高靈敏GNSS軟件接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著各國(guó)競(jìng)相研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GNSS系統(tǒng)或?qū)σ延蠫NSS系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，未來GNSS將呈現(xiàn)多星座、多頻段、新擴(kuò)頻碼調(diào)制等新特性，人們迫切需要能融合各種GNSS系統(tǒng)的接收機(jī)以提高定位精度，改善信號(hào)的可靠性與完好性。GNSS軟件接收機(jī)將“軟件無線電”的概念引入到接收機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，具有使用靈活，易于升級(jí)等優(yōu)勢(shì)，能降低硬件測(cè)試的成本與風(fēng)險(xiǎn)，在整合GNSS各頻段衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)和開發(fā)高靈敏、高精度、高動(dòng)態(tài)等高性能接收機(jī)中有著深遠(yuǎn)的意義。室內(nèi)環(huán)境下的

2、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)存在嚴(yán)重的熱噪聲干擾、信號(hào)衰落和退化以及多徑誤差和定位精度的退化，普通型GNSS接收機(jī)難以捕獲跟蹤到信號(hào)。而室內(nèi)環(huán)境是人類活動(dòng)的主要環(huán)境之一。研制能夠接收微弱衛(wèi)星信號(hào)，以便在室內(nèi)環(huán)境下使用的高靈敏GNSS接收機(jī)是非常必要的。
　　 本文對(duì)高靈敏GNSS軟件接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開展研究，針對(duì)GNSS室內(nèi)應(yīng)用的相關(guān)熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行研究以尋求解決途徑。分析未來GNSS信號(hào)的調(diào)制方式及性能，設(shè)計(jì)基于GNSS軟件接收機(jī)平臺(tái)的微弱衛(wèi)

3、星信號(hào)捕獲算法和定位優(yōu)化技術(shù)是本文研究的主要工作。該軟件接收機(jī)平臺(tái)具有一定的通用性，對(duì)于不同系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)以及不同的應(yīng)用對(duì)象，只需相應(yīng)變更少數(shù)元器件和修改部分軟件模塊便可實(shí)現(xiàn)。論文的主要工作歸納如下：
　　 (1)對(duì)GNSS系統(tǒng)組成、信號(hào)調(diào)制及性能分析進(jìn)行了研究，這對(duì)于設(shè)計(jì)GNSS信號(hào)發(fā)生器及新型基帶信號(hào)處理算法等具有理論指導(dǎo)意義。對(duì)各國(guó)GNSS計(jì)劃及未來GNSS的新特性進(jìn)行了分析和總結(jié)；針對(duì)下一代GNSS中將采用的MBOC信號(hào)

4、調(diào)制方式，進(jìn)行Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，分別從自相關(guān)函數(shù)、功率譜密度、熱噪聲DLL跟蹤誤差和多徑誤差包絡(luò)等方面，將MBOC(6，1,1/11)與Galileo系統(tǒng)最初擬采用的BOC(1,1)和傳統(tǒng)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中的BPSK(1)信號(hào)調(diào)制方式性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示，MBOC(6，1,1/11)具有更加豐富的高頻分量和更窄的自相關(guān)峰曲線，且熱噪聲DLL跟蹤誤差性能和抗多徑性能均優(yōu)于BOC(1,1)和BPSK(I)調(diào)制。
　　 (2

5、)構(gòu)建了GNSS軟件接收技術(shù)研究平臺(tái)，對(duì)于開發(fā)高靈敏、高精度和高動(dòng)態(tài)等高性能GNSS軟件接收機(jī)具有重要的研究?jī)r(jià)值。在深入分析帶通采樣數(shù)字下變頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了GNSS軟件接收技術(shù)研究平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了采用一步混頻下變頻方式的GNSS L1/E1射頻前端，該前端采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，使用靈活，針對(duì)不同頻段的信號(hào)，只需將部分相關(guān)元器件進(jìn)行變更即可實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在該軟件接收平臺(tái)上對(duì)GPS信號(hào)捕獲、跟蹤、導(dǎo)航電文提取和定位解算等功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并

6、通過時(shí)域FFT算法進(jìn)行捕獲，科斯塔斯鎖相環(huán)進(jìn)行跟蹤，成功實(shí)現(xiàn)了1000msGPS信號(hào)的數(shù)據(jù)解調(diào)。
　　 (3)研究了基于相位關(guān)系計(jì)算的精頻捕獲算法，并對(duì)相干積分和非相干積分技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)于設(shè)計(jì)新型高靈敏度捕獲算法具有參考價(jià)值。對(duì)基于相位關(guān)系計(jì)算的精頻捕獲算法進(jìn)行了分析并通過實(shí)測(cè)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其有效性。針對(duì)高靈敏度捕獲問題，從理論上細(xì)致分析了相干積分和非相干積分兩種常用技術(shù)，討論了積分增益與損耗以及檢測(cè)概率、檢

7、測(cè)門限、虛警概率的關(guān)系并針對(duì)目前存在的問題提出了解決途徑。
　　 (4)針對(duì)數(shù)據(jù)跳變頻繁的下一代GNSS高靈敏捕獲問題，創(chuàng)新性地提出基于能量的新型高靈敏捕獲算法。分析了衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變對(duì)捕獲的負(fù)面影響；創(chuàng)新性地提出基于能量的新型高靈敏捕獲算法，該算法十分適用于數(shù)據(jù)跳變發(fā)生頻繁的下一代GNSS衛(wèi)星信號(hào)捕獲，通過Galileo El OS仿真信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)該算法的性能進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。
　　 (5)針對(duì)弱信號(hào)環(huán)境下GNSS定