GPS软件接收机微弱信号捕获跟踪算法研究
Study on the Algorithm for Weak Signal Acquisition and Tracking in GPS Software Receiver
以GPS为代表的卫星导航产业已经成为全球发展最快的信息产业之一.日益广泛的应用对GPS接收机提出了更高的要求,需要其在室内、高楼林立的城市地区和森林等强衰减环境下也能发挥功能.在强衰减环境下,所接收到的卫星信号变得非常微弱,常规的GPS接收机难于捕获或跟踪到信号,这就需要开发出适合于微弱信号的GPS接收机技术.基于软件无线电技术的GPS软件接收机具有非常强的灵活性、经济性和通用性,已经成为接收机设计与仿真、实验测试与算法验证的重要研发平台.本文针对GPS软件接收机中微弱信号的捕获和跟踪算法进行研究,主要的研究内容和结论如下:1.介绍了GPS信号的扩频调制方式及其特点,重点研究了C/A码的相关特性,这是接收机捕获算法的重要基础;研究了GPS中频信号的数学模型以仿真生成中频数字信号,为算法研究提供属性可控、结果可以预见的仿真数据;分析了多普勒效应对GPS信号中的载波频率和伪码的影响.2.研究了GPS信号捕获的基本原理以及传统的串行捕获法和软件接收机中常用的基于循环相关的并行码相位捕获法,给出了捕获判决门限的确定方法;分析了预检测积分时间和频率搜索间隔对捕获算法的影响;在此基础上,重点比较了微弱信号捕获中常用的三种算法:相干积分、非相干积分和差分相干积分,结果显示差分相干积分可以得到较好的捕获效果,并且运算量较小,是一种较优的微弱信号捕获算法;为了进一步改善捕获的信噪比,将相干积分结合到差分相干积分捕获中,提出了差分相干积分结合相干积分的捕获算法,仿真实验表明,该算法在800ms的数据长度内可以捕获信噪比到低至23dB-Hz的信号.3.针对初始捕获后获得的载波频率精度不高,不能满足跟踪模块需求的问题,采用相位法和DFT实现了载波频率的精化,将捕获的载波频率分辨率提高到了几个赫兹;研究了在捕获模块中获得数据中导航数据位起始位置的方法,以便在跟踪模块中采用长数据来实现对微弱信号的跟踪.4.在分析了GPS信号解调原理的基础上,研究了传统跟踪环路中载波跟踪环和伪码跟踪环的原理与实现方法;针对环路跟踪状态判断问题,分析了跟踪环路锁定检测器;重点研究了适用于微弱信号的卡尔曼滤波跟踪算法,建立了载波跟踪中的状态方程和量测方程以及伪码跟踪中的状态方程和量测方程,将传统的跟踪环路全部由卡尔曼滤波来实现;然后采用实测数据验证了卡尔曼滤波跟踪算法的有效性,并用仿真数据测试了该算法的跟踪性能;实验结果表明,采用20ms的跟踪数据长度,传统跟踪环路最低只能跟踪到28dB-Hz的信号,而卡尔曼滤波跟踪算法最低能够跟踪到24dB-Hz的信号,比传统跟踪环路低4dB.
- 作者：
- 曾晓飞
- 学位授予单位：
- 解放军信息工程大学
- 专业名称：
- 导航、制导与控制
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2010年
- 导师姓名：
- 孙付平
- 中图分类号：
- P228.4
- 关键词：
- GPS软件接收机；微弱信号；捕获；跟踪；卡尔曼滤波
- GPS software receiver；weak signal；acquisition；tracking；kalman filter