伪码测距接收机中跟踪环路及抗多径环节的设计与实现

摘要

伪码测距接收机是指在接收GNSS信号后，通过天线、RF链和AD转换，将接收到的信号与本地产生的伪码进行同步，利用卫星发射信号时刻与接收机收到信号时刻之间时间延迟乘以光速换算得到卫星信号发射点与接收机之间距离，通过多路数据的综合解算可以得到接收机所处位置。在信号处理的过程中捕获和跟踪是最主要的两个环节，捕获是为接收到信号粗同步的过程，主要目的是初步分辨筛选伪码信号并获得输入伪码的起始点和载波频率，然后传递给跟踪过程，只有实现对伪码和载波的精确同步，接收机才能实现精确同步的功能。可以说，信号跟踪过程的精度直接决定接收机定位精度。
　　导航卫星与测距接收机这一系统主要误差来源有:星历误差、钟差、电离层延迟、对流层延迟、系统误差、多路径误差。
　　重点研究了多路径误差的解决办法，在实际应用中，由于多路径误差的随机性非常强，靠建立误差模型修正多路径误差无法实现。因此，在应用中主要从三个方面解决这个问题:一是选择合适的观测站，二是适当延长观测时间，三是选择合适的接收机。通过软硬件结合的办法，对接收机跟踪回路和抗多径环节的改进设计一直是提高接收机精度的主要研究方向。
　　多径现象是指接收机天线除了接收到一个导航卫星发射后经直线传播的电磁信号之外，还可能接收到一个或多个由该电磁波经周围地物反射后的信号的现象。这种由多条路径引起的使导航接收机对信号的测量值产生误差和对信号的跟踪造成困难的影响，称为多路径干扰或者多路径效应。多路径效应是GNSS测量中干扰测量质量的主要原因之一，如果接收到的导航信号是由直射波和多个反射波叠加而成的，那么接收机内部复制的C/A码会同时与直射波和各个反射波做相关运算，使原本只反映直射波相位情况的三角形自相关函数主峰遭到变形、破坏，从而降低了伪距的测量精度，严重时还可导致码相位失锁和卫星信号失踪。
　　目前针对抗多径干扰的方法一般分为两类，一类是通过对相关器或者鉴相器的设计，达到减弱多径干扰的目的，如早期的窄距相关器、双差鉴别器、Vision相关器、脉冲间隙相关器(Pluse Aperature Correlator, PAC)技术等，这类方法的特点是实现简单，但是进一步提高定位精度难度较大。另一类是通过软硬件结合的方法，对多径信号的参量进行估计，进而利用估计结果消除多径干扰，如前后斜率法(Multipath EliminatingTechnology, MET)、多径估计延迟锁定环(Multipath Estimation Delay LockLoop，MEDLL)等，这类方法的实现结果要更优一些，但是增加了硬件配置并且提高了运算复杂度，系统运行的不稳定性随之增加。
　　在软件接收机基础上，提出一种利用小波变换方法抑制多径干扰。利用小波变换作为“数学显微镜”的作用，通过设定多级小波分解运算级数，多径信号中的噪声分量在一定的阈值条件下被逐次从信号中过滤去掉，进而只保留下有用信号。小波分解级数对于多径滤波效果具有显著影响，小波分解级数越高，局部多径信号被放大越多，多径抑制效果就越好;阈值是影响小波分解级数的关键参数，在一定程度上可以决定小波分解级数，阈值越小，多径信号被分解越细致，多径抑制效果越好，但同时也增加了分解级数，增加了运算量。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外信号跟踪和多径抑制研究现状

1．2．1 接收机跟踪环路研究现状

1．2．2 信号跟踪中的多径干扰研究现状

1．3 论文主要研究内容及章节框架

1．4 本章小结

第二章 伪码测距接收机工作原理与多径处理

2．1 信号处理流程及接收机基本构成

2．1．1 接收机信号处理流程

2．1．2 接收机基本构成

2．2 利用伪随机码(PRN)确定位置

2．2．1 确定从卫星到用户的距离

2．2．2 用户位置计算

2．2．3 测距码(C\A码和P码)

2．3 多径干扰原理与多径抑制

2．3．1 多路径干扰原理

2．3．2 多径抑制

2．4 本章小结

第三章 测距接收机跟踪环路的设计及仿真

3．1 信号跟踪原理

3．2 伪码跟踪环的设计

3．2．1 DDLL鉴相算法

3．2．2 环路滤波器

3．2．3 跟踪环路的噪声误差和动态误差

3．2．4 载波辅助

3．3 载波跟踪环的设计

3．3．1 锁频环辅助锁相环设计

3．3．2 二阶相位跟踪环路

3．3．3 三阶相位跟踪环路

3．4 伪码跟踪环路跟踪精度仿真

3．4．1 仿真内容

3．4．2 仿真条件

3．4．3 仿真方法

3．4．4 仿真结果

3．4．5 仿真结论

3．5 载波跟踪环路跟踪精度仿真

3．5．1 仿真内容

3．5．2 仿真条件

3．5．3 仿真方法

3．5．4 仿真结果

3．5．5 仿真结论

3．6 本章小结

第四章 一种新的伪码跟踪环路多径抑制方法

4．1 多径信号模型

4．2 常用基带多径抑制方法

4．2．1 窄距相关法

4．2．2 多径估计延迟锁定环

4．2．3 前后斜率法

4．3 基于小波变换的多径抑制方法

4．3．1 伪码自相关函数分析

4．3．2 基于自适应提升小波变换的信号突变点检测

4．3．3 新的伪码跟踪环路

4．4 仿真分析

4．4．1 曲线斜率突变点检测

4．4．2 伪码跟踪误差的仿真结果比较

4．4．3 实验结论

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文情况

攻读硕士学位期间参加的科研项目