高动态GPS载波跟踪算法研究

摘要

GPS是目前应用最广泛的卫星导航定位系统，随着其在导弹、制导和航空、航天等重要高、精、尖领域的越来越广泛的应用，国内外对高动态GPS接收机的研究也日益倍受关注。由于高动态环境所带来的最大难题就是由高动态所引起的附加在载波上的很大的多普勒频移及其变化率会导致传统的载波跟踪环路失锁，载波跟踪环失锁后又会进一步导致码跟踪环失锁，从而无法获取导航电文。因此研究高动态下的GPS载波跟踪问题是非常重要的。针对该问题本文在前人研究的基础上进行了更深一步的探索，提出了一些新的思路和见解，并取得了一些有益成果。
　　 论文首先介绍了GPS信号，并通过仿真的方法合成了一种典型的高动态GPS信号，为后面的研究奠定基础；然后又介绍GPS数字接收机的工作原理，在该总体框架下详细介绍了GPS跟踪环路的工作原理与实现方法。为了更好地研究基于参数估计器的载波跟踪环路，本文先通过仿真分析比较了四种参数估计算法：扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)、粒子滤波(PF)和无迹粒子滤波(UPF)。在此基础上本文做了如下有意义的研究工作：
　　 1.由于以往研究工作均基于高斯噪声假设，并鉴于实际应用中非高斯噪声干扰更为普遍，因此本文提出了适合高斯和非高斯噪声干扰环境的高动态GPS载波跟踪方法：基于粒子滤波及其改进算法的载波跟踪环。
　　 2.直接在数字域合成了一种典型高动态运动所对应的时变多普勒频率信号，并将该信号与GPS信号叠加，合成仿真所需的高动态GPS信号。
　　 3.分析比较了四种离散非线性参数估计算法，完成其参数估计器的设计，在此基础上实现了基于四种参数估计器的载波跟踪环路。通过仿真实验，验证了这四个载波跟踪环的正确性。
　　 4.比较并分析了上述四种载波跟踪方案在不同噪声干扰及不同信噪比条件下的性能，结果表明本文所提出基于UPF估计器的载波跟踪方案不仅有更高跟踪精度而且有更好动态适应能力。同时该方案适用于高斯噪声干扰环境，也适用于非高斯噪声干扰环境。