GNSS實時矢量跟蹤技術研究.pdf

1、GNSS接收機的基帶處理主要包括兩個環(huán)節(jié):捕獲和跟蹤。這兩者就實質來說分別是統(tǒng)計信號的檢測和估計問題。近年來,矢量跟蹤由于其在弱信號及抗干擾方面的突出優(yōu)點,成為學界和業(yè)界的研究重點和熱點。所謂“矢量”,是指估計濾波器的狀態(tài)變量是元素數(shù)目大于等于2的向量,而對應的“標量”主要指傳統(tǒng)的接收機理論中鎖相環(huán)輸出的只是單一的碼相位或載波相位標量。矢量跟蹤領域目前尚未解決的主要有兩個問題:一、矢量跟蹤性能優(yōu)于標量跟蹤的理論依據(jù);二、矢量跟蹤的實時實

2、現(xiàn)。目前沒有統(tǒng)一的理論解釋第一個問題;至于第二個問題,國內外目前均缺乏相應的報道。因此,本文研究的目標是解決第一個問題,突破第二個問題的理論問題。本文深入研究了接收機靈敏度影響因素,并研究這些算法對接收機定位精度的影響,實現(xiàn)矢量跟蹤在提高接收靈敏度方面的原理和方法。主要研究內容包括：
　?、叛芯拷邮諜C靈敏度影響參數(shù)的一體化確定方法,包括前端帶寬、量化位數(shù)、量化策略、采樣頻率等的作用。著重研究GNSS軟件接收機射頻前端配置(包括采樣

3、頻率、量化、前端帶寬等)對后續(xù)基帶信號處理結果的影響。影響的評估通過建模、理論推導及數(shù)值仿真,將理想情況(無量化、前端帶寬無限大、采樣頻率無限高)和實際應用(不同量化策略、多種有限帶寬、特定采樣頻率)進行對比,將兩種情況下的差值定義為損耗,以損耗值的大小評價當前前端配置的合理性,從而決定接收機的頻率方案(frequency plan)。此外,以L1單頻軟件接收機的實現(xiàn)為支撐,對比模擬值和實際值,檢驗模型的有效性能。
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4、現(xiàn)矢量跟蹤在提高接收靈敏度方面的原理和方法。矢量跟蹤環(huán)以擴展卡爾曼濾波為工具,用一個大環(huán)路代替原來的兩步估計方案。傳統(tǒng)的接收機的兩步估計方法是指:第一步,用碼跟蹤環(huán)完成本地碼與接收信號偽隨機碼的精確對準,以此估計偽距(pseudorange),第二步,用擴展卡爾曼濾波器以偽距為輸入值估計出接收機天線相位中心的狀態(tài)量(如最基本的四狀態(tài)量:天線中心的三維坐標以及接收機鐘差;抑或是常用的八狀態(tài)量:三維坐標、三維速度、接收機鐘差以及接收機鐘漂)

5、。矢量跟蹤環(huán)用一個大環(huán)路代替?zhèn)鹘y(tǒng)接收機中的這兩個小環(huán)路,一步算出天線相位中心的狀態(tài)。因此,如何列寫卡爾曼方程的狀態(tài)方程和觀測方程,是本部分需要解決的第一個問題。當然,純粹的卡爾曼濾波方程不能解決問題,因為計算量過于龐大了,目前通行的方法是用聯(lián)合卡爾曼濾波結構實現(xiàn)實時矢量環(huán)接收機,本文描述的矢量環(huán)接收機研制也將如此進行。
　?、峭瓿缮鲜鼋邮諜C的L1 GPS/Galileo實時和后處理樣機各一臺。創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①完整研

6、究GNSS接收機前端設計所有因素(最后一級帶寬、量化策略、采樣頻率等)對接收機靈敏度的影響。目前,Christopher Hegarty對最后一級帶寬、量化策略以及采樣頻率對接收機 implementation loss的聯(lián)合作用提出理論預測公式。由于該公式囊括了incommensurate sampling以及任意整數(shù)位量化的作用,因此它是該領域內目前考慮最為完善的結果。但該方法尚缺對任意位數(shù)(包括非整數(shù)位數(shù))量化作用的影響。而這就是

7、本文對該領域的創(chuàng)新貢獻。本文最終將形成一個通用的性能預測公式,這對用于接收GNSS新信號的接收機前端設計具有決定性的指導意義。②指出John Betz關于接收機DLL誤差方差公式的錯誤,提出修正公式,即:若將未經(jīng)平滑的DLL的TOA估計值的方差記為σ2u,則經(jīng)過平滑的TOA估計值的方差(記為σ2s)可以用下式表達:事實上,后式比前式多出來的那一項因子(1-0.5BLT)是個推導過程中的失誤造成的。在[10]中,用了一個零階保持電路[62