瞬时GPS信号仿真及导航算法研究

论文摘要

目前,对GPS的研究和应用多集中在利用连续接收到的信号,通过捕获、连续跟踪的方法解调出导航电文,对接收机进行定位、测速等。但在某些特定的情况下,接收机接收到的信号是非连续的或者是间断的,有时甚至是瞬时的。例如,在遮挡严重的城市街道及室内等弱信号环境下接收到的信号、接收机在受压制性干扰时接收到的片段“干净”信号、单天线自旋弹载GPS接收机接收的信号以及人为的为降低功耗而瞬时开机接收到的信号等,在这些情况下信号都是间断的。如何在上述情况下合理有效地利用间断的瞬时GPS信号将是个很有意义的课题。本文研究了瞬时GPS中频数字信号仿真方法,建立了仿真系统,以此为基础研究了瞬时GPS信号定位、测速导航算法问题,得到的具有创新意义的结果如下:(1)GPS中频数字信号模拟仿真。对GPS卫星信号经过无线传播信道、GPS接收机天线、射频下变频、滤波和采样量化之后形成数字化中频信号的整个过程进行建模和仿真。建立了各种仿真误差模型,以便模拟产生的信号能较真实的反映各种误差源的影响;针对高动态自旋载体,研究了姿态变化情况下的GPS卫星信号多普勒频移的计算模型,并结合天线的增益方向图,给出了可见卫星判断和信号幅度调制模拟的方法;详细给出中频信号状态的计算方法、计算过程,建立了计算机仿真系统。相对于传统的硬件RF GPS卫星信号模拟器而言,该仿真系统具有可重新编程的能力,可以针对GPS系统中影响伪距精度和跟踪性能的各种误差源进行高精度的建模,所以可以做为算法研究和测试的有力工具;(2)瞬时信号定位的关键技术。对瞬时信号定位的关键技术,如导航电文的获取、码相位的提取和信号发射时间的恢复等进行研究。提出了优化的缩小搜索步长和曲线拟合细化码相位的方法,并采用Monte Carlo模拟的方法估计了在不同信噪比下,瞬时信号的长度与码相位细化精度的关系。全面地梳理了瞬时信号定位的各个关键技术,详细给出了基于改进的迭代最小二乘法进行瞬时信号定位解算的方法;(3)瞬时信号测速方法。将经典和现代谱估计理论应用于瞬时GPS信号测速,经过分析比较,提出了基于周期图理论的瞬时信号测速方法,经仿真验证,利用该方法能达到测速的目的,并取得较好的精度,满足一般用户测速需求;(4)基于瞬时信号定位原理,提出了单天线自旋弹载GPS接收机实现方案。将卡尔曼滤波理论应用于单天线自旋弹载GPS接收机的定位信息平滑处理,并利用其预测功能对弹道测量异常值识别和处理,进一步保证了导航精度和鲁棒性。本文的研究结果,对于利用瞬时GPS信号进行导航的研究具有理论意义,对单天线自旋弹载GPS软件接收机的研制有现实的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 关键技术及研究现状
• 1.3 论文主要研究内容和结构安排
• 第二章 GPS 系统及基本导航原理
• 2.1 GPS 系统概述
• 2.1.1 GPS 系统结构
• 2.1.2 GPS 信号结构
• 2.1.3 GPS 软件接收机
• 2.1.4 GPS 现代化
• 2.2 GPS 时间和坐标系统
• 2.2.1 GPS 常用时间系统定义及转换
• 2.2.2 GPS 常用坐标系统定义及转换
• 2.3 GPS 信号捕获原理
• 2.3.1 时域串行搜索捕获
• 2.3.2 频域并行搜索捕获
• 2.3.3 捕获载波频率的进一步估计
• 2.4 GPS 信号跟踪原理
• 2.4.1 码跟踪环
• 2.4.2 载波跟踪环
• 2.5 本章小结
• 第三章 中频GPS 信号模拟研究
• 3.1 GPS 中频信号模拟基本原理
• 3.1.1 GPS 中频信号模型
• 3.1.2 GPS 中频信号模拟仿真结构
• 3.2 卫星轨道及用户运动模型计算
• 3.2.1 卫星轨道计算
• 3.2.2 载体运动模型
• 3.3 伪随机码及导航电文的生成
• 3.4 GPS 测量误差模型
• 3.5 中频信号状态计算
• 3.5.1 可见卫星判断及信号幅度调制
• 3.5.2 发射时刻伪码相位确定
• 3.5.3 信号载波状态确定
• 3.5.4 信号功率模型
• 3.6 中频信号的生成
• 3.6.1 采样及量化
• 3.6.2 中频信号仿真实现
• 3.7 本章小结
• 第四章 瞬时GPS 导航信号定位方法研究
• 4.1 传统的GPS 导航信号定位原理及方法
• 4.1.1 传统GPS 导航信号定位原理
• 4.1.2 定位方法
• 4.2 瞬时GPS 信号定位
• 4.2.1 星历的获取
• 4.2.2 码相位的提取
• 4.2.3 发射时间的恢复及定位
• 4.2.4 初始时间及位置约束
• 4.2.5 试验结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 瞬时GPS 导航信号测速研究
• 5.1 常用测速方法研究
• 5.1.1 位置差测速法
• 5.1.2 原始多普勒频移测速法
• 5.1.3 载波相位差分法
• 5.2 经典谱估计理论
• 5.3 基于周期图的瞬时信号测速方法及仿真验证
• 5.3.1 瞬时信号测速原理与方法
• 5.3.2 仿真实验及结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 单天线自旋弹载GPS 接收机导航数据滤波处理
• 6.1 单天线方案
• 6.2 卡尔曼滤波实现
• 6.2.1 状态方程的建立
• 6.2.2 量测方程的建立
• 6.2.3 滤波过程
• 6.3 测量异常值处理
• 6.4 滤波结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 内容总结
• 7.2 论文主要创新点
• 7.3 进一步的研究设想
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢