高动态GPS接收机跟踪技术研究

论文摘要

全球定位系统(GPS)是精密卫星导航定位系统,它具有高精度、全天候、全球覆盖等优点,在军用及民用领域得到了广泛的重视和应用。由于直接面向用户,GPS接收机近年来更是发展迅速,新产品不断出现,产品更新换代加快。在GPS接收机中,稳定地跟踪卫星信号是系统正常工作的前提,一直是接收机技术中研究的重点。在高动态环境下,由于载体的高速运动使GPS接收机接收到的卫星信号附加了多谱勒频移,而且这种频移可能会伴有一定的加速度和加加速度,从而带来了载波频率和伪随机码时延的实时性改变,解决这一问题的关键在于使接收机更好地完成本地伪码和载波对信号伪码和载波的同步跟踪。本文首先分析了空间GPS信号的构成形式,然后从锁相环的角度出发,较详细地分析了GPS接收机中几种常用的载波环鉴频器和鉴相器、码环鉴相器,环路滤波器,在仿真的基础上对各种算法进行比对,介绍了数字压控振荡器的工作原理与设计方法。对环路测最误差的产生原因进行了分析,在此基础上给出了选择环路跟踪门限和环路带宽的一般方法。最后在锁频辅助锁相的思路指导下,给出了两种适应高动态环境的跟踪环路方案,通过仿真分析证实方案在高动态环境下的有效性和合理性,解决了载体在伴有加速度、加加速度运动时GPS接收机的载波与伪码同步问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题背景
• 1.2 GPS接收机的结构
• 1.3 本文的主要工作
• 2 GPS信号的结构特征
• 2.1 直接序列扩频系统
• 2.2 GPS卫星信号形式
• 2.1.1 C/A码
• 2.1.2 GPS信号生成原理
• 2.3 多谱勒效应对GPS信号的影响
• 2.4 本章小结
• 3 GPS接收机跟踪环路分析
• 3.1 跟踪环路的基本结构
• 3.2 锁相环（PLL-Phase Locked Loop）基本工作原理
• 3.3 载波跟踪环
• 3.3.1 Costas环鉴相器
• 3.3.2 叉积鉴频器
• 3.3.3 四相鉴频器（Four-Quadrant Frequency discriminator）
• 3.3.4 载波环滤波器
• 3.3.5 载波环数字压控振荡器（Numerical Controlled Oscillator）
• 3.3.6 锁相环和锁频环性能的比较
• 3.4 伪码跟踪环
• 3.4.1 码跟踪环鉴相器
• 3.4.2 码环滤波器
• 3.4.3 码环数控振荡器
• 3.5 载波跟踪与码跟踪的结合
• 3.6 本章小结
• 4 跟踪环路测量误差与环路带宽分析
• 4.1 测量误差和跟踪门限的设置
• 4.1.1 PLL跟踪环测量误差与跟踪门限
• 4.1.2 FLL跟踪环测量误差与跟踪门限
• 4.1.3 码跟踪环测量误差与经验门限
• 4.2 环路带宽的确定
• 4.2.1 锁相环的带宽确定
• 4.2.2 锁频环的带宽确定
• 4.2.3 码跟踪环（DLL）的带宽确定
• 4.3 环路假锁
• 4.4 本章小结
• 5 高动态GPS接收机信号跟踪方案设计
• 5.1 动态指标
• 5.2 数字复合环
• 5.2.1 环路鉴别器选择
• 5.2.2 环路滤波器设计
• 5.2.3 载波环辅助码环
• 5.2.4 软件设计流程
• 5.2.5 仿真与分析
• 5.3 锁频辅助锁相串行环
• 5.4 方案的分析比较:
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究生期间参与课题及发表论文