星载双频软件GPS接收机研究

【摘要】：2002 年12 月30 日,921 一期神舟四号飞船发射成功后,对飞船轨道进行了四次单频GPS、SLR 和USB 联合观测。定轨径向精度优于2 米,满足预定任务指标要求。921 二期飞船综合精密定轨项目对定轨的精度提出了更高的要求。单频GPS 接收机无法直接进行电离层传播时延观测,电离层传播时延改正方法又不足以满足定轨的精度要求,所以必须开展星载双频GPS 接收机的研究。 本文主要研究面向星载用户的高性能双频GPS 接收机的解决方案和具体实现。在目前的条件下,考虑和北斗等其他导航系统的兼容,研究出适合于航天器使用的高精度双频GPS 接收机。要求接收机可以工作于高动态、弱信号的环境下,实现GPS 的C/A 码伪距、L1 载波相位、L2 载波相位以及电离层时延的跟踪输出,为后续的应用提供基础。 本文首先研究基于软件无线电的通用导航接收机的体系结构。基于软件无线电的通用导航接收机,采用宽频天线等通用的硬件平台,通过加载不同的应用程序实现不同的功能,解决现有的几种卫星导航系统融合问题,兼容包括北斗导航系统、俄罗斯的GLONASS 导航系统欧洲的伽俐略导航系统等卫星导航系统。基于软件无线电的通用导航接收机有着传统接收机所没有的众多优点。由于软件接收机数据存储的特点,接收机可以实现非常复杂的算法,从而在精度、抗干扰、弱信号处理等方面有着极大的优势。 本文接着研究了基于软件无线电技术的接收机的信号捕获和跟踪算法。此算法充分考虑了星载接收机多普勒频移大、换星快、掩星条件下信号弱、电离层传播时延变化范围大的特点,可以很好地适应星载高动态的工作环境。 本文还研究了GPS 的L2 波段载波跟踪算法。由于AS 技术的影响,通常的途径无法实现GPS 的L2 波段跟踪。本文通过对AS 技术的进一步深入研究,获得了W 码的时序特性。把对GPS 系统L2 频段信号传统的无码跟踪转变为在P 码辅助下的半无码跟踪。这从根本上改变了L2 载波跟踪的方法,相对于平方、交叉等跟踪方法,大幅度地提高了跟踪的信噪比。在此基础上,本文设计了全新的基于贝叶斯滤波器的动态跟踪模型。这个模型是基于概率意义上的最优化滤波模型,可以在高动态和强干扰的条件下工作,可以最大程度克服由于模型误差和模型的非线性性带来的收敛性等问题,同时也进一步地提高了跟踪的信噪比。测试的结果表明,本文提出的跟踪算法在AS 技术条件可以获得和授权用户基本一致的跟踪性能。 本文研究的星载双频软件GPS 接收机完全自主开发,是921 二期精密定轨、GPS 无线电大气掩星探测等的技术基础,有着广阔的应用前景,也为下一步高性能航天应用导航接收机的开发打下了良好的基础。