高动态GPS接收机信号跟踪技术研究

摘要

全球卫星导航系统（ GPS）经过30多年的发展，现在已经在许多领域得到应用，航空航天、导弹制导、大地测量、智能交通等等都离不开GPS提供的导航定位服务。目前，低动态下的GPS接收机信号跟踪算法已经能够提供满足需要的跟踪精度，但是在高动态环境下，由于接收机和卫星之间的速度、加速度很高，使得GPS信号中含有很大的多普勒频移及其变化率，传统的接收机往往跟踪误差很大，甚至会失锁。本文对高动态下的GPS接收机信号跟踪技术进行深入的研究，以实现提高接收机在高动态下的跟踪性能。本文的主要工作可以概括如下：
　　本文对GPS信号跟踪原理及传统的信号跟踪环路进行了深入的研究，并分析了高动态信号下，传统接收机的局限性：GPS接收机信号跟踪环路包括载波跟踪环路和码跟踪环路。传统的GPS接收机载波跟踪环路通常采用锁频环辅助锁相环的结构。在高动态情况下，环路必须采用较大的噪声带宽以提高动态性能，但是较大的带宽又使得进入环路的噪声增大，造成跟踪误差增大，甚至失锁。本文针对高动态信号对跟踪环路的影响，提出了一种高动态下的GPS接收机信号跟踪环路。研究了矢量延迟锁定环路，考虑到码跟踪环路动态容忍性较强，高动态下环路一般不会失锁且通过载波环的辅助可以消除高动态运动带来的动态应力作用，但高动态下接收机接收到的卫星信号往往不稳定，可能出现某颗卫星信号短暂变弱甚至消失的情况，所以本文设计了基于EKF的矢量延迟锁定环路，并仿真了某颗卫星信号短暂消失的情况，对比基于EKF的矢量延迟锁定环路与传统码跟踪环路的跟踪性能。由于载波跟踪环路对动态容忍性较弱且载波环需要应对所有的动态应力作用，高动态下较大的多普勒频移及其变化率导致传统载波跟踪环路跟踪误差很大甚至失锁，所以本文设计了基于UKF代替传统载波跟踪环路鉴别器和环路滤波器的高动态载波跟踪环路。通过观测I、Q支路相干积分值，直接得到载波相位误差、载波多普勒及其各阶导数的精确估计值。结合基于EKF的矢量延迟锁定环路，完成了整个信号跟踪环路的设计，本文最后基于仿真数据和实测数据对所设计的信号跟踪环路性能进行了验证，并与传统跟踪环路进行了对比。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景意义

1.2 国内外发展与研究现状

1.3 论文的结构安排

第2章 GPS卫星导航系统原理

2.1 GPS系统的组成部分

2.2 GPS信号

2.3 GPS定位原理

2.4 GPS测量误差

2.5 本章小结

第3章 GPS信号传统跟踪技术

3.1 GPS信号跟踪原理

3.2 载波跟踪环路

3.3 码跟踪环路

3.4 环路滤波器

3.5 GPS接收机跟踪环路跟踪性能分析

3.6 本章小结

第4章 矢量码跟踪环路的设计

4.1 扩展卡尔曼滤波算法

4.2 矢量跟踪原理

4.3 基于EKF的矢量延迟锁定环路

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第5章 高动态信号跟踪环路设计及仿真分析

5.1 高动态问题分析

5.2 无迹卡尔曼滤波器

5.3 高动态载波跟踪环路的设计

5.4 高动态信号跟踪环路总体设计

5.5 模拟信号的仿真分析

5.6 半实物仿真分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢