GPS软件接收机技术仿真实验研究

论文摘要

GPS软件接收机技术是基于软件无线电(SDR)思想在普通软件平台上对GPS中频数字信号进行处理,完成GPS信号的捕获、跟踪、解调等功能,最后实现导航定位的技术。这种技术由于采用较少的硬件外设,使得大多数信号处理任务都可以在可编程的软件平台上完成,与基于硬件的传统接收机技术相比具有更大的灵活性、经济性、模块化、可视化等众多优点,因而更符合全球卫星导航系统快速发展的需要,正在成为卫星导航领域内的一个重要发展方向和研究热点。本文主要针对GPS软件接收机技术中信号捕获、跟踪等关键算法展开研究。首先,本文从软件无线电技术的定义出发,简单概括了GPS软件接收机与基于硬件的传统接收机相比所具有的优势,描述了全球导航卫星系统软件接收机的通用结构以及GPS软件接收机信号处理的基本原理。然后介绍了GPS信号的扩频调制方式及其特点,重点研究了C/A码的相关特性,这是后文算法的重要基础;分析了多普勒效应对GPS信号中载波和伪码的影响;在此基础上进行了中频数字信号的仿真,在算法研究初期为实验提供了重要的数据。其后重点分析了基于FFT的频域快速捕获方法,采用实测数据对频域和传统的时域捕获算法进行了对比分析,结果表明频域算法极大地减少了捕获耗时。基于频域算法介绍了弱信号捕获的两种常用方法:相干积分法和非相干积分法,并采用实测数据进行了对比分析,结果显示非相干算法具有较好的捕获效果。信号的捕获结果需要进行检测和确认,在介绍常用检测算法的基础上提出了采用多普勒和伪码相位信息辅助检测的算法,实验表明该算法具有一定的可行性和实用性。最后研究了跟踪伪码的超前滞后延迟锁定环和跟踪载波的科斯塔斯锁相环的原理和实现方法,并用实测数据进行了跟踪解调实验,结果验证了跟踪算法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 软件无线电技术概述
• 1.3 国内外发展的动态
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 GPS软件接收机结构及基本原理
• 2.1 传统GPS接收机结构
• 2.2 GNSS软件接收机通用结构
• 2.3 GPS软件接收机基本原理
• 2.4 GPS接收机通道状态描述
• 2.5 小结
• 第三章 GPS卫星信号的特性及中频仿真
• 3.1 GPS信号的调制及扩频
• 3.2 GPS卫星信号的数学模型及特性
• 3.2.1 GPS卫星信号的数学模型
• 3.2.2 C/A码的相关性
• 3.2.3 GPS卫星信号的多普勒效应
• 3.3 GPS信号产生原理
• 3.3.1 C/A码的结构及产生
• 3.3.2 导航电文的帧结构及产生
• 3.4 GPS中频数字信号仿真
• 3.4.1 数据准备
• 3.4.2 仿真信号合成
• 3.5 小结
• 第四章 GPS信号捕获研究
• 4.1 GPS卫星传统捕获方法
• 4.1.1 GPS信号捕获的原理
• 4.1.2 GPS传统捕获方法的实现
• 4.2 GPS卫星频域捕获方法
• 4.2.1 卫星信号频域搜索基本原理
• 4.2.2 基于FFT的频域搜索关键技术
• 4.2.3 信号频域捕获实验分析
• 4.2.4 弱信号频域捕获方法
• 4.3 GPS信号的检测与确认
• 4.3.1 GPS信号检测标准
• 4.3.2 多普勒和伪码相位辅助检测
• 4.4 GPS卫星历书搜索预报
• 4.4.1 GPS卫星历书及其作用
• 4.4.2 卫星捕获辅助信息计算
• 4.4.3 历书计算及结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 GPS信号跟踪解调研究
• 5.1 锁相环基本理论
• 5.1.1 锁相环工作原理
• 5.1.2 全数字锁相环
• 5.2 GPS信号跟踪和解调
• 5.2.1 伪码跟踪环路
• 5.2.2 载波跟踪环路
• 5.2.3 跟踪环模块设计
• 5.2.4 位同步
• 5.2.5 帧同步
• 5.2.6 导航电文解码及原始伪距观测量的获得
• 5.3 信号跟踪解调实验分析
• 5.4 小结
• 第六章 GPS软件接收机系统信号处理流程
• 6.1 软件接收机信号处理流程
• 6.2 GPS软件接收机导航模块设计
• 6.3 系统的性能评估及改进措施
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 可进一步开展的工作
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢