微弱GPS信号捕获算法研究

论文摘要

GPS信号在正常情况下,到达地面的强度是-130dBm,在这样的信号强度条件下,GPS信号是很容易被捕获的,并进行相应的跟踪,解码等后续处理的。但是,当需要在室内,城市街道,森林等环境下使用GPS信号的时候,由于载波在传播路径上被阻挡,以及由反射,折射,衍射等造成了多径效应,使得GPS信号的信噪比下降,可下降20dB,这使得对GPS信号的捕获变得较为困难。但是随着卫星导航定位技术,应用领域的不断推广,相应的使用GPS的地理范围也不断的扩大,对在室内,城市街道,森林,等环境下的定位需求大为提高。开展对GPS信号严重衰减的环境下的信号捕获研究,不论对于日益扩大的民用导航定位的需求,以及已经未来战争中可能发生的城市巷战,丛林作战等军事用途都具有很重要应用价值。因此,针对这样一种室内等弱信号环境下进行定位导航的需要,本文针对GPS导航定位技术中的信号捕获部分做了相关的研究。在充分的了解前人对GPS信号捕获的基本原理和基本算法后,以及为提高GPS接收机灵敏度,前人所做的努力之后,创新的将谱相关算法应用到微弱GPS信号的捕获算法处理中,取得了较好的仿真效果。需要提到的是,本文进行的算法研究是基于软件无线电的基础之上,这样有助于更改各类不同类型的算法;并且为了在捕获算法的仿真中,使用较为精确的GPS信号的信噪比,本文都采用了个人电脑模拟的GPS信号用于仿真实验。本文的主要工作包括以下几个方面:本文建立了基于软件无线电设计思想的GPS接收机,分析了该接收机的系统结构,以及两个重要的参数采样时间和采样频率的选取。本文根据GPS信号中的C/A码结构,以及接收机设计中说设定的采样频率和采样时间,提出并仿真了考虑接收机噪声,码间干扰,以及电离层干扰的模拟GPS信号。本文分析了GPS信号捕获过程中需要考虑的一些基本因素,GPS卫星信号可能发生的多普勒频移范围,最大电文长度考虑,捕获中的频率步长设定。在此基础之上,仿真了传统的GPS信号捕获算法,传统捕获方法的FFT实现,循环相关捕获方法,延迟与积累捕获方法以及长数据相干处理。本文分析了影响GPS软件接收机灵敏度的几个重要因素,在此基础之上,分析了适用与微弱信号处理的块GPS信号捕获算法,并做相应的仿真。本文将循环谱相关方法应用于GPS信号的捕获,改善了接收机性能,降低了可捕获GPS信号的S/N。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究意义和国内外现状
• 1.1.1 研究课题的意义
• 1.1.2 国内外现状
• 1.2 项目研究方向
• 1.3 本文结构安排
• 第二章 GPS信号仿真
• 2.1 GPS信号结构
• 2.1.1 GPS信号的载波
• 2.1.2 GPS信号的PRN码
• 2.1.3 GPS信号的导航电文
• 2.1.4 GPS信号的构成
• 2.1.5 GPS信号调制方式
• 2.2 GPS信号采样参数的选取
• 2.2.1 采样时间的选取
• 2.2.2 采样频率的选取
• 2.3 GPS信号仿真
• 2.3.1 中频 GPS信号模型
• 2.3.2 GPS中的C/A码产生
• 2.3.3 仿真信号中噪声
• 第三章 GPS软件接收机捕获策略
• 3.1 GPS软件接收机
• 3.2 GPS软件接收机产生和基本结构
• 3.3 GPS软件接收机的几种信号搜索策略
• 3.3.1 并行搜索
• 3.3.2 串行搜索
• 3.3.3 序贯估计
• 第四章 GPS信号的捕获
• 4.1 导航卫星信号捕获的考虑因素
• 4.1.1 GPS卫星信号可能发生的多普勒频移范围
• 4.1.2 捕获时的最大电文长度
• 4.1.3 捕获中的频率步长
• 4.2 GPS信号捕获的基本原理
• 4.3 GPS信号捕获的基本方法
• 4.3.1 传统捕获方法的FFT实现
• 4.3.2 循环相关捕获方法
• 4.3.3 延迟与积累捕获方法
• 4.3.4 长数据相关处理
• 4.4 GPS卫星信号捕获仿真
• 第五章 微弱 GPS信号捕获的影响因素
• 5.1 GPS接收机输入的S/N
• 5.2 对GPS接收机灵敏度的限制
• 5.3 检测概率和虚警概率
• 5.4 相关累积增益
• 5.5 非相关累积得损失和增益
• 5.5 针对高斯噪声得门限确定
• 5.6 强信号对弱信号的干扰讨论
• 第六章 块算法捕获弱信号
• 6.1 块信号处理介绍
• 6.1.1 块信号处理中的信号模型
• 6.1.2 块处理的信号捕获综述
• 6.1.3 块信号处理对微弱信号的捕获
• 6.2 无先验信息的多数据位信号捕获
• 6.2.1 更替半比特法
• 6.2.2 带比特转移时间估计的全比特方法
• 6.2.3 两种块算法比较
• 6.3 块算法与传统检测性能比较
• 第七章 GPS信号的循环谱相关检测
• 7.1 循环谱引入GPS信号检测
• 7.2 一般信号的频谱相关处理
• 7.3 直扩频信号的循环谱相关密度
• 7.4 C/A码的频谱相关处理
• 7.4.1 C/A码的循环谱特性
• 7.4.2 循环谱检测GPS信号
• 7.5 总结
• 第八章 结论
• 8.1 论文工作总结
• 8.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果