GPS信号捕获、跟踪算法研究

论文摘要

近年来,GPS(全球卫星定位系统)已经不仅仅应用于军事,测绘,船舶航空等专业领域,也开始进入人民大众的日常生活。不同的使用环境中,对GPS接收机性能的要求也存在差异。总的来说,只有定位精确,使用方便,低成本的产品才能在民用市场中立足,所以越来越多的人开始GPS接收机的相关研究。GPS接收机中包含RF前端、信号捕获、信号跟踪、比特同步、子帧同步和导航解算等模块。在GPS接收相关技术中,GPS基带信号的捕获与跟踪均为其核心技术。信号捕获和跟踪技术的速度、灵敏度直接决定了GPS接收机的性能。日益复杂的城市环境使GPS信号衰减严重,为了保证GPS接收机能处理微弱的信号,必须研究更加简单高效的信号捕获和跟踪技术。本文从GPS信号的仿真实现开始,对GPS信号的捕获和跟踪等各个阶段的各类现有算法进行了深入的分析评估。在GPS信号的产生阶段,使用了基于NCO设计与查表法两种GPS信号产生算法,并且以此作为参考,展开捕获跟踪各算法的研究。在GPS信号的捕获阶段,分别介绍并且仿真实现了现有的主流捕获算法,包括两种时域捕获算法和一种频域捕获算法。对其进行性能比较评估后,提出了一种新的相干与非相干积分相结合的适用于微弱信号的捕获算法。在GPS信号的跟踪阶段,同样对现有的算法进行了讨论分析,并且提出了一种适用于高速状态下的跟踪算法。本文所提出算法均进行了实际性能仿真,仿真结果表明,相干/非相干积分结合捕获算法与现有算法相比,捕获灵敏度能提高10dB以上,能捕获到33dB甚至更低的信号。锁相环和锁频环结合跟踪算法在10g的加速度下仍然能跟踪到信号。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 GPS 概述
• 1.1.1 GPS 系统的组成
• 1.1.2 GPS 的应用发展
• 1.1.3 软件接收机简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 GPS 信号的捕获
• 1.2.2 GPS 信号的跟踪
• 1.3 本文的研究内容以及组织结构
• 第二章 GPS 信号与捕获、跟踪基本理论
• 2.1 GPS 信号简介
• 2.1.1 信号结构
• 2.1.2 C/A 码相关特性
• 2.1.3 多普勒效应
• 2.2 GPS 信号捕获基本理论
• 2.2.1 GPS 信号捕获原理
• 2.2.2 GPS 信号捕获时的考虑
• 2.3 GPS 信号跟踪基本理论
• 2.3.1 码跟踪环路
• 2.3.2 载波跟踪环路
• 2.3.3 环路滤波器
• 第三章 GPS 信号的仿真实现
• 3.1 数字频率合成
• 3.2 基于NCO 设计的GPS 仿真数据产生方法
• 3.3 基于查表法的GPS 仿真数据产生方法
• 3.4 仿真结果
• 第四章 GPS 信号捕获算法
• 4.1 两种基于时域相关的GPS 信号捕获算法
• 4.1.1 传统GPS 信号捕获方法
• 4.1.2 通过DFT 实现的GPS 信号捕获算法
• 4.2 循环相关GPS 信号捕获算法
• 4.3 相干/非相干积分结合捕获算法
• 4.3.1 相干积分和非相干积分简介
• 4.3.2 相干积分和非相干积分增益
• 4.3.3 相干/非相干积分组合方式的确定
• 4.4 捕获得到的C/A 码初始相位的有关分析
• 4.4.1 C/A 码初始相位捕获的时域和频域实现
• 4.4.2 C/A 码初始相位捕获结果分析
• 4.5 仿真结果与性能分析
• 4.6 小结
• 第五章 GPS 信号跟踪算法
• 5.1 跟踪过程输入参数说明
• 5.2 常规GPS 信号跟踪算法
• 5.3 PLL/FLL 相结合的GPS 信号跟踪算法
• 5.3.1 锁频环（FLL）简介
• 5.3.2 PLL/FLL 结合
• 5.4 仿真结果与性能分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、攻硕期间取得的研究成果