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高动态GPS信号模拟和处理研究

朱江华  
【摘要】:全球定位系统(GPS)已经被广泛地应用。在高动态情况下,GPS接收机和卫星之间的高速相对运动将在信号载频上引起很大的多普勒频移及变化率,从而使应用于普通环境下的传统GPS捕获和跟踪方法不再适用。本文以高动态环境下的GPS导航定位系统为研究对象,重点分析其信号特点以及处理方法,为进一步扩展GPS导航在高动态环境下的应用提供理论支撑。 论文首先简要综述了GPS接收机的发展及捕获跟踪算法的研究现状;其次介绍了GPS信号及信号的捕获跟踪原理,并分析了高动态下信号的特点。分析结果表明,高动态下由于载波存在很大的多普勒频移,造成频率搜索范围扩大,相关运算的次数大大增加;同时,多普勒频移引起跟踪环节的环路失锁,最终导致无法解调出航数据,载体的位置也无法得到。 为了进行高动态环境下的GPS信号处理方法研究,本文设计了高动态GPS中频信号仿真软件,可模拟各种高动态载体运动状态下且载噪比可调的GPS中频信号。论文在详细介绍GPS系统原理及信号结构和特点的基础上,分析载体的高动态运动对GPS信号的影响,得出高动态环境下的GPS中频信号模型,该模型包含了多普勒频移、C/A码、噪声等诸多参数。进一步根据采集到的真实GPS星历和设定的载体运动模型计算得出相应参数,结合中频信号数学模型即可得到GPS中频信号数据。 基于模拟的高动态中频信号,研究了高动态下的GPS信号捕获与跟踪算法。通过仿真分析,发现捕获参数中的数据长度、搜索步长和频率搜索空间等对捕获性能影响较大。为此,提出了INS辅助FFT捕获方法,仿真结果表明,该方法与一般FFT捕获以及时域串行搜索比较,捕获的速度更快,精度更优。 根据捕获的初始相位和载波频率进一步进行GPS信号跟踪。在分析了信号跟踪环路理论的基础上,完成二阶和三阶载波跟踪环路的软件设计。考虑高动态因素的影响,提出INS辅助载波跟踪环路的方法,仿真结果表明,该方法灵敏性高,摄入噪声小。最后通过分析噪声带宽的和多普勒频移之间的关系,设计出变带宽的跟踪环路,实验证明能明显提高跟踪效果。 论文对高动态下的GPS中频信号分析模拟、基于INS辅助的捕获跟踪算法进行了研究,并得到了初步结果。为进一步开发高动态GPS接收机及进行高动态下的GPS/SINS超紧耦合系统奠定了初步基础。


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