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抗差自适应GPS软件接收机的关键技术研究

苗剑峰  
【摘要】:GPS软件接收机以其内部结构开放性以及可编程的优点,使得用户仅需通过开发高性能的内部核心程序模块即可实现接收机的更新换代,从而改善系统的整体性能。软件接收机技术已经成为卫星定位系统现代化进程的重要组成部分。一方面,通过对GPS软件接收机的研究,能够充分了解并掌握接收机核心技术,为推动北斗二代全球定位系统以及惯性/卫星深组合系统的自主研发奠定一定的基础。另一方面,在建筑密度较高,信号接收环境复杂的区域,GPS接收机的稳定性和连续性受到严重限制。因此,深入研究接收机内部结构,开发新型的核心算法,以改善其鲁棒性以及定位精度成为迫切需要解决的问题。 本文主要对GPS软件接收机的核心算法进行研究,对实现GPS软件接收机在特定环境中的应用提出一些新的方案。全文将理论研究与工程应用紧密结合,取得了满意的成果,对推广GPS接收机在复杂信号接收环境下的工程应用具有重要的参考意义。 本文首先分析研究了多观测量GPS软件接收机的实现过程,基于正常载噪比信号的并行码空间捕获算法以及二阶环路的载波、C/A码跟踪通用解决方案。研究设计了软件接收机的整体结构和实现研究方案。 接着,论文针对GPS弱信号捕获,研究了相干/非相干积分相结合的改进型块数据捕获算法。该算法分析了不同时长相干积分的频率搜索栅格配置,并提出一种易于工程实现的平方损耗补偿方法。以GPS基站辅助信息为基础,本文还提出一种导航数据位同步弱信号捕获算法,该方法采用基站辅助信息缩小载波频率的搜索范围。通过位同步技术消除信号中的导航数据位,采用长时间序列的相干积分代替非相干积分实现对弱信号的有效捕获。 在GPS信号跟踪方面,本文对经典二阶锁相环的噪声进行了系统性建模分析。仿真实验表明,由于有色噪声的存在,二阶锁相环很难通过减小噪声带宽实现对信号的精确跟踪,信号跟踪环路的窄带性能受到制约。 针对传统二阶环路存在的问题,本文研究了基于Kalman滤波器的载波、C/A码新型跟踪环路结构。文中分析了载波观测方程的线性化方案。通过解耦系统噪声,设计了载波跟踪环路的Kalman滤波器。为了提高整个载波、C/A码的闭环跟踪精度,文章分析了基于状态反馈的载波数控振荡器改进模型和C/A码多通道并行相关状态反馈模型。本文采用实测信号对该新型跟踪环路的有效性进行了验证。 最后,本文针对在香港楼宇集群环境中GPS应用存在的现实问题,提出了一种抗差自适应GPS软件接收机方案。通过引入等价权矩阵和自适应控制因子,实时调整观测量和系统状态量在Kalman最优估值中的权重比,本文实现了在特定环境下对GPS信号的精确跟踪。本文通过分别与传统二阶环路和基于Kalman滤波器的GPS软件接收机对比,验证了抗差自适应GPS软件接收机的有效性。 本文的研究工作,对于卫星定位系统接收机核心技术的进一步深入研究,及其在复杂环境下的工程应用具有重要的推进作用。


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