GPS软件接收机信号处理关键技术研究

论文摘要

GPS已经被广泛用于测绘、导航制导、智能交通、移动电子商务等各种领域。随着GPS应用的进一步扩大,对GPS技术的研发也提出了更高更迫切的要求。其中如何以更低成本更短时间内设计出符合各种应用要求成为了关键,而GPS软件接收机技术正是符合这种需求的一个重要发展方向。由于主要部分集中于软件实现,其开发成本低,开发平台灵活,保证了GPS接收机的低开发成本和高开发效率。本文致力于GPS软件接收机的信号采集、处理,通过射频前端对GPS L1信号进行降频,然后采样数字化后输入到PC中,接着完成的信号捕获和跟踪处理的软件实现。同时在此基础上探讨了GPS/INS超紧组合导航中GPS信号处理的实现,对载体高动态下的精确导航定位研究具有重要意义。本文主要研究GPS软件接收机的信号处理实现以及超紧组合导航算法的研究。其主要工作包括接收机的外围信号采集实现和MATLAB环境下的信号处理,具体如下:1,详细论述了GPS软件接收机的信号采集电路实现。在SuperStar II OEM接收机的基础上进行改装,分析了GP2015前端芯片的信号处理,并介绍了外围电路模块的功能和设计原理。2,提出一种用于微弱GPS信号处理的快速捕获方法。基于GPS的C/A码本身的相关特性,提出了一种改进的快速串行搜索和FFT搜索捕获方法,在同等精度下,大量减少运算量,提高捕获速度,保证了高灵敏度GPS软件接收机的实时性。接着介绍了两种精捕获方法,并分析了优缺点。3,GPS中频数字信号跟踪环路的软件实现。在分析了锁相环的基础上,完成跟踪阶段的码跟踪环和载波跟踪环的软件实现,分析确定环路具体的各项参数。接着分析了跟踪过程中导航数据的解调,以及位同步的实现,软件接收机的伪距解算。4,在GPS软件接收机信号处理实现的基础上提出了GPS/INS超紧组合导航算法。讨论了常规的两种组合算法即松组合和紧组合算法的实现框架和原理,分析了优缺点。接着提出了GPS/INS超紧组合导航算法的实现框架,分析了INS辅助信息下GPS信号捕获和跟踪环路的具体实现,完成了INS辅助下的多普勒频移解算。本文通过研究软件接收机的信号采集、处理,包括信号的采集、捕获、跟踪,以及在这基础之上对GPS/INS超紧组合导航系统进行了初步探讨,对深入学习研究GPS的信号处理有很大的帮助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1. 引言
• 1.2. 研究背景及意义
• 1.3. 研究方向及论文内容
• 第二章 软件接收机的系统组成及前端信号采集模块设计
• 2.1. GPS 软件接收机系统构架设计
• 2.2. 信号采集电路硬件设计
• 2.2.1.GPS 天线模块
• 2.2.2.GP2015 射频前端模块分析
• 2.2.3.中频信号的串并转换
• 2.2.4.中频信号的数据采集
• 2.3. 信号的量化及格式化存储
• 2.4. 本章小结
• 第三章 一种用于微弱 GPS 信号处理的快速捕获方法
• 3.1. 捕获目的及基本原理
• 3.1.1.C/A 码相关特性分析
• 3.1.2.传统时域串行搜索
• 3.1.3.传统 FFT 的频域搜索
• 3.2. 改进的快速捕获方法
• 3.2.1.改进的快速串行搜索捕获
• 3.2.2.改进的快速 FFT 捕获方法
• 3.3. 精捕获（pull-in）
• 3.3.1.时域精捕获
• 3.3.2.频域精捕获
• 3.4. 捕获模块实验及其分析
• 3.4.1.仿真信号捕获实验
• 3.4.2.真实信号捕获实验
• 3.5. 本章小结
• 第四章 GPS 中频数字信号跟踪
• 4.1. 跟踪目的及基本原理
• 4.2. 锁相环
• 4.3. 载波和码跟踪
• 4.3.1.载波跟踪
• 4.3.2.码跟踪
• 4.3.3.完整跟踪模块
• 4.4. 导航数据解调
• 4.4.1.解调原理
• 4.4.2.位同步
• 4.4.3.伪距解算
• 4.5. 跟踪模块实验及分析
• 4.6. 本章小结
• 第五章 GPS/INS 超紧组合导航
• 5.1. 概述
• 5.2. INS 惯性导航系统
• 5.3. GPS/INS 松组合和紧组合导航系统
• 5.3.1.卡尔曼滤波器
• 5.3.2.松组合导航系统
• 5.3.3.紧组合导航系统
• 5.4. GPS/INS 超紧组合导航系统
• 5.4.1.高动态信号的多普勒效应
• 5.4.2.高动态超紧组合信号捕获
• 5.4.3.高动态超紧组合信号跟踪
• 5.5. 高动态实验及分析
• 5.6. 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1. 本文回顾及结论
• 6.2. 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书