卫星定位接收机捕获与跟踪算法的研究与实现

论文摘要

基于卫星的定位系统自从投入使用以来,就得到了各国军事及民用部门的普遍关注,应用广泛,发展迅速。目前,导航技术主要有定位、导航和授时,它们广泛应用于航天、航空、航海各军事领域以及交通、测量等众多民用领域。传统基于硬件的卫星接收机由于其自身固有的特性,不利于灵活的信号捕获跟踪导航定位等新技术的发展。而软件接收机由于具有开放性、可升级性、灵活性等优点,可以方便地实现复杂高精度并兼容多个导航系统的算法,从而提高接收机定位精度及兼容性。软件接收机的设计与实现是目前接收机设计所面临的一个挑战,软件接收机技术己经成为卫星导航研究领域的热点之一。本文对单频GPS软件接收机的软硬件及算法的设计实现过程进行了研究与实现。针对单频(L1频率)的C/A码接收机,也就是目前应用最广泛的,分析导航卫星信号的产生原理,设计并实现了软件接收机的基带信号处理模块。基于傅立叶算法实现信号快速捕获功能,通过仿真并与其他方法进行了比较分析,改进了算法;实现了信号的鉴频辅助跟踪环路,解调出了导航信号,并生成了导航电文和C/A码测距信号,最后利用伪距多普勒原理实现了导航定位解算。实际中频数据测试表明:算法性能优越,能迅速捕获并锁定信号,获取导航数据,定位效果良好。软件接收机对硬件的要求比较低。当信号改变时,硬件只需稍加改动即可适应新的系统。本课题软件采用了模块化设计,只需更换射频前端相关参数,即可用来研究新一代的GALILEO系统或者中国的“北斗”导航信号相关基带信号处理算法,具有很强的移植性,算法的设计与实现对多频多系统的导航接收机也有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 软件接收机研究现状
• 1.2.1 基于通用可编程处理器的软件接收机设计
• 1.2.2 基于PC 机的软件软件接收机设计
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 课题研究的主要内容与本文组织结构
• 第2章 定位原理
• 2.1 概述
• 2.2 定位基本原理
• 2.3 导航卫星信号生成原理
• 2.4 C/A 码及其特性
• 2.4.1 C/A 码信号产生
• 2.4.2 C/A 码特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 卫星捕获与跟踪算法研究
• 3.1 卫星信号捕获方法
• 3.1.1 捕获思想
• 3.1.2 卫星捕获需要考虑的因素
• 3.1.3 信号的捕获方法
• 3.1.4 时域内串行捕获算法
• 3.1.5 基于傅立叶变换的频域圆周相关快速捕获算法
• 3.1.6 捕获方案设计
• 3.1.7 基于FFT 频域捕获方法实现方案
• 3.1.8 两种捕获方法性能比较
• 3.1.9 循环相关捕获的改进方法
• 3.1.10 精频估计
• 3.2 卫星信号跟踪
• 3.2.1 I/Q 解调
• 3.2.2 锁相环（PLL）
• 3.2.3 码跟踪环路
• 3.2.4 载波环路
• 3.3 位同步
• 3.4 本章小结
• 第4章 定位解算算法研究
• 4.1 导航电文提取及其格式
• 4.1.1 子帧同步和奇偶校验
• 4.1.2 导航电文信息提取
• 4.1.3 GPS 导航定位中的常用坐标系统
• 4.2 卫星位置计算
• 4.3 确定从卫星到用户的距离（伪距）
• 4.3.1 伪距测量原理
• 4.3.2 相对伪距
• 4.3.3 伪距计算
• 4.4 用户接收机位置解算
• 4.5 本章小结
• 第5章 平台构建及仿真分析
• 5.1 概述
• 5.2 中频信号采集
• 5.3 信号捕获仿真结果及分析
• 5.4 信号跟踪软件运行结果及分析
• 5.5 定位解算结果及分析
• 5.5.1 卫星位置计算
• 5.5.2 相对伪距计算
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢