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GNSS实时矢量跟踪技术研究

作　者: 张欣
导　师: 战兴群
学　校: 上海交通大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 全球卫星导航系统 实时软件接收机 跟踪误差方差 矢量跟踪
分类号: TN965.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


GNSS接收机的基带处理主要包括两个环节：捕获和跟踪。这两者就实质来说分别是统计信号的检测和估计问题。近年来，矢量跟踪由于其在弱信号及抗干扰方面的突出优点，成为学界和业界的研究重点和热点。所谓“矢量”，是指估计滤波器的状态变量是元素数目大于等于2的向量，而对应的“标量”主要指传统的接收机理论中锁相环输出的只是单一的码相位或载波相位标量。矢量跟踪领域目前尚未解决的主要有两个问题：一、矢量跟踪性能优于标量跟踪的理论依据；二、矢量跟踪的实时实现。目前没有统一的理论解释第一个问题；至于第二个问题，国内外目前均缺乏相应的报道。因此，本文研究的目标是解决第一个问题，突破第二个问题的理论问题。本文深入研究了接收机灵敏度影响因素；创新的高灵敏算法，并研究这些算法对接收机定位精度的影响，实现矢量跟踪在提高接收灵敏度方面的原理和方法；完成上述接收机的L1GPS/Galileo实时和后处理样机各一台，研究软件接收机的优化程序架构。主要研究工作和方法体现在三个方面：（1）研究接收机灵敏度影响参数的一体化确定方法，包括前端带宽、量化位数、量化策略、采样频率等的作用。本部分着重研究GNSS软件接收机射频前端配置（包括采样频率、量化、前端带宽等）对后续基带信号处理结果的影响。影响的评估通过建模、理论推导及数值仿真，将理想情况（无量化、前端带宽无限大、采样频率无限高）和实际应用（不同量化策略、多种有限带宽、特定采样频率）进行对比，将两种情况下的差值定义为损耗，以损耗值的大小评价当前前端配置的合理性，从而决定接收机的频率方案（frequency plan）。此外，以L1单频软件接收机的实现为支撑，对比模拟值和实际值，检验模型的有效性能。（2）研究并实现矢量跟踪在提高接收灵敏度方面的原理和方法。矢量跟踪环以扩展卡尔曼滤波为工具，用一个大环路代替原来的两步估计方案。传统的接收机的两步估计方法是指：第一步，用码跟踪环完成本地码与接收信号伪随机码的精确对准，以此估计伪距（pseudorange），第二步，用扩展卡尔曼滤波器以伪距为输入值估计出接收机天线相位中心的状态量（如最基本的四状态量：天线中心的三维坐标以及接收机钟差；抑或是常用的八状态量：三维坐标、三维速度、接收机钟差以及接收机钟漂）。矢量跟踪环用一个大环路代替传统接收机中的这两个小环路，一步算出天线相位中心的状态。因此，如何列写卡尔曼方程的状态方程和观测方程，是本部分需要解决的第一个问题。当然，纯粹的卡尔曼滤波方程不能解决问题，因为计算量过于庞大了，目前通行的方法是用联合卡尔曼滤波结构实现实时矢量环接收机，本文描述的矢量环接收机研制也将如此进行。（3）完成上述接收机的L1GPS/Galileo实时和后处理样机各一台。本论文研究的关键技术和创新点主要体现在以下几个方面：（1）首次完整研究GNSS接收机前端设计所有因素（最后一级带宽、量化策略、采样频率等）对接收机灵敏度的影响（第二章）。目前，Christopher Hegarty对最后一级带宽、量化策略以及采样频率对接收机implementation loss的联合作用提出理论预测公式。由于该公式囊括了incommensurate sampling以及任意整数位量化的作用，因此它是该领域内目前考虑最为完善的结果。但该方法尚缺对任意位数（包括非整数位数）量化作用的影响。而这就是本文对该领域的创新贡献。本文最终将形成一个通用的性能预测公式，这对用于接收GNSS新信号的接收机前端设计具有决定性的指导意义。（2）指出John Betz关于接收机DLL误差方差公式的错误，提出修正公式，并得到认可（附录A），即：若将未经平滑的DLL的TOA估计值的方差记为σu2，则经过平滑的TOA估计值的方差（记为σs2）可以用下式表达：σs2=σs2u2BLT这里有一点需要说明。在Betz公式[10]中，σs2用下式表达而非上式：σs2≈σu2BLT （1-0.5BLT）事实上，后式比前式多出来的那一项因子（1-0.5BLT）是个推导过程中的失误造成的。在[10]中，用了一个零阶保持电路[62]将数字信号又转成了模拟信号，真实接收机里这个环节是不存在的，而且为最终结果引入了一个低频成分，因此后式是个错误的结论。根据一般的跟踪环理论得出的结果应该是σs2≈σu2BLT。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
目录  11-15
图表索引  15-19
第一章 绪论  19-27
  1.1 本文的研究背景-卫星导航接收机的发展趋势  19-21
  1.2 矢量跟踪技术和软件接收机技术国内外发展现状  21-23
    1.2.1 矢量跟踪技术概述  21-22
    1.2.2 GNSS 软件接收机发展现状  22-23
  1.3 本文的研究目的和意义  23
  1.4 论文的主要研究内容  23-27
第二章 跟踪指标的建立  27-47
  2.1 问题描述  27-29
  2.2 问题建模  29-31
    2.2.1 （有用）信号、噪声、干扰信号的数学模型  29-30
    2.2.2 DLL+点积鉴别器  30-31
  2.3 分析结果  31-32
    2.3.1 无 BSQ 时 DP DLL 跟踪误差的方差  31-32
    2.3.2 有 BSQ 时 DP DLL 跟踪误差的方差  32
    2.3.3 码跟踪损耗  32
  2.4 仿真验证  32-46
    2.4.1 高载噪比情况（C/N0= 40 dB-Hz）  32-33
    2.4.2 低载噪比情况（C/N0= 15 dB-Hz）  33-46
  2.5 本章小结  46-47
第三章 导航接收机统计信号估计  47-92
  3.1 前言  47
  3.2 需要估计的参数  47-50
    3.2.1 目标参数  48-49
    3.2.2 占位参数  49
    3.2.3 参数之间的内在联系  49-50
  3.3 非随机参量估计  50-61
    3.3.1 位置 CRLB（无占位参数）  52-53
    3.3.2 位置 CRLB（有占位参数）  53-56
    3.3.3 一步 MLE 分析  56-58
    3.3.4 整个估计流程分析（串连估计，sequential estimation）  58-61
  3.4 最小二乘相关器/鉴别器  61-87
    3.4.1 单路信号模型和多路信号模型  62-64
    3.4.2 单一信号传输路径  64-78
    3.4.3 相关点  78-84
    3.4.4 线性化  84-85
    3.4.5 多路传输  85-87
    3.4.6 两路传输：码相位 CRLB  87
  3.5 数据量  87-90
    3.5.1 足够统计量  88-89
    3.5.2 多相关器方法  89
    3.5.3 一次求导方法  89-90
    3.5.4 有色噪声  90
  3.6 贝叶斯估计  90-91
  3.7 本章小结  91-92
第四章 码相位和载波相位估计  92-138
  4.1 简介  92
  4.2 BPSK 载波相位同步  92-115
    4.2.1 发射机  92-93
    4.2.2 信道与信号传输  93-95
    4.2.3 理想接收机  95-96
    4.2.4 理想接收机的仿真（无量化）  96-106
    4.2.5 理想接收机的仿真（有量化）  106-115
  4.3 GIOVE-A/B 2 级码同步  115-137
    4.3.1 简介  115-116
    4.3.2 算法需求分析  116
    4.3.3 算法流程图  116-118
    4.3.4 仿真结果  118-136
    4.3.5 结论  136-137
  4.4 本章小结  137-138
第五章 矢量跟踪  138-158
  5.1 简介  138-139
  5.2 矢量跟踪的基本思想  139-140
  5.3 矢量跟踪的基本原理  140-143
  5.4 矢量跟踪的流程  143-146
    5.4.1 初始化  144-145
    5.4.2 预报  145
    5.4.3 本地生成伪随机码和载波  145-146
    5.4.4 误差估计和用此误差进行补偿，完成一次滤波  146
  5.5 参数调整  146-147
  5.6 矢量跟踪与超紧组合  147-151
  5.7 INS/ GNSS 超紧组合  151-154
    5.7.1 超紧组合导航技术  151-152
    5.7.2 超紧组合系统原理  152-154
  5.8 超紧组合导航滤波器设计  154-157
    5.8.1 全维滤波器  154-156
    5.8.2 降维滤波器  156-157
  5.9 本章小结  157-158
第六章 软件信号发生器及软件接收机测试平台  158-169
  6.1 简介  158-159
  6.2 仿真平台能力  159-164
    6.2.1 信号生成  159-160
    6.2.2 接收机结构模拟  160-162
    6.2.3 接收机输出数据质量监测  162-164
  6.3 仿真信号可信度  164-165
  6.4 应用实例  165-167
  6.5 局限性  167-168
  6.6 本章总结  168-169
第七章 单频实时接收机的研制  169-199
  7.1 简介  169
  7.2 需求分析  169-170
  7.3 接收机各部分简述  170-184
    7.3.1 天线  172-173
    7.3.2 接收机  173-174
    7.3.3 RFFE  174
    7.3.4 RFIF  174-175
    7.3.5 参考时钟和时间同步  175-176
    7.3.6 GIOVE-A/B DSP  176-178
    7.3.7 导航与通信模块  178-179
    7.3.8 代码结构  179-184
  7.4 测试结果  184-197
    7.4.1 运行结果  184-185
    7.4.2 测试结果  185-197
  7.5 本章小结  197-199
第八章 全文总结  199-201
  8.1 主要工作总结  199-200
  8.2 后续工作展望  200-201
附录 A 无 BSQ 时 DP DLL 跟踪误差方差  201-204
附录 B 有 BSQ 时 DP DLL 跟踪误差方差  204-206
附录 C 复数最小二乘校正  206-215
附录 D GNSS 信号的数字表示  215-219
附录 E 相关函数不变性  219-222
附录 F 缩写/符号及常量  222-227
参考文献  227-233
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  233-234
攻读博士学位期间参与的科研项目  234-235
致谢  235-236

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电导航 > 导航设备、导航台 > 接收设备
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