到達(dá)接收端的GNSS信號(hào)存在著較大的衰減,絕大多數(shù)傳統(tǒng)接收機(jī)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(shù)不能滿足在這些惡劣環(huán)境中的應(yīng)用需求。與傳統(tǒng)GNSS接收機(jī)相比,高靈敏度接收機(jī)具有更高的捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度,能夠應(yīng)用于弱信號(hào)環(huán)境。隨著個(gè)人手持導(dǎo)航終端的普及,高靈敏度接收機(jī)具有廣闊的市場前景。因此,GNSS接收機(jī)的設(shè)計(jì)面臨著挑戰(zhàn)和機(jī)遇。高靈敏度接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括弱信號(hào)捕獲技術(shù)和弱信號(hào)跟蹤技術(shù)。在我國高靈敏度接收機(jī)的研制尚處于起步階段,與國外在該領(lǐng)域的先進(jìn)國家有著一定差距。目前,大多數(shù)高靈敏度接收機(jī)研究更加關(guān)注于弱信號(hào)捕獲算法,而對弱信號(hào)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(dǎo)航系統(tǒng)中的弱信號(hào)跟蹤技術(shù)。論文的主要研究內(nèi)容如下:(1)增加相干積分時(shí)間可以提高跟蹤靈敏度,因此論文研究了相干積分時(shí)間對傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路的影響。首先,詳細(xì)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(shí)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(dǎo)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(yù)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(shí)間增加逐漸偏離噪聲帶寬預(yù)期值。分析結(jié)果表明,傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路不適合弱信號(hào)跟蹤。(2)由于傳統(tǒng)數(shù)字跟蹤環(huán)路在擴(kuò)展相干積分時(shí)間方面存在著限制,基于參數(shù)化根的方法設(shè)計(jì)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(shí)的閉環(huán)特性和跟蹤抖動(dòng)。研究結(jié)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(huì)隨著相干積分時(shí)間的增加而下降。(3)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變也限制了相干積分時(shí)間的擴(kuò)展。為了處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變,本文分析了三種環(huán)路跟蹤結(jié)構(gòu),即基于符號(hào)檢測的相干結(jié)構(gòu)、基于能量檢測的相干結(jié)構(gòu)和非相干結(jié)構(gòu)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這三種跟蹤結(jié)構(gòu)的可用性,同時(shí)對比了三者在跟蹤抖動(dòng)方面的性能差異。研究表明,這三種結(jié)構(gòu)無需任何導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的先驗(yàn)信息,能夠有效地削弱導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的影響。在跟蹤抖動(dòng)性能方面,基于能量檢測的相干結(jié)構(gòu)最優(yōu),非相干結(jié)構(gòu)最差。而在設(shè)計(jì)復(fù)雜度方面,基于符號(hào)檢測的相干結(jié)構(gòu)最簡單,基于能量檢測的相干結(jié)構(gòu)最復(fù)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(shí)間的增加也會(huì)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(dòng)濾波器設(shè)計(jì)了滑動(dòng)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(dòng)式跟蹤環(huán)路的濾波器系數(shù)。依據(jù)滑動(dòng)式跟蹤環(huán)路的線性模型分析了環(huán)路的閉環(huán)響應(yīng),并通過仿真驗(yàn)證滑動(dòng)式環(huán)路的跟蹤抖動(dòng)性能和可用性。分析和仿真結(jié)果表明,滑動(dòng)式跟蹤環(huán)路的噪聲性能和動(dòng)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(shè)計(jì)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(xué)推導(dǎo)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(shè)計(jì)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(yàn)證了環(huán)路跟蹤性能。根據(jù)卡爾曼濾波器和滑動(dòng)式跟蹤環(huán)路的特點(diǎn),提出了滑動(dòng)式卡爾曼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果表明:滑動(dòng)式卡爾曼鎖頻環(huán)可以擴(kuò)大鑒頻器的頻率牽入范圍;當(dāng)數(shù)據(jù)位不存在時(shí),滑動(dòng)式卡爾曼跟蹤環(huán)路可跟蹤載噪比為10d B-Hz的弱信號(hào);當(dāng)數(shù)據(jù)位存在時(shí),滑動(dòng)式卡爾曼跟蹤環(huán)路可跟蹤載噪比為15.5d B-Hz的弱信號(hào)。
【關(guān)鍵詞】：GNSS 相干積分時(shí)間 弱信號(hào)跟蹤 滑動(dòng)濾波器 卡爾曼濾波器
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（國家授時(shí)中心）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀22-23
• 1.3 弱信號(hào)跟蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀23-25
• 1.4 論文的結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容25-29
• 2 GNSS信號(hào)和GNSS信號(hào)跟蹤概述29-35
• 2.1 GNSS信號(hào)概述29-30
• 2.2 GNSS信號(hào)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(dá)40-41
• 3.3 NCO模型41-43
• 3.4 環(huán)路濾波器43-49
• 3.5 小結(jié)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(shè)計(jì)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(yīng)58-60
• 4.3 優(yōu)化數(shù)字鎖相環(huán)的跟蹤抖動(dòng)60-63
• 4.4 小結(jié)63-65
• 5 導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變處理65-75
• 5.1 基于符號(hào)檢測的相干結(jié)構(gòu)65-67
• 5.2 基于能量檢測的相干結(jié)構(gòu)67-70
• 5.3 非相干結(jié)構(gòu)70-73
• 5.4 小結(jié)73-75
• 6 滑動(dòng)式跟蹤環(huán)路75-93
• 6.1 滑動(dòng)式鎖相環(huán)75-86
• 6.1.1 線性模型75-77
• 6.1.2 濾波器設(shè)計(jì)77-79
• 6.1.3 滑動(dòng)式鎖相環(huán)的閉環(huán)特性79-81
• 6.1.4 環(huán)路性能和實(shí)驗(yàn)結(jié)果81-86
• 6.2 滑動(dòng)式鎖頻環(huán)86-91
• 6.2.1 環(huán)路結(jié)構(gòu)86-87
• 6.2.2 線性模型和濾波器設(shè)計(jì)87-89
• 6.2.3 仿真結(jié)果89-91
• 6.3 小結(jié)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(shè)計(jì)跟蹤環(huán)路96-115
• 7.2.1 利用離散卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)鎖相環(huán)96-105
• 7.2.2 利用離散卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)鎖頻環(huán)105-110
• 7.2.3 利用離散卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)滑動(dòng)式跟蹤環(huán)路115-121
• 7.4 小結(jié)121-123
• 8 總結(jié)與展望123-125
• 8.1 總結(jié)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(xiàn)129-135
• 發(fā)表文章目錄135-136
• 簡歷136

【參考文獻(xiàn)】

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(hào)跟蹤技術(shù)綜述[J];軍事通信技術(shù);2010年04期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 丁繼成;弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

2 莫建文;弱信號(hào)環(huán)境下高性能GPS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

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本文編號(hào)：611367