基于DSP的GNSS弱信号捕获算法的研究与实现

论文摘要

在现代社会中,卫星导航技术得到了广泛的应用。然而在一般的室内环境下信噪比比较低,传统的接收技术无法使接收机正常工作。因此,在微弱信号环境下,提供快速准确定位服务受到极大地推崇。信号捕获是微弱GPS信号处理技术的核心环节。传统的捕获方法只适用于室外开阔的环境中,难以实现对弱信号的捕获。据此,本文对高灵敏度软件接收机的捕获算法进行了理论研究和实现。本文首先介绍了GPS卫星系统的组成和卫星信号特点,描述了GPS中所用C/A码的产生过程以及相关特性。同时对由卫星和接收机之间的相对运动产生的载波多普勒频移也进行了说明。接着介绍了GPS信号的捕获技术。对软件接收机中常用的循环相关捕获算法进行了介绍。要提高接收机的灵敏度,降低噪声,增加处理增益,就要进行累积。对常见的相干累积、非相干累积和分相干累积算法进行了仿真和分析,比较了它们的性能。然后本文在对捕获GPS弱信号常用的半比特法、全比特法和估计最佳导航数据位组合的圆周算法进行分析的基础上,提出了一种改进的差分相干累积算法,它通过估计相邻导航数据位乘积的组合使得长时间的相干累积也可应用于差分算法中。仿真结果说明改进的差分算法,在计算量没有显著增长的情况下,减小了半比特、全比特算法中的平方损耗,提高了接收机的灵敏度。最后,介绍了关于DSP的基本知识和DSP软件的开发方法,选择了捕获方案,并通过Matlab软件对其进行了仿真。给出了捕获算法的程序基本流程,完成了CCS环境下的C程序及相关文件的编写,在DSP平台上验证了捕获算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.4 本文研究内容和组成结构
• 第2章 GPS 卫星系统及卫星信号
• 2.1 GPS 卫星系统
• 2.1.1 GPS 卫星星座
• 2.1.2 地面监控系统
• 2.1.3 GPS 信号接收机
• 2.2 GPS 信号
• 2.2.1 GPS 信号的基本结构
• 2.2.2 GPS 信号的现代化
• 2.2.3 C/A 码的产生
• 2.2.4 C/A 码的相关特性
• 2.3 本章小结
• 第3章 GPS 信号的捕获
• 3.1 串行搜索捕获法
• 3.2 循环相关捕获算法
• 3.3 捕获GPS 信号常见的累积方法
• 3.3.1 相干累积
• 3.3.2 非相干累积
• 3.3.3 差分相干累积
• 3.4 载波的多普勒频移分析
• 3.5 GPS 信号捕获仿真分析
• 3.5.1 循环相关捕获算法仿真
• 3.5.2 三种累积方法性能仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 改进的GPS 弱信号捕获算法
• 4.1 微弱GPS 信号的定义
• 4.2 微弱GPS 信号捕获需要考虑的几个问题
• 4.2.1 C/A 码的多普勒效应
• 4.2.2 对未知导航数据位起始位置的判断
• 4.3 传统GPS 弱信号捕获算法
• 4.3.1 半比特交替算法
• 4.3.2 全比特法
• 4.3.3 估计最佳导航数据组合的圆周算法
• 4.4 改进的差分相干累积算法
• 4.4.1 传统算法所面临的问题
• 4.4.2 改进算法介绍
• 4.4.3 运算速度
• 4.4.4 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于DSP 的捕获算法实现
• 5.1 算法的硬件开发环境
• 5.1.1 DSP 模块介绍
• 5.1.2 外部存储器的扩展
• 5.2 DSP 软件开发方法
• 5.2.1 CCS 集成开发环境
• 5.2.2 DSP 系统C 程序的基本结构
• 5.3 GPS 信号捕获方案
• 5.4 所用捕获算法性能分析
• 5.5 DSP 平台的算法实现
• 5.6 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