高动态GPS信号的快速捕获与跟踪方法研究

论文摘要

GPS（全球定位系统）是新一代的导航定位系统,它向广大用户提供精确的定时和定位服务。高动态给GPS信号带来较高的多普勒频移,使伪随机码产生动态时延,很容易造成载波跟踪环和码跟踪环失锁,难以保持载波和码跟踪同步,使接收机难以自适应调整。为缩短盲捕时间,快速捕获信号,防止伪码延迟锁相环失锁,提高跟踪环路的动态应力等方面都成为研究高动态接收机快速捕获和跟踪技术的核心和关键。本文正是研究高动态GPS信号的快速捕获与跟踪方法。本文首先阐述了C/A码的生成原理,为适应快速捕获,针对高动态C/A码的特性,研究在高动态条件下基于时域滑动相关捕获法、基于FFT的并行捕获算法、基于特征值的匹配滤波器捕获算法等方法,通过仿真分析、比较了这些算法的性能,包括捕获时间、计算复杂度等指标上的差异,除时域滑动相关捕获法不适合于高动态捕获外,其它的捕获算法都能适合对高动态GPS信号的快速捕获,而且性能优良。把信号处理和模式识别的思想运用于高动态GPS信号的捕获,提出了基于特征值的匹配滤波器的快速捕获算法,并建立起计算和选取特征值的理论依据（模型和处理步骤）,通过与FFT并行捕获算法作仿真比较,得到了与其相近的快速捕获性能,验证了算法的有效性。其次,为进一步提高捕获精度,加快后续跟踪环路的入锁时间,比较与研究了载波和码跟踪性能。锁频环是通过测量本地载波频率和输入载波之间的频率差来保持对输入信号频率的跟踪,锁相环是通过测量本地载波相位和输入载波之间的相位差来保持对输入信号相位的跟踪。伪码跟踪主要是以超前-滞后结构形式的延迟锁定环（DDLL）,载波跟踪主要是以Costas（科斯塔）环为主。最后,用Matlab对这些算法进行了仿真,仿真的结果验证了算法的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及国内外发展的动态
• 1.1.1 全球定位系统的意义
• 1.1.2 GPS 系统面临的挑战
• 1.1.3 GPS 系统的改进与发展
• 1.1.4 高动态扩频接收技术的发展和意义
• 1.2 课题的核心
• 1.3 论文结构的安排
• 第二章 GPS 信号构成的基本原理
• 2.1 GPS 系统的构成
• 2.1.1 空间部分
• 2.1.2 控制部分
• 2.1.3 用户部分
• 2.2 GPS 卫星信号的特性
• 2.2.1 C/A 码（粗码）的生成原理
• 2.2.2 GPS C/A 码的特性
• 2.2.3 P 码或精码（亦称为保护码）的生成原理
• 2.2.4 GPS 导航电文
• 2.3 GPS 卫星信号的结构
• 2.4 GPS 接收机的构成
• 2.4.1 GPS 接收机的组成原理
• 2.4.2 数字基带处理器（DBP）
• 2.5 本章小结
• 第三章 扩频码快速捕获算法研究
• 3.1 影响高动态GPS 信号捕获的因素
• 3.1.1 信号的二维捕获
• 3.1.2 多普勒频移
• 3.1.3 捕获数据的长度及区间
• 3.1.4 码相位搜索步长
• 3.1.5 频率捕获步长
• 3.1.6 多普勒频移对相关累积峰值的影响
• 3.2 串行滑动相关捕获法
• 3.2.1 串行滑动捕获法的基本原理
• 3.2.2 滑动捕获法的相关运算过程
• 3.2.3 滑动相关搜索法的捕获分析
• 3.3 基于FFT 的并行快速捕获算法
• 3.3.1 利用FFT 实现伪码的快速捕获
• 3.3.2 数据调制对FFT 快速捕获的影响
• 3.4 基于特征值的匹配滤波器的快速判决算法
• 3.4.1 匹配滤波器的捕获原理
• 3.4.2 匹配滤波器的捕获性能
• 3.4.3 K-L 展开式
• 3.4.4 信号的特征向量
• 3.4.5 特征值的选取
• 3.4.6 数字匹配滤波器
• 3.4.7 检测概率和虚警概率
• 3.5 串行与并行捕获算法的比较
• 3.5.1 时域滑动相关捕获算法的时间分析
• 3.5.2 基于FFT 并行捕获时间分析
• 3.6 匹配滤波器捕获和FFT 捕获算法的比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 GPS 信号跟踪方法研究
• 4.1 锁相环原理
• 4.1.1 基本锁相环（PLL）
• 4.1.2 一阶锁相环
• 4.1.3 二阶锁相环
• 4.2 伪码跟踪环
• 4.2.1 延迟锁定环（DLL）
• 4.2.2 跟踪环的跟踪分析
• 4.2.3 超前-滞后1/2 码元法鉴别C/A 码相位
• 4.3 载波跟踪环
• 4.3.1 载波跟踪环的基本原理
• 4.3.2 FLL 和PLL 的性能分析
• 4.3.3 I/Q 解调
• 4.3.4 完整的跟踪环
• 4.4 本章小结
• 第五章 回顾与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间的研究成果