高动态GNSS软件接收机载波跟踪算法研究

论文摘要

为了解决现有导航接收机多体制接收机接收机高成本,升级困难的问题,GNSS软件接收机的概念已日渐深入人心。而对于装配在高动态载体上的软件接收机,其接收到GNSS信号载波频率具有高多普勒频移和高频率一阶、二阶变化率的特点。因此,用于高动态环境下的GNSS软件接收机需要有相应的高动态载波跟踪算法。本文以GPS软件接收机为例,对其高动态环境下载波跟踪算法进行了研究。本文介绍GPS信号的构成与GPS软件接收机的体系结构原理,重点分析了传统GPS信号的跟踪方法。通过分析高动态环境下多普勒效应对载波频率和码相位影响,给出了高动态环境下GPS软件接收机前端输出的中频信号的软件模拟方案。本文结合高动态GPS载波信号的特性,对高动态载波信号的跟踪算法进行了研究。重点分析了锁相锁频联合跟踪算法和基于扩展卡尔曼滤波的载波跟踪算法原理,并针对扩展卡尔曼滤波算法的线性化模型不准确,算法模型中系数计算复杂,参数估计累积误差大的缺点,引入了Unscented卡尔曼滤波算法来进行高动态接收机载波信号的参数估计。在对三种算法理论研究基础上,给出了锁相锁频联合跟踪算法的处理方案,构建了扩展卡尔曼滤波和Unscented卡尔曼滤波用于高动态GPS软件接收机载波信号跟踪的算法模型。本文对三种载波跟踪算法进行了仿真,仿真结果表明:在高动态环境下,三种算法均可成功对GPS信号载波进行跟踪。从三者性能比较可以看出:在相同信噪比情况下,锁相锁频联合跟踪算法频率跟踪的均方误差最高,UKF和EKF算法次之,对相同载波信号跟踪,UKF具有最低的失锁概率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与来源
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.2.1 软件GNSS 接收机的意义
• 1.2.2 高动态接收技术的重要性
• 1.3 国内外在该方向研究现状
• 1.4 本文主要研究内容与结构安排
• 第2章 GPS 信号与GPS 软件接收机原理
• 2.1 GPS 信号的构成
• 2.1.1 频率和调制格式
• 2.1.2 PRN 码中C/A 码的特性
• 2.2 GPS 软件接收机原理
• 2.2.1 GPS 软件接收机的体系结构
• 2.2.2 GPS 信号的捕获
• 2.3 传统GPS 信号跟踪算法
• 2.3.1 I/Q 两路的解调
• 2.3.2 C/A 码的跟踪
• 2.3.3 载波跟踪
• 2.4 GPS 接收机前端IF 信号的模拟
• 2.4.1 多普勒效应对载波频率和码相位影响的估算
• 2.4.2 接收机前端中频信号的软件模拟
• 2.5 本章小结
• 第3章 高动态GPS 接收机载波跟踪算法
• 3.1 高动态GPS 接收机载波跟踪算法概述
• 3.2 锁频锁相联合跟踪算法
• 3.2.1 叉积自动频率跟踪算法
• 3.2.2 环路滤波器
• 3.2.3 锁频锁相联合跟踪算法
• 3.3 扩展卡尔曼滤波（EKF）算法
• 3.3.1 扩展卡尔曼滤波原理
• 3.3.2 EKF 载波跟踪算法模型的构建
• 3.4 Unscented 卡尔曼滤波（UKF）算法
• 3.4.1 UKF 算法原理
• 3.4.2 UKF 载波跟踪算法模型的构建
• 3.5 本章小结
• 第4章 高动态载波跟踪算法仿真
• 4.1 仿真环境设计方案
• 4.2 仿真程序流程
• 4.3 仿真曲线和结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢