高灵敏度GPS/Galileo双模导航接收机的研究与开发

论文摘要

随着基于位置服务（LBS:Location Based Servers）需求的日益增长,特别是城市、室内等微弱卫星信号环境中应用需求的扩展,一种更高性能的接收机——高灵敏度接收机成为导航领域研究的热点;同时,欧洲Galileo（伽利略）计划的部署为卫星导航产业注入了新的动力。由于Galileo的开放服务信号与GPS相互兼容,开发双模的高灵敏度导航接收机成为大众市场（Mass Market）卫星导航接收机及芯片的发展趋势。这种双模接收机将与传统的GPS/Glonass组合导航的接收机截然不同,其射频模块能够共用,相关器通道能够兼容GPS和Galileo两种信号,不仅减小了设计复杂度,还能改善观测量的精度,并且有效地利用两个星座系统的卫星,提高了接收机的可用性,适合于城市环境中的应用。在中欧Galileo计划合作的背景下,上海市科委对高灵敏度双模导航接收机实施立项,本文根据课题要求,对其工程实现中的一些关键技术进行了研究与实验。主要包括以下内容。针对室内定位的特点,从系统级对辅助卫星导航系统（AGNSS:Assisted Global Navigation Satellite System）进行了分析,详细讨论了其时间与频率辅助信息的作用;结合免混频的正交解调技术,通过选择合适的采样率,减小了高灵敏度接收机算法的复杂性,并通过分析,将本地振荡器在A/D采样时产生的频偏统一为卫星运动的Doppler（多普勒）效应。鉴于很多高灵敏度接收机算法与FFT技术相关,分析了时域与频域两种FFT并行算法。捕获算法的设计是实现接收机灵敏度指标的关键,而且对于AGNSS接收机,只要捕获到卫星信号,根据其码相位即可实现定位解算。基于最大似然接收机原理,详细分析了相干-非相干（Coherent-Noncoherent）积分算法,表征出该算法在高灵敏度条件下由于非相干次数增加带来的平方衰减（Square Loss）,实测数据的分析证实了这个问题更为严重。因此使用扩频通信的差分相干（Differentially Coherent）积分方法,来抑制噪声的放大,详细推导了该算法运用到高灵敏度接收机的检测性能;同时,针对室内信号存在严重的强互相关干扰情况,提出一种存在互相关干扰的假设检验,比较了互相关消除前后的检测性能。实测数据的分析表明,差分相干积分的检测性能平均优于非相干0.75dB左右。并改进了一种载噪比估计方法,使之适合于高灵敏度接收机强信号的估计。为了设计能够兼容两种信号形式的相关器通道结构,详细分析了Galileo系统新的调制方式——BOC（Binary Offset Carrier）调制,发现其虽然具有优势,但会带来接收机资源增加一个数量级以上。由于快速捕获第一颗卫星是高灵敏度接收机工作的关键,根据Snapshot单点定位原理,提出了一种基于FFT并行捕获技术的GPS快捕通道结构;而Galileo信号的复杂性,为其快捕通道的设计带来了困难,针对Galileo信号的调制方式,分析了一种使用导引信道（Pilot Channel）与数据信道（Data Channel）相乘处理的Galileo快捕算法,与单路捕获相比该算法提高了灵敏度约2dB,并减小了Doppler频率的搜索数目;基于此,提出了双模的快捕与跟踪混合相关器结构,有效的利用了硬件资源。由于存储容量是Snapshot定位方式的瓶颈,Galileo信号的带宽翻倍使得问题更为严重,通过权衡输出信噪比和存储量,从理论上分析了GPS与Galileo信号的最优带宽,提出一种简单的、能使用最低采样率的双模滤波方案,并从理论上分析了双模信号带宽的降低对定位精度的影响,试验也验证了以上方案的可行性。当灵敏度指标需要进一步提高时,相位噪声严重影响长时间积分算法的实现。根据对相位噪声的建模,分析了一种基于Viterbi算法的相位估计技术,并结合该技术提出了更高灵敏度指标的全相干积分算法。数据分析表明,该方法平均改善增益1.5dB,在抑制相位噪声方面取得了一定的效果。本文还介绍了开发时搭建的原型系统,描述了采取的一些试验方案与工作流程,并设计了几个试验对相关内容进行了验证。本文取得的一些成果已经成功应用于高灵敏度卫星导航接收机原型系统的开发,经初步测试,捕获的灵敏度达到-156dBmW。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 高灵敏度双模卫星导航接收机的研究进展

1.2.1 AGNSS辅助导航技术

1.2.2 高灵敏度导航信号捕获技术

1.2.3 双模接收机设计

1.2.4 高灵敏度接收机的频率稳定度问题

1.3 本文主要研究内容及成果

1.3.1 本文主要研究内容

1.3.2 本文主要研究成果

第二章 AGNSS接收机的时间与频率信息

2.1 AGNSS系统结构

2.2 时间与频率辅助信息

2.2.1 AGNSS时间信息

2.2.2 辅助多普勒信息

2.3 高灵敏度接收机信号的采样

2.3.1 整数倍采样率

2.3.2 免混频正交解调

2.3.3 频偏对采样的影响

2.4 FFT算法应用于高灵敏度接收机

2.4.1 时域并行FFT算法

2.4.2 频域并行FFT算法

2.5 小结

第三章高灵敏度导航信号捕获

3.1 似然函数

3.2 相干积分与非相干积分

3.2.1 相干积分及其限制

3.2.2 非相干积分

3.2.3 结果分析

3.2.4 非相干与全相干积分的讨论

3.3 差分相干积分方法

3.3.1 差分相干积分原理

3.3.2 差分相干积分理论分析

3.3.3 差分相干与非相干的比较

3.3.4 强互相关干扰情况

3.4 载噪比估计算法

3.5 捕获算法的实测数据分析

3.5.1 实测数据的分布

3.5.2 后检测SNR方法

3.6 小结

第四章双模高灵敏度接收机兼容性分析

4.1 GALILEO信号分析

4.1.1 Galileo信号频谱

4.1.2 BOC信号的特性

4.1.3 BOC信号的解调

4.1.4 Galileo/GPS信号形式比较分析

4.2 高灵敏度双模相关器通道设计

4.2.1 高灵敏度Snapshot定位方法

4.2.2 GPS快捕通道

4.2.3 Galileo快捕及双模跟踪通道

4.3 双模高灵敏度接收机最优带宽分析

4.3.1 接收机带宽与输出信噪比的关系

4.3.2 双模接收机滤波器带宽

4.4 定位精度分析

4.5 小结

第五章相位噪声与全相干积分

5.1 相位噪声模型

5.2 相位噪声对高灵敏度接收机的影响

5.3 基于VITERBI算法的相位估计技术

5.3.1 Viterib算法简介

5.3.2 Viterbi相位估计算法

5.3.3 算法性能分析

5.4 全相干积分方法

5.4.1 全相干积分的条件

5.4.2 基于viterbi算法的全相干积分原理

5.4.3 试验数据分析

5.4.4 全相干积分的通信平台辅助方法

5.5 小结

第六章高灵敏度导航接收机试验

6.1 高灵敏度接收机试验平台及方案

6.1.1 试验平台简介

6.1.2 试验方案

6.2 几个试验结果

6.2.1 TCXO频偏估计

6.2.2 去除强互相关干扰试验

6.2.3 数据翻转极性估计

6.2.4 接收机灵敏度测试

6.3 小结

第七章结束语

致谢

参考文献

作者攻读博士学位论文期间已（待）发表论文及参与项目情况

高灵敏度GPS/Galileo双模导航接收机的研究与开发

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