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高动态GPS载波跟踪技术研究

向洋  
【摘要】: 随着GPS导航与制导系统在现代战争中越来越广泛的应用,GPS系统在高动态环境下的应用研究日益受到关注。由于在高动态的接收环境下GPS接收机接收信号载频上会产生很大的多普勒频移及其变化率,因此传统的GPS载波跟踪环无法保证可靠的跟踪。针对高动态、低信噪比条件下的载波精跟踪问题,本文进行了深入、系统的研究,取得了一些有益的结果。 论文首先基于直接数字频率合成技术提出了一种能够在数字域内直接合成出动态信号中时变多普勒频率的信号合成方法。该方法通过对数字频率合成器中载波NCO输入频率控制字的有效设计,来实现对动态环境下GPS接收信号载波多普勒频率及其导数的精确模拟。因此,该方法可以为高动态GPS载波跟踪技术的研究提供必要的先验数据。 针对高动态环境下GPS信号接收存在的问题,本文进行了详细的理论分析,并在典型的高动态、低信噪比环境下对传统GPS载波跟踪方法的性能进行了计算机仿真。仿真结果表明,在典型的高动态环境下,传统的相位锁定环和叉积自动频率控制环的失锁门限分别为25.5dB-Hz和24.5dB-Hz,当环路输入信号载噪比取低载噪比的典型值25dB-Hz时,它们的RMS频率跟踪误差分别为60Hz和28.6Hz,这充分说明了传统载波跟踪方法在高动态环境下性能的局限性。针对高动态、低信噪比条件下的载波精跟踪问题,本文提出了四种解决方案。 本文基于交叠DFT算法提出了一种新的自动频率控制环结构设计方案。该方案结合了经典谱估计的思想和传统数字相位锁定环的基础理论,其环路中的交叠DFT频率鉴别器可认为是叉积频率鉴别器在其一次处理信号采样点数增大时的推广。因此,在理论上,该方案的跟踪精度要优于叉积自动频率控制环。计算机仿真结果表明,在典型的高动态环境下,该方案的失锁门限为24dB-Hz,当输入信号载噪比为25dB-Hz时,其RMS频率跟踪误差为7Hz。 由于基于传统锁相环技术的载波跟踪方案中所使用的相位或频率鉴别器和环路滤波器都不是基于最优准则而设计的,因此环路性能受到很大限制。针对该问题,本文基于扩展卡尔曼滤波方法提出了一种准最佳的GPS载波跟踪环结构设计方案。由于该方案是基于近似的线性最小均方误差估计准则而设计的,因此它是一种理论上的准最佳跟踪方案。计算机仿真结果表明,在典型的高动态环境下,该方案的失锁门限为24.5dB-Hz,当输入信号载噪比为25dB-Hz时,其RMS频率跟踪误差为2.4Hz。 针对扩展卡尔曼滤波在对非线性观测模型线性化过程中带来的估计精度降低的问题,本文基于无迹卡尔曼滤波方法提出了一种性能更优的准最佳GPS载波跟踪环结构设计方案。由于该方案在系统状态的递推估计过程中能够利用状态分布的二阶以上矩的知识,因此理论上其性能比基于扩展卡尔曼滤波的载波跟踪方案更优。计算机仿真结果表明,在典型的高动态环境下,该方案的失锁门限为24.5dB-Hz,当输入信号载噪比为25dB-Hz时,其RMS频率跟踪误差为2.2Hz。 文章最后基于最大似然估计和线性卡尔曼滤波方法提出了一种理论上的最佳GPS载波跟踪环结构设计方案。在估计参数的先验分布未知的情况下,最大似然估计提供的参数估计量是具有最小误差方差的;而对于线性系统的状态滤波而言,卡尔曼滤波也是理论上的最佳滤波。因此,将最大似然估计和线性卡尔曼滤波相结合的方案就是理论上的最佳载波跟踪方案,其性能也应该优于上述的两种准最佳方案。计算机仿真结果表明,在典型的高动态环境下,该方案的失锁门限仅为23dB-Hz,当输入信号载噪比为25dB-Hz时,其RMS频率跟踪误差仅为1.1Hz。


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