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高灵敏度GPSL1/L2C软件接收机捕获算法研究

作　者: 魏玲玲
导　师: 范胜林
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: GPS 弱信号软件接收机捕获相关 L1C/A码 L2C 定位性能
分类号: TN851
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来，随着用户对定位要求的不断提高，弱信号环境下的GPS定位技术成为一项研究热点，加上GPS现代化计划和软件接收机技术的良好发展，GPS双频软件接收机技术的研究和开发成为一种趋势。信号捕获作为接收机信号处理环节的首要部分，地位非常重要，本文以GPS软件接收机的信号捕获模块为研究线索，对基于弱信号环境下的L1C/A码信号和现代化民用信号L2C的高灵敏度捕获算法进行了研究，取得了一定的研究成果。编程实现了载噪比可调的GPS L1C/A码信号和现代化民用信号L2C，为后续的信号捕获仿真实验提供了可靠的信号源。研究了一种新的L1C/A码弱信号捕获算法。针对传统信号捕获方法的不足，从加快捕获速度和改善信噪比方面出发，将传统半位法中数据段处理的方式由“先相关再累加”改为“先累加再相关”，将传统差分相干积分中相关值矩阵的乘积方式由“相邻段相乘”改为“隔段相乘”，新算法融合了这两点改进。仿真实验表明，相对于传统方法，新算法的捕获速度提高了10倍左右，捕获时间仅为2.4s，能够捕获到低至25dB/Hz的室内微弱信号，并且在此强度下可以捕获到7颗卫星。研究了两种适用于室内环境下L2CM弱信号的直接捕获算法。将相干积分算法的数据处理方式改为“先累加后相关”，基于此处理，改进了传统的相干积分结合非相干积分（CNC）算法和差分相干积分算法。仿真实验表明，两种算法能够捕获到室内30dB/Hz微弱信号，而后一种能够更好的改善信噪比。研究了一种利用L1C/A码捕获信息对L2CM弱信号的辅助捕获方法。利用L1C/A码信号的捕获信息推断可以得到L2载波的多普勒频移和CM码相位的大致范围，结合改进的差分相干积分算法，得到一种新的辅助捕获方法。仿真实验表明，该方法能够捕获到室内35dB/Hz的弱信号，捕获时间为3s左右，极大的提高了信号的捕获速度。介绍了一种由L2CM码捕获信息引导捕获L2CL码相位的方法，仿真实验表明，该方法能够快速有效的实现CL码相位的捕获。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
注释表  12-13
第一章绪论  13-19
  1.1 研究背景及意义  13-14
  1.2 GPS 软件接收机发展概述  14-15
  1.3 弱信号捕获技术发展概述  15-18
  1.4 论文研究内容及篇章结构  18-19
第二章 GPS 软件接收机的组成及信号捕获原理  19-31
  2.1 GPS 系统组成及软件接收机的工作原理  19-20
    2.1.1 GPS 系统的组成  19-20
    2.1.2 GPS 软件接收机的构成与工作原理  20
  2.2 传统 GPS 卫星信号的结构与仿真  20-25
    2.2.1 传统 GPS 卫星信号的构成及生成原理  21-22
    2.2.2 C/A 码的产生原理、特性及程序实现  22-24
    2.2.3 GPS L1 C/A 码信号的软件实现  24-25
  2.3 接收机的接收信号功率  25-26
    2.3.1 普通 GPS 信号功率  25
    2.3.2 GPS 弱信号功率  25-26
  2.4 GPS 信号捕获原理与传统算法仿真  26-30
    2.4.1 GPS 信号捕获原理  26
    2.4.2 传统的 GPS 信号捕获算法描述  26-28
    2.4.3 基于 FFT 算法的室外信号捕获仿真与性能分析  28-29
    2.4.4 基于 FFT 算法的室内弱信号捕获仿真与性能分析  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章高灵敏度 GPS L1 C/A 码信号捕获算法研究  31-48
  3.1 弱信号捕获的基本累积方法及不足  31-35
    3.1.1 相干积分  31-33
    3.1.2 非相干积分  33-34
    3.1.3 差分相干积分  34-35
  3.2 传统的弱信号捕获算法  35-37
    3.2.1 半位捕获法  36-37
    3.2.2 全位捕获法  37
  3.3 传统弱信号捕获算法的仿真与性能分析  37-41
    3.3.1 相同信号长度、不同载噪比情况下的捕获仿真与分析  37-40
    3.3.2 相同载噪比、不同信号长度情况下的捕获仿真与分析  40-41
    3.3.3 仿真结论与分析  41
  3.4 改进的弱信号捕获算法  41-44
    3.4.1 先累加后相关  42
    3.4.2 隔段差分相干积分  42-43
    3.4.3 基于 FSTR-PDCI 的弱信号捕获算法  43-44
  3.5 改进算法的捕获仿真与性能分析  44-47
    3.5.1 基于 FSTR 算法的捕获仿真  44-45
    3.5.2 基于 FSTR-PDCI 算法的捕获仿真  45-46
    3.5.3 FSTR-PDCI 算法最低载噪比捕获仿真实验  46-47
    3.5.4 仿真结论与分析  47
  3.6 本章小结  47-48
第四章 GPS 现代化民用信号 L2C 的软件仿真  48-63
  4.1 GPS 现代化计划  48-49
    4.1.1 GPS 现代化发展概况  48-49
    4.1.2 GPS 现代化发展的主要措施  49
  4.2 第二民用信号 L2C 的产生原理  49-51
  4.3 伪随机码的产生原理与实现  51-56
    4.3.1 CM 码与 CL 码的产生原理  51-52
    4.3.2 CM 码与 CL 码的程序实现  52-53
    4.3.3 伪码的相关特性与仿真  53-56
  4.4 时分复用码  56-61
    4.4.1 时分复用的原理  56
    4.4.2 信号码的时分复用与程序实现  56-58
    4.4.3 本地码的时分复用与程序实现  58-59
    4.4.4 信号码与本地码的相关性仿真  59-61
  4.5 GPS L2C 信号的软件实现  61-62
  4.6 本章小结  62-63
第五章 GPS L2C 信号的捕获算法研究  63-85
  5.1 L2C 信号的优势及研究价值  63-64
  5.2 室外环境下 L2 CM 信号的捕获与仿真分析  64-69
    5.2.1 L2 CM 信号传统捕获算法及不足  64-65
    5.2.2 基于改变信号处理的 FFT 捕获算法  65-66
    5.2.3 基于改变信号处理的 FFT 算法的捕获仿真与性能分析  66-69
  5.3 室内环境下 L2 CM 信号直接捕获与仿真分析  69-76
    5.3.1 改进的相干积分结合非相干积分捕获算法  69-70
    5.3.2 改进的差分相干积分算法  70-72
    5.3.3 两种改进算法的捕获仿真与性能分析  72-75
    5.3.4 直接捕获算法的性能讨论  75-76
  5.4 GPS L1 C/A 码信号对 L2 CM 信号的辅助捕获算法  76-79
    5.4.1 辅助捕获的基础  76-77
    5.4.2 辅助捕获算法描述  77-78
    5.4.3 基于改进差分相干积分的辅助捕获算法仿真与性能分析  78-79
    5.4.4 辅助捕获算法的性能讨论  79
  5.5 L2 CL 码信号捕获算法  79-81
    5.5.1 CM 码对 CL 码相位的引导捕获法  79-80
    5.5.2 CL 码信号间接捕获算法仿真与性能分析  80-81
  5.6 GPS L1/L2C 软件接收机信号捕获流程  81-84
    5.6.1 软件接收机的工作流程  81-82
    5.6.2 GPS L1/L2C 软件接收机信号捕获的总体流程  82-84
  5.7 本章小结  84-85
第六章总结与展望  85-87
  6.1 本文工作内容归纳  85-86
  6.2 后续工作展望  86-87
参考文献  87-90
致谢  90-91
在学期间的研究成果及发表的学术论文  91

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