高动态GPS信号跟踪算法研究

论文摘要

GPS是目前应用最广泛的一种卫星导航系统,在定位、导航领域发挥着重要的作用。在高动态环境下,载体高速、高加速度运动引起的多普勒效应给GPS信号的捕获、跟踪和定位带来了挑战,这一直是GPS接收机算法研究中关注的问题。本文主要针对高动态应用环境,研究跟踪环路的优化方法和低轨卫星这种特定的动态环境下载波跟踪的方法。本文首先介绍了GPS系统的原理及其应用,详细综述了GPS信号的捕获方法和GPS信号的跟踪环路——PLL、FLL和DLL的原理、性能,并且分析了高动态环境给GPS信号跟踪带来的各方面问题和困难。在此基础上,对以下几个方面进行了深入研究:(1)以降低GPS接收机测量中的热噪声误差和动态应力误差为目的,研究了跟踪环路优化的问题。分析了码跟踪环路在动态环境下的跟踪性能,提出一种同时调节环路阶数和带宽的环路优化策略。优化策略中涉及了视距动态实时检测算法,根据检测到的视距动态来调节环路阶数,以减少来自动态应力误差的影响;优化策略中还涉及了在动态环境下根据测量误差最小原则实时调整环路噪声带宽算法的具体实现。(2)研究了应用自适应Kalman滤波原理来实现高动态信号跟踪的问题。设计了一种4状态线性系统模型,提出了利用单个Kalman滤波器实现高动态GPS信号跟踪环路的策略。在应用Kalman滤波原理的同时,为保证跟踪的稳定、获得良好的跟踪精度,采用改进的Sage算法来实时估计系统中的噪声统计特性,采用强跟踪的自适应策略来实时调整系统功率矩阵参数。(3)针对低轨卫星这种特定对象及其特定的运动动态环境,研究了多普勒频移辅助载波环路跟踪的问题。基于卫星轨道可模化、可预测的特性,提出了利用轨道预报得到的多普勒频移来辅助环路跟踪的新方法。该方法有效降低了跟踪中的动态,从而在跟踪过程中可以采取减小跟踪带宽、降低环路阶数、增加预检测积分时间这几种措施来提高环路跟踪弱信号的能力。为分析算法的性能,利用高性能GPS信号仿真器对算法进行了测试,同时根据GPS信号的生成原理,也在MATLAB环境下对高动态GPS信号进行了仿真,并用于对算法的测试。两种仿真测试结果都表明,本文提出的几种算法性能稳定、良好。本文的研究结果对星载、弹载高动态接收机的性能优化提供了算法基础,对某些特定的应用场合下卫星导航接收机的研制具有现实应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GPS 卫星导航系统及其应用
• 1.1.1 GPS 卫星导航系统
• 1.1.2 GPS 卫星导航系统的应用
• 1.1.3 GPS 接收机
• 1.2 GPS 信号的跟踪
• 1.2.1 一般环境下的信号跟踪
• 1.2.2 高动态环境下的信号跟踪及其研究现状
• 1.3 课题研究的背景和意义
• 1.4 论文的主要工作和内容安排
• 第二章 GPS 卫星导航系统原理
• 2.1 GPS 系统的组成
• 2.2 GPS 坐标系统与时间系统
• 2.3 GPS 卫星信号的构成
• 2.3.1 GPS 信号的产生原理
• 2.3.2 伪随机噪声码的特性及其产生
• 2.3.3 GPS 信号的产生
• 2.4 GPS 卫星导航电文
• 2.5 GPS 定位原理
• 2.6 GPS 定位误差估计
• 2.7 本章小结
• 第三章 GPS 卫星信号的捕获与跟踪
• 3.1 GPS 卫星信号的捕获
• 3.1.1 GPS 信号捕获算法
• 3.1.2 捕获过程中的相关问题
• 3.2 GPS 信号载波跟踪环路
• 3.2.1 锁相环（PLL）原理
• 3.2.2 科斯塔斯环（Costas）
• 3.2.3 锁频环（FLL）
• 3.3 GPS 信号码跟踪环路
• 3.4 环路滤波器
• 3.4.1 一阶环路
• 3.4.2 二阶环路
• 3.4.3 三阶环路
• 3.4.4 滤波器参数的选取
• 3.5 本章小结
• 第四章 高动态环境下GPS 信号跟踪环路优化算法研究
• 4.1 跟踪环路设计
• 4.1.1 跟踪环路的测量误差
• 4.1.2 跟踪环路的参数设计
• 4.2 码跟踪环路动态性能分析
• 4.2.1 码跟踪环路的结构
• 4.2.2 码跟踪环路动态性能分析
• 4.3 高动态环境下GPS 信号跟踪环路优化算法研究
• 4.3.1 视距加加速度动态检测
• 4.3.2 环路阶数调整
• 4.3.3 环路带宽优化
• 4.4 高动态环境建模与GPS 信号仿真
• 4.4.1 高动态运动模型设计
• 4.4.2 GPS 信号的仿真器仿真
• 4.4.3 MATLAB 环境下GPS 信号的仿真
• 4.5 仿真试验与分析
• 4.5.1 仿真器数据处理
• 4.5.2 MATLAB 仿真数据处理
• 4.5.3 仿真数据处理结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 高动态环境下GPS 信号的自适应Kalman 跟踪策略研究
• 5.1 卡尔曼滤波用于GPS 信号跟踪
• 5.1.1 卡尔曼滤波原理
• 5.1.2 基于Kalman 滤波原理的GPS 信号跟踪环路
• 5.2 GPS 信号跟踪系统线性模型的建立
• 5.2.1 系统状态方程的建立
• 5.2.2 系统量测方程的建立
• 5.2.3 系统滤波稳定性判别
• 5.3 基于自适应Kalman 滤波原理的GPS 信号跟踪策略
• 5.3.1 改进的Sage 自适应卡尔曼滤波算法
• 5.3.2 强跟踪Kalman 滤波算法
• 5.3.3 滤波发散趋势判定
• 5.3.4 本地载波和本地码NCO 频率更新
• 5.4 仿真试验与分析
• 5.4.1 传统环路的跟踪仿真试验
• 5.4.2 基于Kalman 滤波原理跟踪算法的仿真试验
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于轨道预测的辅助载波跟踪方法用于低轨卫星定位研究
• 6.1 概述
• 6.2 多普勒频移辅助载波环路跟踪
• 6.3 低轨卫星多普勒频移估计
• 6.3.1 多普勒频移估计
• 6.3.2 GPS 卫星位置、速度推算
• 6.3.3 低轨卫星位置、速度推算
• 6.4 多普勒频移辅助载波跟踪实现策略
• 6.5 仿真试验与分析
• 6.5.1 仿真环境设计
• 6.5.2 仿真数据处理与分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 论文主要创新点
• 7.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢