弹载GNSS软件接收机基带信号处理关键技术研究

摘要

精确制导弹药在现代高技术局部战争中的作用越来越突出，是信息化战争的重要标志。卫星制导凭借其全天候、低成本等优势已发展成为制导弹药主要的制导方式之一。与常规的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellites System，GNSS)接收机相比，弹载GNSS接收机接收的卫星信号具有更大的动态、更低的载噪比，甚至可能出现信号中断等情况，从而对接收机的核心技术——基带信号处理，提出了更高的要求。对于信号捕获，由于弹丸飞行时间仅为数十秒，因此捕获速度性能非常关键。而捕获精度影响跟踪环路到达稳态的时间，从而影响接收机首次定位时间，因此捕获精度也是重要的捕获性能之一。对于信号跟踪，高动态要求环路增大带宽，但会导致更多的噪声，因此如何平衡环路动态性能和噪声性能是弹载接收机高动态、低载噪比条件下载波跟踪的难点。 随着新的卫星导航信号陆续出现，以及接收机基带信号处理算法的不断改进，接收机必须不断地更新换代。软件接收机能在不改变硬件结构的基础上快速地更新算法功能，现已成为未来卫星导航接收机的一个发展方向。 基于上述精确制导弹药的应用背景和卫星导航接收机的发展趋势，本文重点研究了弹载GNSS软件接收机的基带信号处理相关技术，开展的主要工作及取得的研究成果如下: (1)开展了卫星导航软件接收机数字中频信号源的设计工作，为后续研究接收机基带信号处理算法提供参数可灵活设置的信号源。具体工作包括以下三个内容:第一，研究了目前世界上主要的四大卫星导航系统的信号体制，分析其异同点，得出尽管各系统信号体制不尽相同，但基带信号算法具有一定相似性的结论。为此，后续工作均在GPS L1信号基础上展开;第二，基于Matlab/Simulink开发了GPS L1软件模拟器;第三，基于DSP+FPGA研制了一台GPS L1伪卫星原理样机。经测试，所设计的信号源参数可控，满足设计要求。 (2)以精确制导炮弹为应用背景，提出了一种能同时顾及精度与速度的信号捕获算法。该算法借助炮弹发射前初始化辅助信息对码相位和载波频偏进行预估，缩小参数搜索范围，提高捕获速度。在此基础上，利用Chirp-Z变换实现频率的细化，提高捕获精度。为提高算法效率，借鉴了卫星导航接收机基带信号处理中的相干积分清零思想，对原始信号进行降采样，从而降低运算量。实验结果表明，降采样在显著提高捕获速度的同时，能保持较高的频率精度。为进一步提高算法的精度和灵敏度，提出加长相干积分时间和降采样相结合的方法。结果表明，当相干积分时间为10ms时，所提算法能捕获载噪比低至22dB-Hz的信号;对于25dB-Hz的信号，捕获误差仅为5.9Hz。 (3)开展了弹载GNSS软件接收机矢量跟踪算法研究工作。重点研究了矢量跟踪环在弹载GPS接收机高动态信号跟踪中的应用，建立了弹载接收机数字中频信号仿真电路模型，并对传统的固定带宽环路、基于Kalman滤波器的锁相环及矢量跟踪环在频率跟踪方面的性能进行了比较，结果表明矢量跟踪环具有更好的噪声性能和动态性能。针对矢量跟踪环存在的可见星数目减小和导航解精度下降将导致环路跟踪精度下降甚至环路失锁的问题，提出了一种利用弹丸期望弹道辅助的矢量频率跟踪算法，有效抑制了信号短时中断情况下误差的发散，并且在信号恢复时，能实现环路的快速重锁。 (4)由于弹丸空间狭小，弹载GNSS接收机通常使用体积较小的温补晶振（Temperature Compensated Crystal Oscillator,TCXO）作为频率参考源，而TCXO的频率准确度和稳定度较差。考虑到振荡器对接收机信号处理有重要影响，开展了接收机振荡器对基带信号算法性能的影响研究。为给软件接收机提供更接近实际情况的信号源，需要模拟接收机振荡器的相位噪声。为此，提出了一种低成本、满足精度要求的振荡器相位噪声测量方法。该方法基于自主研制的伪卫星发射与接收系统，信号载噪比可灵活设置。利用较高的载噪比，可有效降低热噪声的影响，从而可使环路带宽尽可能加大。使用该方法，可测量平均时间低至1ms的短期频率稳定度，测量误差仅为2.22％。利用模拟得到的信号源，分析了接收机振荡器相位噪声对锁相环以及接收机钟差、码相位预测的影响。此外，考虑到弹载接收机印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)元器件密度高，易导致发热现象，进而影响振荡器的频率稳定性，本文通过实验研究和分析了接收机工作时PCB温度变化对锁相环的影响。 本文开展的卫星导航接收机基带信号处理关键技术研究，对于弹载GNSS软件接收机的工程化实现具有一定的理论意义和应用价值。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1论文的研究背景与意义

1．2国内外研究现状与分析

1．2．1 GNSS软件接收机信号捕获技术的研究现状

1．2．2 GNSS软件接收机高动态载波跟踪技术的研究现状

1．3弹载GNSS软件接收机基带信号处理的关键问题分析

1．4论文的主要研究内容与结构

2卫星导航软件接收机数字中频信号源设计研究

2．1 GNSS信号体制研究

2．1．2 GLONASS信号

2．1．3 Gameo 信号

2．1．4北斗信号

2．2．1 C／A码生成机制

2．2．2 GPS L1C／A软件模拟器Simulink模型建立

2．2．3结果与分析

2．3 GPS L1C／A伪卫星设计

2．3．1伪卫星设计

2．3．2结果与分析

2．4本章小节

3弹载GNSS软件接收机信号捕获算法研究

3．1 GPS接收机捕获参数的确定依据及串行搜索算法

3．1．1码相位和载波频偏搜索范围及步进确定依据

3．1．2串行搜索捕获算法

3．2基于FFT的并行搜索算法

3．2．1并行频率搜索捕获算法

3．2．2并行码相位搜索捕获算法

3．3弹载GPS接收机码相位和载波频偏预估方法研究

3．3．1码相位预估方法

3．3．2载波频偏预估方法

3．4基于参数预估和Chirp-Z变换的弹载GPS接收机信号捕获算法

3．4．1 Chirp-Z变换原理与分析

3．4．2算法原理

3．4．3结果与分析

3．4．4捕获精度与灵敏度优化分析

3．5本章小节

4弹载GNSS软件接收机矢量跟踪算法研究

4．1锁相环原理与分析

4．1．1基本锁相环

4．1．2载波环

4．1．3码环

4．2矢量跟踪环路结构与模型

4．2．1传统跟踪环路结构

4．2．2矢量跟踪环路结构

4．2．3矢量跟踪环路模型建立

4．3矢量跟踪算法在弹载GPS接收机信号跟踪中的应用研究

4．3．1弹载GPS接收机中频信号模拟

4．3．2弹载GPS接收机信号跟踪环路设计

4．3．3结果与分析

4．4期望弹道辅助的矢量跟踪环在信号短时中断下的性能研究

4．4．1期望弹道辅助的矢量跟踪环

4．4．2结果与分析

4．5本章小节

5弹载GNSS软件接收机振荡器对基带信号处理的影响研究

5．1振荡器频率稳定度表征

5．1．1振荡器输出信号模型

5．1．2振荡器噪声模型

5．1．3频率稳定度频域表征

5．1．4频率稳定度时域表征

5．1．5频率稳定度的时频域转换

5．2振荡器相位噪声的模拟研究

5．2．1相位噪声模拟方法

5．2．2相位噪声参数测量

5．2．3结果与分析

5．3振荡器相位噪声对锁相环的影响分析

5．3．1阿伦偏差相位抖动

5．3．2结果与分析

5．4 PCB温度对锁相环的影响研究

5．4．1 PCB和环境温度测量方法

5．4．2实验配置、数据处理与评估标准

5．4．3结果与分析

5．5振荡器相位噪声对接收机钟差及码相位预测的影响分析

5．6本章小节

6总结与展望

6．1研究成果及创新点

6．1．1研究成果

6．1．2创新点

6．2研究展望

致谢

参考文献

附录