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高动态条件下伪码相关特性及其应用研究

李春霞  
【摘要】: 载体高动态运动条件下,卫星导航接收机接收信号与本地信号之间不但存在载波频偏,还存在伪码频偏。现有研究多针对载波频偏,伪码频偏的影响缺乏系统的理论研究,高动态接收机的设计效率和设计性能均存在较大提升空间。载体静止条件下,卫星运动对精度要求优于0.5ns的高精度定轨/测量型接收机伪距测量精度的影响也不可忽略。基于这两大背景,本文理论与实际相结合,着重研究伪码频偏的影响,内容分为四大部分: 第一部分研究动态条件下的伪码信号相关函数。动态条件下码率偏移使伪码相关函数发生动态效应。现有研究仅限于一阶动态即码率偏移恒定的情形,且相关积分长度内码率偏移引起的相对相位滑动不超过1码元。方法上多采用数值计算,仅Unjieng Cheng采用逐码元求和法推导了相关函数及其均值的表达式。 本文首先将逐码元求和法推广到积分时间任意长和二阶动态即码率偏移变化率恒定的情形,推导并仿真验证了伪码相关函数及其均值、方差的表达式,并给出了方差上限。逐码元求和法结果准确,但表达式繁琐,不利于高动态伪码相关函数特点分析与实际应用。为此,本文提出了平稳随机过程积分法,推导并仿真验证了一阶、二阶动态条件下任意长积分时间伪码相关函数及其均值表达式;分析了一阶、二阶动态伪码相关函数特点,结果表明,动态条件下伪码相关函数不再是三角形,发生了主瓣展宽、峰值移位和损耗三种动态效应,二阶动态条件下伪码相关函数还失去了对称性;基于相关峰损耗表达式的二阶动态与一阶动态比较研究得出结论:二阶动态因素码率偏移变化率可引起dB量级的相关峰损耗或增益,并给出了二阶动态简化为一阶动态的判决条件和方法。与逐码元求和法相比,平稳随机过程积分法所得表达式更为简单、实用,当伪随机序列周期L1时具有相当高的精度。 第二部分研究高动态对扩频信号捕获的影响。目前研究多集中于载波频偏对捕获的影响,对伪码频偏影响的分析甚少,同时考虑载波和伪码频偏的理论研究尚未见诸文献。本文基于平稳随机过程积分法推导了同时存在恒定载波和伪码频偏条件下的伪码相关输出和载波-伪码多普勒联合损耗表达式,研究表明忽略伪码频偏导致的信噪比计算误差可达dB甚至10dB量级;在此基础上优化设计了常见的“分段相关.视频积累”伪码捕获系统的中频积累时间,与忽略伪码频偏仅考虑载波频偏的比较研究表明,忽略伪码频偏引起的优化设计性能损耗甚微,因此可仅基于载波频偏优化设计。 第三部分研究动态条件下伪码捕获和跟踪阶段的伪码相位测量方法。基于动态条件下的伪码相关函数表达式,研究了捕获和跟踪阶段的一阶、二阶动态伪码相位测量方法及误差,提出了两种动态条件下伪码捕获相位测量方法和两种一阶动态、三种二阶动态伪码跟踪相位测量方法。其中伪码捕获相位测量方法可基本消除常规方法10ns甚至100ns量级的相位测量误差,降低跟踪电路的负担;伪码跟踪相位测量方法可基本消除常规方法0.001m~1m量级的一阶、二阶动态伪距测量误差,提高伪距测量精度。 第四部分研究高动态定位解算中的滞后效应。指出发射机运动条件下观测伪距对发射机运动状态的反映存在滞后效应。在倒GPS遥外测综合测量系统中,观测伪距的动态滞后效应可导致m级的定位误差,其校正方法是统一各测站观测伪距的发射时间。 本文研究成果为高动态条件下扩频信号同步的分析与设计提供了理论依据,为高精度伪码测距以及如何避免主动定位系统动态滞后误差提供了方法上的指导。


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