高动态GNSS接收机及多模解算技术研究

论文摘要

GNSS卫星导航定位技术在测绘、通信、军事、航天、电力、遥感等领域得到了广泛的应用。随着GNSS卫星导航技术应用范围的不断扩大,应用水平的不断提高,对卫星导航技术也提出了更高的要求。在军事和航天相关应用领域,载体运动的高动态特性使接收到的卫星信号具有很大的多普勒频移,信号的捕获跟踪变得十分困难;另外除美国的GPS系统外,俄罗斯的GLONASS系统和中国的BD-2系统也发展很快,如何利用多模式可见星多的优点也成为当前研究热点。本文旨在研究高动态环境下GNSS接收机和多模解算技术。论文的主要工作包括以下几个方面:（1）针对高动态环境下,研究基于匹配滤波时域并行、基于FFT频域并行和基于FFT/IFFT时域并行相关算法,分析了各自存在的优缺点,给出了仿真和解决问题的方法,对比分析了它们各自的运算速度、运算量和运算效率。（2）针对高动态环境下,对PLL、FLL、DLL环路进行深入研究,重点讨论了环路滤波器的噪声性能和动态应力,提出了一种锁频锁相环路级联的环路设计方法,保证在一定噪声性能条件下,大大提高环路的动态性能。（3）针对不同模式卫星间测距码误差的不同,及初始权阵给的不准确,提出了一种基于验后估计的权阵修正的方法,能在一定程度上提高定位精度。（4）针对多模式条件下,推导了加权GDOP的计算,分析了卫星数目对加权GDOP的影响,并给出基于六阶行列式的GDOP选星算法和仿真。（5）针对多模式条件下,建立多模式RAIM监测模型,详细推导了故障检测中多模加权条件下最小二乘残差法和奇偶空间法,并验证了两者的等价性,分析了RAIM技术的可用性判断依据,同时给出了故障隔离的两种方法:子集比较法和奇偶法,最后仿真验证了应用加权最小二乘残差法和传统方法在故障检测率和故障隔离率上的性能,同时也给出子集检测法和奇偶法的性能仿真。（6）基于前文对高动态GNSS接收机的研究和分析结果,结合实验室前期在软件和硬件上的积累,提出并实现了一个基于FPGA+DSP的全数字GNSS接收机方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 GNSS系统简介
• 1.1.1 GNSS系统组成
• 1.1.2 GPS系统
• 1.1.3 GLONASS系统
• 1.1.4 北斗（BD）系统
• 1.1.5 其他卫星导航系统
• 1.2 课题背景
• 1.3 研究现状
• 1.4 本文主要工作和结构安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 GNSS原理介绍
• 2.1 测距与定位原理
• 2.2 参考坐标系及其相互间转换
• 2.3 时间系统
• 2.4 卫星位置计算
• 2.5 用户位置的计算
• 2.6 卫星信号特点
• 2.7 理想接收机模型
• 2.8 本章小结
• 第3章 快速捕获与精确跟踪系统
• 3.1 高动态对于捕获和跟踪的影响
• 3.2 高动态GNSS接收机处理流程
• 3.3 快速捕获中的并行相关方法
• 3.3.1 基于匹配滤波器的时域并行相关
• 3.3.2 基于FFT的频域并行相关
• 3.3.3 基于FFT/IFFT的时域并行相关
• 3.3.4 并行相关算法运算量比较
• 3.4 跟踪环路
• 3.4.1 锁相环原理
• 3.4.2 载波相位跟踪环
• 3.4.3 载波频率跟踪环
• 3.4.4 码跟踪环
• 3.4.5 环路滤波器
• 3.4.6 锁频锁相环路级联设计
• 3.4.7 环路失锁检测
• 3.5 本章小结
• 第4章 多模解算技术
• 4.1 多模式解算系统模型
• 4.1.1 信息融合方式
• 4.1.2 伪距联立方程解算
• 4.2 多模多星权重选择
• 4.2.1 权及权阵的定义
• 4.2.2 初始权给定
• 4.2.3 验后估计方差
• 4.3 多模GDOP选星算法
• 4.3.1 加权GDOP的计算
• 4.3.2 卫星数目对加权GDOP的影响
• 4.3.3 多模接收机选星算法
• 4.4 多模RAIM技术
• 4.4.1 数学模型
• 4.4.2 故障检测
• 4.4.3 可用性判断
• 4.4.4 故障隔离
• 4.4.5 仿真验证
• 4.5 基于多频接收技术对电离层延时估计
• 4.6 本章小结
• 第5章 GNSS接收机的设计和实现
• 5.1 硬件平台设计
• 5.2 FPGA工程设计
• 5.2.1 部分匹配滤波器设计
• 5.2.2 码产生器设计
• 5.3 DSP工程设计
• 5.3.1 捕获和跟踪程序设计
• 5.3.2 环路滤波器设计
• 5.4 系统测试
• 5.4.1 版间动态和灵敏度调试
• 5.4.2 电文解调无线测试结果
• 5.4.3 无线定位测试结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、科研项目及相关成果