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自校正GPS单体伪卫星技术研究及其系统设计

吴桐  
【摘要】:目前全球卫星导航系统已经在很多场景中得到了应用,但是卫星导航系统也有它的局限性。当用户接收机当前位置处在半遮挡地点或者全遮挡环境时,GNSS定位效果变差甚至不能正常使用。因此使用伪卫星进行定位的研究随即出现。利用伪卫星进行协同定位,改善GNSS定位卫星星座的几何分布,进而提高用户导航服务的连续性和可靠性以及提高定位精度,实现对GNSS的增强效果;甚至在GNSS卫星信号无法到达覆盖的区域,使用含有4颗及其以上的伪卫星定位系统即可独立提供导航定位服务,从而完善了GNSS的应用覆盖范围。此外,较高功率伪卫星也可用于在射频干扰环境中提供定位服务,具有相当的军事价值。因此,伪卫星技术具有及其重要的应用研究价值。伪卫星实际上就是模拟真实卫星发射模拟卫星定位信号的地基设备。当伪卫星的信号体制与真实卫星完全一致时,其发射的信号就会被通用接收机同步并用于定位,这种情况下兼容性优势最为显著不需要对接收机进行特定的修改。但是伪卫星由于其成本较低等局限性,其性能一般例如信号的稳定性要低于真实的卫星,因此提高伪卫星信号的稳定性是非常关键的问题。针对以上存在的问题,本文设计了一个自校正GPS无感知伪卫星,该伪卫星具有两个特点:第一,发射端为无感知类型,即GPS伪卫星的导航电文与GPS卫星的导航电文完全相同。第二,GPS伪卫星加入了接收端用于接收自己的信号并分析,使得每一个伪卫星单体构成自校正系统,实时动态校正发射端基带信号的频率保证信号稳定性。本文主要的研究内容与结果如下:第一,设计一个无感知的GPS伪卫星发射机。重点研究了导航电文的反推算法使得GPS伪卫星发射的信号与真实GPS卫星完全一样。并且通过商用接收机验证GPS伪卫星发射的信号可以被稳定跟踪并解算出导航电文。第二,分析伪卫星发射的信号存在的问题。在GPS接收机基础之上引入信号评估参数评估信号质量。然后利用中频采集器和软件接收机分析GPS伪卫星信号存在信号频率不稳定的问题。最后介绍GPS接收机的FPGA实现并且验证设计的FPGA接收机可以稳定地跟踪GPS信号。第三,设计一个伪卫星自校正的结构用于提高信号的稳定性。GPS伪卫星在发射端基础之上增加一个接收端,将GPS伪卫星的发射端和接收端结合构成负反馈回路。使用PID校正提高系统抵抗外界噪声的能力并通过参数根轨迹方法确定PID校正的参数。通过仿真发现自校正伪卫星的确可以提高GPS伪卫星信号的稳定性。最后,在硬件实验平台上实现自校正GPS伪卫星并上电测试,经长时间运行后发现该伪卫星仍然能够保持信号的稳定性,其中载波频率稳定性提升10%左右,验证了本文提出方法的可行性。


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