导航信号跟踪理论及高精度测角技术研究

论文摘要

卫星导航系统在军事和国民经济建设中的作用越来越重要,许多国家都开始建设独立自主的全球卫星导航系统。美国的GPS系统发展得最早也最成熟,俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo系统都在不断的完善之中,中国正在建设COMPASS全球卫星导航系统。在卫星导航系统的建设中,信号体制的设计十分关键,它直接决定了系统的性能。而评价信号在当前接收技术下的接收性能能为信号体制的设计和评估提供指导,因为在相同接收机参数的情况下,采用不同信号时的性能差异反映了信号本身的性能差异。为叙述方便,下文中涉及到导航信号在目前接收技术条件下的跟踪性能时都简述为导航信号的跟踪性能。本论文的主要成果及贡献如下：1)提出了载波跟踪环路(锁相环)的频率跟踪误差的模型。目前主要是通过仿真来评价载波跟踪环路的频率跟踪性能。针对该问题,本论文分别从模拟域和数字域进行建模,在考虑前端带限的情况下,导出了采用相干和非相干鉴相器的载波跟踪环路的频率跟踪误差解析式。在归一化环路带宽不同的情况下,分析了模拟域和数字域的理论结果与仿真结果的差异,得出了归一化环路带宽不满足远小于1的条件下,数字域的理论结果能更好地与仿真结果吻合的结论。本论文建立的理论模型和所得结论可以为接收机的优化设计和导航信号体制综合适用性评估中的频率跟踪性能的评估提供理论支持和指导。2)建立了前端带限情况下载波相位跟踪误差的模型。目前广泛采用的相位跟踪误差表达式是在无限前端带宽的条件下得出的。虽然有文献给出了前端带限对载波跟踪环路影响不大的结论,但是缺乏定量描述。本论文分别从模拟域和数字域建模,在考虑前端带限的情况下,导出了采用相干和非相干鉴相器的载波跟踪环路的相位跟踪误差解析式。在归一化环路带宽不同的情况下,分析了模拟域和数字域的理论结果与仿真结果的差异,得出了在归一化环路带宽不满足远小于1的条件下,数字域的理论结果能更好地与仿真结果相吻合的结论。这些结论为直接从数字域设计和优化接收机的环路参数以及导航信号体制综合适用性评估中的载波相位跟踪性能的评估提供了理论支持。3)提出了卫星导航接收机抗单频干扰性能评估的模型。现有单频干扰下的跟踪误差模型是建立在高斯假设和忽略伪码谱线影响的基础上,已经不适用于卫星导航信号中的导频通道和信号采用类似于GPS C/A码的短周期伪码时的情况,此外,考虑伪码离散谱线时相关器输出的信噪比不能描述伪码跟踪性能。针对这些问题,本论文在考虑伪码谱线影响的前提下,建立了单频干扰下码跟踪误差的模型。分析了采用相干超前减滞后鉴相器、非相干超前减滞后功率鉴相器和非相干点积鉴相器时的码跟踪误差,并进行了计算机仿真验证。导出了通过减小相关器间隔获得的码跟踪性能改善的极限。在此基础上,分析了GPS L5和Galileo ElOS信号在单频干扰下的跟踪性能。结果表明,部分伪码在单频干扰下的跟踪性能要低于平均水平,因此可在本文提出的理论模型的基础上,对相应的伪码进行优化设计,以减小信号本身导致的抗干扰性能与平均水平的差异。建立的理论模型和得出的结论可为信号结构的优化和设计提供理论基础和参考,特别是为我国正在建设的COMPASS全球卫星导航系统的信号体制的设计和优化提供了理论支持。4)提出了基于短基线的实时的高精度角度测量方法。针对飞行编队中需要通过安装在飞行器上的短基线来获得高精度、实时的角度测量问题进行了研究。若要在短基线(小于10m)上获得高精度的角度测量,则需要采用高频载波(GHz以上),所以引入了载波整周模糊问题。而目前角度测量中用到的解决整周模糊问题的方法都不能很好的解决该问题。本论文借鉴GPS中的宽巷思想,提出了一种伪码辅助载波的高精度角度测量方法,并在此基础上详细分析了角度测量误差,为工程实施提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 导航接收机中载波跟踪环跟踪性能评估理论的研究现状
• 1.3 单频干扰下码跟踪性能评估的研究现状
• 1.4 高精度角度测量的研究现状
• 1.5 本文的主要内容
• 2 载波跟踪环的相位和频率跟踪性能评估研究
• 2.1 引言
• 2.2 载波跟踪环路模型
• 2.3 相干锁相环模拟域的相位和频率跟踪性能
• 2.4 相干超前减滞后延迟锁相环的跟踪性能
• 2.5 非相干锁相环模拟域的相位和频率跟踪性能
• 2.6 锁相环数字域的相位和频率跟踪性能
• 2.7 仿真分析对比
• 2.8 本章小结
• 3 单频干扰下的码跟踪性能评估研究
• 3.1 引言
• 3.2 带限情况下单频干扰导致的码跟踪误差
• 3.3 非带限情况下单频干扰导致的码跟踪误差
• 3.4 实例分析
• 3.5 本章小结
• 4 短基线下的高精度角度测量方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 单基线测角原理
• 4.3 基于伪码辅助载波的高精度角度测量方法及性能分析
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结和展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读博士学位期间论文目录
• 附录2 英文缩写对照表