强衰落GPS信号模型分析及捕获技术研究

摘要

GPS信号的成功捕获是GPS定位和导航的最基本任务。随着GPS接收机使用范围和应用领域的扩大，在一些特殊的应用环境下（室内、城市街道、森林、峡谷等），由于人造建筑和自然景物对GPS信号造成的阻挡和多径效应等因素，GPS信号会发生很强的衰落，这给GPS信号的捕获带来极大的挑战。在发生了信号强衰落的环境下，传统的GPS信号捕获方法很难完成对GPS信号的捕获。因此，非常有必要研究新的理论与方法，提高在信号严重衰落的环境下的GPS信号捕获性能。
　　本文以强衰落的 GPS信号捕获为研究对象，重点针对“弱信号环境下的 GPS接收机自适应结构”、“基于循环谱的GPS信号检测方法”、“乘性噪声对GPS信号检测的影响”、“GPS信号捕获中的远近效应及其解决方法”等关键技术开展了较为系统、深入的研究，主要工作和主要贡献总结如下：
　　(1)研究了基于信号块处理的自适应GPS信号捕获结构。在分析了相应的GPS信号检测统计量的基础之上，推导了基于不同检测统计量的检测概率和虚警概率的解析式。进一步，提出了自适应GPS信号检测器结构，将双门限结构应用于GPS信号检测，提高了GPS接收机检测性能的稳定性，缩短了GPS信号的平均捕获时间。
　　(2)分析了GPS信号的循环平稳特性，提出了基于循环平稳统计量的GPS信号伪随机码初始相位估计方法和多普勒载频估计方法，提高了GPS信号在强噪声和强干扰环境下的捕获性能。
　　(3)研究了GPS信号在传播路径中所遇到的不同类型噪声，并且针对乘性噪声和加性高斯噪声共同作用下的GPS信号，提出了相应的检测方法，增强了在发生严重多径环境下的GPS信号检测性能。
　　(4)针对GPS信号捕获中不同类型的远近效应，提出了先去强GPS信号，再捕获弱GPS信号的捕获方法，消除了由GPS信号强度差异带来的远近效应；通过部分相关方法减轻了由多普勒频移差异产生的远近效应；提出了基于循环谱的多径分集技术，减轻了由多径效应强度的不同所产生的远近效应。
　　(5)将分裂基FFT和CORDIC技术相结合，应用于GPS接收机。仿真结果表明，联合使用分裂基FFT和CORDIC技术能够降低GPS接收机的硬件资源开销，提高GPS信号处理速度；研究了将SAW器件应用于GPS接收机的技术。分析了SAW卷积器在弱GPS信号捕获，以及在高动态下捕获GPS信号的优势。
　　综上所述，本文立足于国内外微弱GPS信号捕获技术的研究现状，基于多种信号处理方法，系统地研究了如何进一步地提高微弱GPS信号的捕获性能。下一步，希望能够把本文提出的理论算法应用到下一代的全球卫星定位导航系统（GPS III，GLONASS，GALILEO以及 COMPASS）的信号处理中，进一步拓展本文中算法的应用领域和应用范围。

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常用缩略表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3强衰落GPS信号模型分析及捕获技术研究现状

1.4本文的研究内容

第二章 基于信号块处理技术的微弱GPS信号捕获

2.1固定门限的弱GPS信号捕获

2.2 GPS信号自适应块处理结构

2.3基于差分累积量的GPS信号检测及归一化差分检测结构

2.4双门限GPS信号自适应检测

2.5小结

第三章 基于循环平稳统计量的微弱GPS信号检测器结构

3.1 GPS信号的循环平稳特性

3.2基于循环平稳统计量的弱GPS信号捕获

3.3基于循环谱相关的GPS信号检测实现框图

3.4小结

第四章 乘性噪声及远近效应下GPS信号捕获研究

4.1乘性噪声下的弱GPS信号捕获

4.2远近效应下的弱GPS信号捕获

4.3小结

第五章 GPS接收机硬件实现改进

5.1 GPS接收机硬件开销和运算量的优化

5.2基于分裂基FFT的GPS信号捕获

5.3基于CORDIC技术的GPS信号捕获

5.4基于SAW器件的GPS信号捕获

5.5小结

第六章 总结

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果