多模多频GNSS接收机中的跟踪环路设计

摘要

随着现代科学技术的发展,尤其是通信、航天和半导体技术的飞速发展,全球导航卫星系统(GNSS)已经成为目前主流的定位和导航系统的系统构架。目前全世界已经投入运行的卫星定位和导航系统有美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的GALLIEO系统和中国的北斗系统。鉴于多星座导航卫星系统的建立,多模多频GNSS接收机将大大提高卫星导航定位的可靠性、精度和实时性。而对GNSS接收机的设计,跟踪模块一直是设计的关键和核心,同时也是GNSS接收机的技术难点。本文重点对接收机中的跟踪环路做了一个透彻的分析和设计。
　　本文首先介绍了GNSS系统的基本组成和定位原理,以及GNSS卫星信号的特点,并着重以GPS卫星信号为例,介绍了接收机对卫星信号的处理过程:捕获及跟踪。然后重点对接收机中的跟踪环路算法做了比较和分析,其中,详细介绍了载波跟踪环中的Costas锁相环和锁频环,并分析了各种鉴别器算法的相位差及特性,选择了二象限反正切算法作为锁相环和锁频环的鉴别器算法,运算量适中,且线性性能良好;采用非相干延迟锁定环来实现伪码跟踪,且详细分析了伪码跟踪环的鉴别器特性。最后综合考虑到接收机的载体动态性能以及噪声等干扰对信号跟踪的影响,结合对各阶环路滤波器的特性分析,利用最优化的设计理念,计算出了接收机的最优环路带宽。根据最终所确定的跟踪环路算法,以及计算出的最优环路带宽,以GPS信号为例,成功的实现了卫星信号的跟踪,通过跟踪到的结果计算出了当前跟踪环路的I、Q输出和超前码、中间码和滞后码的3个不同相位的积分结果,做了详细比较;同时也对不同的环路滤波器系数,阻尼系数和噪声带宽进行了性能评估和测试。从测试结果来看,本课题的跟踪环路性能稳定,证实了本方案设计的有效性。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 GNSS系统

1.3 课题背景及意义

1.4 论文结构安排

第2章 GNSS系统基本原理

2.1 GNSS系统的组成

2.2 GNSS系统定位原理

2.3 参考坐标系

2.4 时间系统

2.5本章小结

第3章 GNSS卫星信号的特点与处理

3.1 GNSS卫星信号特点

3.2 GNSS信号伪随机码的产生及相关特性

3.3 GNSS卫星信号的处理

3.4 本章小结

第4章 GNSS卫星信号的跟踪

4.1 接收机中的跟踪环

4.2 载波跟踪环

4.3 伪码跟踪环

4.4 跟踪环路的带宽设计

4.5 本章小结

第5章 GNSS接收机的跟踪实现与仿真结果

5.1 软件仿真平台及MTLAB函数结构

5.2 阻尼系数

5.3 噪声带宽

5.4 卫星信号的跟踪实现

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢