北斗反射信号软件接收机的研究

摘要

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）能为用户提供定位、导航和精确授时功能，除此之外还提供了高稳定的电磁辐射信号。基于全球导航卫星系统反射信号的GNSS-R（GNSS-Reflection）技术具有成本低、覆盖宽、全天候、全天时等特点，成为了一个全世界研究的新焦点，可广泛应用于海面风场反演、海面高度测量、海面有效波高测量、土壤湿度测量、海冰测量和目标成像等多个领域。GNSS-R技术的迅速发展和应用领域的不断扩展对GNSS反射信号接收处理方法和相关的接收处理设备提出了新的需求。基于此背景，本文从海面风场测量、海面高度测量和有效波高测量三种典型应用出发，分析了参数反演的基本原理、信号处理需求及相应的信号参数提取方法，并给出了可面向多种应用的GNSS反射信号接收处理平台的设计方案。本文对GNSS（Global Navigation Satellite System）反射信号软件接收机和硬件接收机进行了对比分析，给出了北斗反射信号软件接收机的结构及模块，包括接收直射和反射信号的天线、四通道射频前端、采样量化变换器和数据处理工作站，并对原始信号接收、数据处理原理进行介绍。重点介绍了北斗软件接收机信号处理系统的实现方法及信号处理流程，给出了捕获及跟踪两大主要模块的详细流程图及处理方法。最后进行了海面测高的岸基试验，通过与实际海面高度的对比验证了软件接收机系统的实用性。
　　传统的数据处理工作站中央处理器（CPU）上串行实现北斗导航卫星反射信号捕获算法相当消耗资源和时间，为了改善这一劣势，提高导航卫星的捕获速度，利用图形处理器（GPU）的特点设计两种并行捕获算法，并加以实验验证，GPU具有强并行处理能力的。利用GPGPU的通用计算方案，结合并行码相位搜索捕获算法，通过对北斗导航卫星星座中各个卫星的强信号进行多通道、多频点的并行捕获；同时使用非相关积分法对弱信号进行捕获，对单颗北斗导航卫星多时段、多频点的并行搜索后，得到的有效卫星再使用串行处理来完成并行捕获。实验中，利用GPU并行捕获算法的比普通串行捕获算法的运算效率提高了近十倍。1毫秒相关积分捕获的数据进行并行码相位搜索捕获时，其GPU加速效率最大，但由于噪声的干扰，可能会产生有未捕获导航卫星信号的情况；对10毫秒的数据进行非相关积分捕获时，因为加强了信噪比，即使北斗卫星导航信号较弱，也可以快速准确捕获。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 引 言

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 本文研究任务

1.4 论文结构

第二章 北斗反射信号软件接收原理

2.1 北斗卫星系统概述

2.2 北斗卫星信号

2.3 北斗反射信号软件接收原理

第三章 北斗卫星反射信号软件接收机的设计和实现

3.1 通用GNSS软件接收机中信号捕获处理相关算法

3.2 北斗软件接收机的实现

3.3 小结

第四章 基于GPU的北斗信号并行捕获

4.1 GPU背景和并行计算工作原理

4.2 基于GPU的并行捕获算法

4.3 仿真验证与结果分析

第五章 北斗反射信号软件接收机应用分析

5.1 实验描述

5.2 实验结果分析

5.3 基于GPU的性能分析

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

一、研究生期间取得的科研成果

二、研究生期间参与的科研项目

致谢