卫星导航接收机载波捕获与跟踪环路关键技术研究

摘要

随着我国自行研制的北斗卫星导航系统的逐步完善，到2020年，其应用范围正在由亚太覆盖扩展到全球覆盖。卫星导航接收机作为用户应用终端，在军用与民用领域必然拥有良好的发展前景。然而，当前卫星导航接收机面临载波捕获鲁棒性差，捕获精度低，高机动载波环路跟踪性能差，复杂度高等难题。除此之外，国外发达经济体对卫星导航先进技术进行封锁。因此自行研制低复杂度高机动的卫星导航接收机，提高卫星信号捕获与跟踪性能显得尤为重要。　　本文重点研究以下几个方面：　　第一，为了解决卫星导航接收机载波频率捕获精度低的问题，提出了基于迭代快速正交搜索（Iterative Fast Orthogonal Search，IFOS）算法的卫星导航接收机载波频率捕获方法。通过在原始的粗捕获算法后增加细捕获模块，获得一种新型的卫星信号捕获信号处理方式。同时提出了一种高效的循环迭代正交函数计算方法降低了信号处理过程中存储资源。之后，给出了细载波捕获方法的实现结构。最后为了验证真实卫星导航信号接收场景，使用Spirent公司的卫星导航信号模拟器产生仿真信号，并对实验结果进行分析和总结。　　第二，为了解决卫星导航接收机载波跟踪环路中的锁频环和锁相环所采用的鉴别器算法复杂度较高、占用资源多的问题，提出了一种改进的坐标旋转数字计算(Coordinate Rotation Digital Computer, CORDIC)算法的四象限反正切函数的鉴别器算法，从而减少鉴别器所使用的硬件资源。此算法将使用一个四象限反正切函数模块实现鉴频器和鉴相器的功能。在研究了四象限反正切函数实现方式的基础上，本文提出了一种改进的流水线结构CORDIC算法。通过建立CORDIC算法的数学模型，推导出四象限反正切函数的近似计算形式，之后将此结论应用于流水线结构之中，从而将CORDIC算法的相位旋转分为原始的相位旋转与一次相位近似旋转两部分，最后提出了改进的CORDIC算法的四象限反正切函数鉴别器硬件结构图。最后对实验结果进行分析和总结。　　第三，在卫星导航接收机跟踪环路的数控振荡器方面，提出基于旋转相位估计的单向旋转CORDIC算法降低硬件资源的使用量，优化硬件结构。此算法根据旋转CORDIC算法的数学模型，将预旋转角度分为固定角度和可变角度两部分。首先根据角度映射关系进行象限位置的确定，然后，针对固定角度旋转部分，使用单向角度旋转方法进行角度旋转；在可变角度旋转中，保证相位误差在合理范围的条件下，最后使用一次角度估计旋转完成最后一次相位旋转。根据以上实现方式，给出了此算法的硬件结构图，此算法首先利用单向角度旋转进行初始旋转；然后进行传统角度旋转，最后完成一次角度估计旋转过程。最后对实验结果进行分析和总结。　　第四，为了保证高机动载波环路跟踪性能，且降低环路复杂度，提出了两种新型的载波跟踪环路结构。首先，提出了基于高阶多普勒参数检测算法的卫星导航接收机载波环路结构，根据多普勒频移的计算公式，建立多普勒频移的一阶变化率，二阶变化率与鉴频器输出频率误差的关系，从而得出高阶多普勒参数检测算法；然后给出了基于高阶多普勒参数检测的频率锁定环路以及相位锁定环路的组合环路结构；之后，为了验证新型载波环路结构的稳定性能，推导了此闭环结构的传递函数，从而得到环路的稳定条件以及稳态相差与环路参数间的解析式。并且提出了基于无数据辅助变维卡尔曼滤波（ExtendedKalmanFilter, EKF）算法的卫星导航接收机载波环路结构。为了简化环路结构，此载波环路将积分清零滤波器的输出直接作为 EKF的输入，将鉴别器与环路滤波器用一个 EKF取代；除此之外，通过检测卫星导航接收机载体处于机动状态或非机动状态，从而有效跟踪高机动环境下多普勒频移。最后对实验结果进行分析和总结。

目录

声明

博士学位论文创新成果自评表

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2卫星导航接收机信号捕获与跟踪技术研究现状

1.3本论文主要研究内容

第2章 捕获与跟踪环路基本算法

2.1捕获方法

2.2载波跟踪环路的结构分类

2.3本章小结

第3章 基于迭代快速正交搜索算法的卫星导航接收机载波细捕获技术

3.1信号的建立

3.2卫星导航接收机粗捕获与细捕获信号处理流程

3.3基于迭代快速正交搜索算法的载波捕获方法

3.4实验仿真与结果分析

3.5本章小结

第4章 基于改进的坐标旋转数字计算算法的四象限反正切函数鉴别方法

4.1数学模型的建立

4.2 CORDIC算法

4.3基于改进的四象限反正切函数鉴别器硬件结构设计

4.4仿真实验与结果分析

4.5本章小结

第5章 基于相位旋转估计的单向旋转CORDIC算法的改进型数控振荡器

5.1 CORDIC算法的旋转模式

5.2单向旋转CORDIC算法

5.3旋转角度估计CORDIC算法

5.4低复杂度数控振荡器设计

5.5仿真实验与结果分析

5.6本章小结

第6章 高机动低复杂度载波跟踪环路的设计方法

6.1基于高阶多普勒参数检测的跟踪环路设计

6.2变维EKF原理

6.3仿真结果与实验分析

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢