高靈敏GNSS軟件接收機關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著各國競相研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GNSS系統(tǒng)或?qū)σ延蠫NSS系統(tǒng)進行升級，未來GNSS將呈現(xiàn)多星座、多頻段、新擴頻碼調(diào)制等新特性，人們迫切需要能融合各種GNSS系統(tǒng)的接收機以提高定位精度，改善信號的可靠性與完好性。GNSS軟件接收機將“軟件無線電”的概念引入到接收機設(shè)計當(dāng)中，具有使用靈活，易于升級等優(yōu)勢，能降低硬件測試的成本與風(fēng)險，在整合GNSS各頻段衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)和開發(fā)高靈敏、高精度、高動態(tài)等高性能接收機中有著深遠(yuǎn)的意義。室內(nèi)環(huán)境下的

2、衛(wèi)星導(dǎo)航信號存在嚴(yán)重的熱噪聲干擾、信號衰落和退化以及多徑誤差和定位精度的退化，普通型GNSS接收機難以捕獲跟蹤到信號。而室內(nèi)環(huán)境是人類活動的主要環(huán)境之一。研制能夠接收微弱衛(wèi)星信號，以便在室內(nèi)環(huán)境下使用的高靈敏GNSS接收機是非常必要的。
　　 本文對高靈敏GNSS軟件接收機關(guān)鍵技術(shù)開展研究，針對GNSS室內(nèi)應(yīng)用的相關(guān)熱點、難點問題進行研究以尋求解決途徑。分析未來GNSS信號的調(diào)制方式及性能，設(shè)計基于GNSS軟件接收機平臺的微弱衛(wèi)

3、星信號捕獲算法和定位優(yōu)化技術(shù)是本文研究的主要工作。該軟件接收機平臺具有一定的通用性，對于不同系統(tǒng)的衛(wèi)星信號以及不同的應(yīng)用對象，只需相應(yīng)變更少數(shù)元器件和修改部分軟件模塊便可實現(xiàn)。論文的主要工作歸納如下：
　　 (1)對GNSS系統(tǒng)組成、信號調(diào)制及性能分析進行了研究，這對于設(shè)計GNSS信號發(fā)生器及新型基帶信號處理算法等具有理論指導(dǎo)意義。對各國GNSS計劃及未來GNSS的新特性進行了分析和總結(jié)；針對下一代GNSS中將采用的MBOC信號

4、調(diào)制方式，進行Matlab仿真實驗，分別從自相關(guān)函數(shù)、功率譜密度、熱噪聲DLL跟蹤誤差和多徑誤差包絡(luò)等方面，將MBOC(6，1,1/11)與Galileo系統(tǒng)最初擬采用的BOC(1,1)和傳統(tǒng)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中的BPSK(1)信號調(diào)制方式性能進行了對比分析。結(jié)果顯示，MBOC(6，1,1/11)具有更加豐富的高頻分量和更窄的自相關(guān)峰曲線，且熱噪聲DLL跟蹤誤差性能和抗多徑性能均優(yōu)于BOC(1,1)和BPSK(I)調(diào)制。
　　 (2

5、)構(gòu)建了GNSS軟件接收技術(shù)研究平臺，對于開發(fā)高靈敏、高精度和高動態(tài)等高性能GNSS軟件接收機具有重要的研究價值。在深入分析帶通采樣數(shù)字下變頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了GNSS軟件接收技術(shù)研究平臺，設(shè)計開發(fā)了采用一步混頻下變頻方式的GNSS L1/E1射頻前端，該前端采用模塊化的設(shè)計方案，使用靈活，針對不同頻段的信號，只需將部分相關(guān)元器件進行變更即可實現(xiàn)。同時在該軟件接收平臺上對GPS信號捕獲、跟蹤、導(dǎo)航電文提取和定位解算等功能進行了設(shè)計，并

6、通過時域FFT算法進行捕獲，科斯塔斯鎖相環(huán)進行跟蹤，成功實現(xiàn)了1000msGPS信號的數(shù)據(jù)解調(diào)。
　　 (3)研究了基于相位關(guān)系計算的精頻捕獲算法，并對相干積分和非相干積分技術(shù)進行了詳細(xì)分析，對于設(shè)計新型高靈敏度捕獲算法具有參考價值。對基于相位關(guān)系計算的精頻捕獲算法進行了分析并通過實測GPS數(shù)據(jù)進行實驗，驗證了其有效性。針對高靈敏度捕獲問題，從理論上細(xì)致分析了相干積分和非相干積分兩種常用技術(shù)，討論了積分增益與損耗以及檢測概率、檢

7、測門限、虛警概率的關(guān)系并針對目前存在的問題提出了解決途徑。
　　 (4)針對數(shù)據(jù)跳變頻繁的下一代GNSS高靈敏捕獲問題，創(chuàng)新性地提出基于能量的新型高靈敏捕獲算法。分析了衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變對捕獲的負(fù)面影響；創(chuàng)新性地提出基于能量的新型高靈敏捕獲算法，該算法十分適用于數(shù)據(jù)跳變發(fā)生頻繁的下一代GNSS衛(wèi)星信號捕獲，通過Galileo El OS仿真信號進行實驗對該算法的性能進行了分析和驗證。
　　 (5)針對弱信號環(huán)境下GNSS定