（控制科学与工程专业论文）基于ins辅助的gps接收机捕获和跟踪技术研究.pdf

国防科技大学研究生院学位论文 摘要 低信噪比和高动态环境是影响g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 接收机成功捕获和跟 踪的两个主要因素。为了提高接收机在低信噪比和高动态环境下的捕获和跟踪性能，本文 对基于i n s ( i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 辅助的g p s 接收机捕获和跟踪技术，从理论和实践 两个方面进行了深入的研究。主要研究工作包括以下几个方面： 1 分析了影响捕获性能的主要因素：频率估计误差和码相位估计误差、相干累积时间 以及单次判决算法和多次判决算法。为提高在低信噪比环境下信号捕获性能，采用增加相 干累积时间和多次判决算法的策略：针对高动态运动产生多普勒频率使信号捕获时间变长 的问题，采用i n s 辅助接收机捕获的方法，减弱载体相对于卫星运动产生多普勒频率的影 响，有效减少接收机冷启动、温启动和热启动的平均捕获时间，提高捕获性能。 2 分析并选择了适应于低信噪比环境下的码延迟锁定环( d e l a yl o c kl o o p s ，d l l ) 鉴别器( 超前减滞后鉴别器) 和载波锁相环( p h a s el o c kl o o p s ，p l l ) 鉴别器( - - 象反正切 鉴别器) ；基于最优闭环传递函数，设计了二阶和三阶跟踪环数字环路滤波器的参数；对 接收机跟踪环误差源( 热噪声误差、振荡器稳定性误差和动态应力误差) 进行分析可知： 热噪声误差和动态应力误差是接收机的主要误差，且它们对环路带宽的要求是矛盾的。为 了在满足高动态要求的条件下，并尽量减小热噪声的影响，设计了接收机载波跟踪环的最 优环路带宽。为了进一步减弱高动态引起的多普勒频率的影响，同时减小跟踪环路带宽， 提高抗干扰性，采用i n s 对载波环进行辅助的方法，设计了i n s 辅助载波环的结构，分析 了i n s 辅助载波环的最小环路带宽。 3 采用静态数据和高动态仿真数据对基于i n s 辅助的接收机进行捕获和跟踪实验验 证。静态实验结果表明：基于g p s 软件接收机设计的捕获和跟踪环路能够满足捕获和跟踪 信号的要求；在低信噪比环境下，采用增加相干捕获时间和减小跟踪环路带宽的方法可分 别提高接收机的捕获和跟踪性能；设计的最优环路带宽的跟踪环路是可行的。高动态仿真 实验结果表明：三阶跟踪环路和i n s 辅助的二阶跟踪环路可满足加速度为l o g 、加加速度 为l o g s 的高动态要求；i n s 辅助的三阶环路可满足加速度为l o o g 、加加速度为l o o g s 的 高动态要求。 关键字：软件g p s 接收机，最优环路带宽，i n s 辅助捕获，i n s 辅助跟踪 第i 页 国防科技大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h ea b i l i t yo fg p sr e c e i v e r st oa c q u i r ea n dt r a c ks i g n a li sa f f e c t e db yt w of a c t o r s ：l o w s i g n a l - t o n o i s er a t i oa n dh i g hd y n a m i c i no r d e rt oe n h a n c er e c e i v e rp e r f o r m a n c ei na c q u i r i n g a n dt r a c k i n gs i g n a li nl o ws i g n a l - t o - n o i s er a t i oa n dh i g hd y n a m i cs i t u a t i o n s ，t h i st h e s i sd e e p l y a n a l y s e sa c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gt e c h n o l o g yo fr e c e i v e rw i t hi n sa i d i n gi nt h e o r ya sw e l la sb y e x p e r i m e n t s t h em a i nw o r k si n c l u d e ： 1 t h r e em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa c q u i s i t i o na r ea n a l y s e di nt h i st h e s i s ： d o p p l e rf r e q u e n c ye s t i m a t ee r r o ra n dc o d ee s t i m a t ee r r o r , c o h e r e n ti n t e g r a t i o nt i m e ，s i n g l e d e c i s i o na l g o r i t h ma n dm u l t i p l ed e c i s i o na l g o r i t h m i n c r e a s i n gc o h e r e n ti n t e g r a t i o nt i m ea n d m u l t i p l ed e c i s i o na l g o r i t h m s a r eu s e dt oi n c r e a s ed e t e c t i o np r o b a b i l i t yi nw e a ks i g n a l e n v i r o n m e n t s i no d e rt or e d u c em e a na c q u i s i t i o nt i m eo fr e c e i v e ri nc o l ds t a r t ，w a r ms t a r ta n d h o ts t a r t v e l o c i t yi n f o r m a t i o nf r o mi n si su s e dt or e m o v et h ed o p p l e rf r e q u e n c y 2 d e l a yl o c kl o o p s ( d l l ) d i s c r i m i n a t o ra n dp h a s el o c kl o o p s ( p l l ) d i s c r i m i n a t o ru s e d i nw e a ks i g n a le n v i r o n m e n t sa r ea l s oa n a l y s e da n dc h o i s e di nt h i st h e s i s 。b a s e do nt h eo p t i m u m c l o s e dt r a n s f e rf u n c t i o n t h ep a r a m e t e r so ft w oo r d e ra n dt h r e eo r d e rl o o pf i l t e ra r ed e s i g n e d 1 1 1 e m a i ns o u r c e so fe r r o r si nap l l ( t h et h e r m a ln o i s e ，t h eo s c i l l a t o rp h a s en o i s e ，t h eo s c i l l a t o r v i b r a t i o n sa n dt h ei m p a c to fd y n a m i c s ) a r ea n a l y s e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e r m a ln o i s ea n d d o p p l e rs h i f ta r et h em o s tp r e d o m i n a n ta n dh a dac o n f l i c to nt h ed e s i g no ft h ep l l s ot h e o p t i m u mb a n d w i d t hp l la l g o r i t h mi sd e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e m i no r d e rt or e m o v et h e d y n a m i ca n dr e d u c et h et h e r m a ln o i s e t h es t r u c t u r eo fi n s a i d e dg p sr e c e i v e rt r a c k i n gl o o p w a sd e s i g n e d t h em i n i m u mb a n d w i d t ho fi n s a i d e dt r a c k i n gl o o pi sa l s og i v e n 3 a tl a s t s t a t i ca n dh i g hd y n a m i ct e s ta r eg i v e nt ov e r i f yu p p e rm e t h o d t h es t a t i ct e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h es o f t w a r eg p sr e c e i v e rd e s i g n e di nt h i st h e s i sc a l ls u c c e s s f u l l ya c q u i r ea n d t a c ks i g n a l i n c r e a s i n gc o h e r e n ti n t e g r a t i o nt i m ea n dr e d u c i n g l o o pb a n d w i d t hc a ni n c r e a s e r e c e i v e r sa c q u i s i t i o na n dt r a c k i n gp e r f o r m a n c ei nw e a ks i g n a le n v i r o n m e n t t h eo p t i m u m b a n d w i d t ho ft r a c k i n gl o o pw a su s e f u l t i l eh i g hd y n a m i ct e s ts h o w st h a tt h ed e s i g n e dt h r e e o r d e rl o o pa n di n s a i d e dt w oo r d e rl o o pc a nm e e tt h en e e d sf o rar e c e i v e rw i t ha na c c e l e r a t i o n o f10 9a n da nj e r ko flo g s i n s a i d e dt h r e eo r d e rl o o pc a nm e e tt h en e e d sf o rar e c e i v e rw i t ha l l a c c e l e r a t i o no f10 0 9a n da n j e r ko flo o g s k e y w o r d s ：s o f t w a r eg p sr e c e i v e r , o p t i m u mp l lb a n d w i d t h ，i n s - a i d e da c q u i s i t i o n ， i n s - a i d e d t r a c k i n g 第i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基士! ! ! 箍助鲍鱼里蕉蝗狃煎蘧塑退琏遮盛班塞 一 学位论文作者签名：支盈乞日期：翮年，月矽日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可l , x 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王! 竖箍助鲤鱼接达扭撞苤塑退鉴撞盔盟蕉 学位论文作者签名：蠢擅也 侍者指导教师签名：二三蝉 日期：朋7 年1 1 月7 日 吼印年，月2 7 日 国防科技大学研究生院学位论文 1 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 卫星导航，是接收导航卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态已知点，实 时地测定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航。在第一颗人造地球卫星于1 9 5 7 年 1 0 月入轨运行的次年，美国科学家就开始了卫星导航定位系统的研究，人造地球卫星的最 重要应用，就是全球无线电导航。1 9 6 3 年1 2 月，第一颗导航卫星的入轨运行，开创了陆 海空卫星无线电导航的新时代。随着卫星导航系统在国民经济领域和军事领域应用的不断 扩展，其重要性越来越突出，各国对卫星导航系统都予以足够的重视，相继开发了自己的 卫星导航定位系统。目前，已投入运行的或正在建设的导航卫星定位系统有：美国的全球 定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 、俄罗斯的全球卫星导航系统( g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m ，g l o n a s s ) 、欧洲正在建设的伽利略全球卫星导航系统( g a l i l e o ) 和中国 的“北斗 导航定位系统【1 1 1 2 1 引。 1 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 1 9 5 7 年1 0 月世乔上第一颗人造地球卫星上天后，研究人员很快证实了利用卫星进行 导航定位的可能性，并着手研制实用的卫星导航系统。1 9 5 8 年美国海军为了军事上的需求， 委托霍普金斯大学应用物理实验室对卫星导航技术进行研究，并制定了研制“海军导航卫 星系统 ( n a v yn a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m , n n s s ) 的计划。1 9 6 4 年n n s s 正式投入军事应 用，它是世界上第一个投入使用的卫星导航系统。n n s s 采用的是一种“单星、低轨、测 速 体制，只能提供二维导航解，不能提供三维定位，不能为用户提供连续、实时的导航 定位且定位速度慢、精度差。此外，该系统不能为高动态用户提供实时导航。 为了满足军事部门和民用部门对连续实时、高动态以及高精度导航定位的迫切需求， 美国国防部与1 9 7 3 年1 2 月批准由陆海空三军联合研制新一代卫星导航系统，即“全球定 位系统 ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 。g p s 主要由空间星座、地面监控系统和用户 设备三大部分组成。2 4 颗卫星均匀分布在等间隔的6 条近圆轨道上，轨道高度约为 2 0 2 0 0 k m ，轨道倾角5 5 0 ，每条轨道上均匀配置4 颗工作卫星，相邻轨道面的邻近卫星的相 位差为3 0 0 。由于g p s 采用的是“多星、高轨、测时、测距体制，这就实现了全球覆盖、 全天候、高精度、连续实时导航定位。2 l 世纪初叶，g p s 卫星全球定位系统得空间部分和 地面监控系统，都将实施现代化，并计划于2 0 0 5 年开始增设第三导航定位信号( l 5 ) ，从 而形成用3 个g p s 信号( l i 、l 2 、l 5 ) 同时进行导航定位的新格局。此外，第四代g p s 卫星b l o c k i i i 也在研制之中。b l o c k l i i 卫星除了具有现行g p s 卫星的全部功能以外，还 增强下列作用：维护航空飞行火车行驶的安全：提供飞机精密着陆导航服务；工作货物安 全运输；城市规划；矿藏开采等【1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 5 1 。 第1 页 国防科技大学研究生院学位论文 2 全球导航卫星系统( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，g l o n a s s ) 全球导航卫星系统( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，g l o n a s s ) 是前苏联为了应对 美国的全球定位系统g p s 而建立的。第一颗g l o n a s s 卫星于1 9 8 2 年发射，直到1 9 9 3 年才进入工作状态，于1 9 9 5 年整个系统初步建成。g l o n a s s 共有2 4 颗卫星，三个轨道， 每个轨道8 颗卫星。在地球任一点任何时候都可以观测到4 颗卫星。每个卫星信号用不同 频率发射，可以采用f d m a 频率分离法分别识别。1 9 9 4 年公布的标准通道数据是：水平 精度5 0 - 7 0 m ，垂直精度1 5 m ，测速精度1 5 m s ，授时精度ls ( 高于有s a 的g p s ，但低 于取消s a 后的g p s ) 。 由于苏联的解体和经济的原因，g l o n a s s 在其建成后的几年罩无法得到更新和补充， 一直保持在8 颗卫星。俄罗斯从2 0 0 1 年起开始逐步改善该系统，决定实施g l o n a s s 现 代化。该计划包括三个阶段。第一阶段为补充新的卫星以满足g l o n a s s 正常工作的要求。 第二阶段为g l o n a s s m 计划，即研制新的g l o n a s s m 卫星。该阶段计划达到1 8 颗在 轨运行卫星( 包括g l o n a s s 卫星和g l o n a s s m 卫星) 。第三阶段计划发射第三代卫星 ( g l o n a s s k ) ，使g l o n a s s 系统达到2 4 颗在轨卫星( 包括g l o n a s s m 卫星和 g l o n a s s k 卫星) 满星座运行1 4 j 【5 1 。 3 伽利略( g a l i l e o ) 卫星导航系统 伽利略( g a l i l e o ) 卫星导航系统是由欧洲安全局、欧盟和欧空局3 个机构联合研制全 球导航系统( g n s s ) 的第二阶段任务，其总体目标为：( 1 ) 提供全球定位时间以及与位置有关 的通信服务。( 2 ) 提供面向民用市场的开放性免费和收费两种服务。其中，对航空采用收费 服务，但必须保证服务的完善性和安全可靠性。它将能够为所有飞行阶段提供单一导航服 务并能在全球范围提供类精密进近能力。( 3 ) 为保证国家和社会安全提供有控服务( c a s ) 类 似于g p s 的军用信号。( 4 ) 与g p s 兼容。其卫星系统结构目前有二个方案。第一个方案有 中轨卫星( m e o ) 2 4 个，静止卫星( g e o ) 3 9 个。m e o 的轨道高度为2 4 1 2 6 k m ，轨道倾角5 2 5 度，卫星分布于三个平面，g e o 的卫星间相隔4 5 度。第二方案只有m e o ，共计3 0 个， 轨道高度为2 4 0 0 0 k m ，轨道倾角为5 0 度，每一卫星上均发射l 波段的二个不同频率和c 波段的信号。 由于伽利略卫星导航定位系统采用最为先进的技术方法，如：更好的星座设计、解决 整周模糊度的三载波整周模糊度( t c a r ) 技术等，使其导航定位精度将比目前g p s 系统 高一个量级。并且与g p s 卫星相比，伽利略的卫星更小，时钟更精确，信号更强，带宽更 大。伽利略采取与g p s 即合作又竞争的策略，提供比g p s 更多更好的服务。目前，欧洲 盟国之外，中国、以色列和乌克兰已经相继加入伽利略计划【3 1 1 4 1 5 | 。 4 中国的。北斗一导航定位系统 2 0 0 3 年5 月“长征 运载火箭在西昌卫星发射中心成功地将第三颗“北斗i 号导航 定位卫星送上太空，标志着中国已建立了独立的第一代卫星导航定位系统。北斗系统是区 域卫星导航系统，只能用于中国及其周边地区；北斗系统目前只有3 颗卫星。在进行导航 定位时，用户先发射需要定位的信号，通过卫星转发至地面控制中心，地面控制中心解算 第2 页 国防科技大学研究生院学位论文 出位置后再通过卫星转发给用户。北斗系统是两维导航系统，具有一定的通信功能，这是 g p s 所不具备的。北斗系统定位精度达2 0 - 3 0 m 。我国虽然加大了国际合作力度，并为我 国军民争取了利用卫星导航定位系统的部分权益，但依然存在受制于人的窘境和压力：因 而，必须合理规划发展步伐，在已有基础上逐步开发第二代北斗系统。目前，我国“北斗 i i 卫星导航定位系统正在规划建设之q j t 4 j t 5 】【6 】。 1 1 2 课题研究的意义 近年来，为了有效利用卫星导航系统这一有利的资源，我国在卫星接收机领域内开展 了广泛的研究，并取得了巨大的成就。尤其是在民用应用产品的开发上，我国的低、中动 态接收机技术已相当成熟，被广泛应用到大地测量、车辆导航定位、船舶导航和飞机进场 等领域内。而对于军事领域内普遍应用的高动态卫星接收机的研究我国还处于起步阶段， 其潜在的巨大应用价值还没有被完全开发。在1 9 9 1 年的海湾战争中，g p s 首次被美国应 用于军事行动，g p s 实时准确地为地面、空中、海上部队和导弹发射、制导，提供导航定 位数据，对战争的胜利起到了重要的作用。海湾战争以后，g p s 引起了美国政府、国会和 国防部的高度重视，把g p s 作为美军的主要装备之一，随后在所有的飞机、舰船、战车、 非直接火力系统和平台中加装g p s 接收机，并把g p s 作为提高“战斧打巡航导弹和防空 区外发射联合武器系统( j s o w ) 等精确打击武器攻击精度的主要措施。在1 9 9 8 年底的“沙 漠之狐、1 9 9 9 年的“科索沃 战争中，美军大量使用了g p s 制导的巡航导弹和炸弹。从 战区外几十米、几百米、甚至上千米处发射，这些武器都能精确命中目标。命中精度可达 1 0 m ，甚至3 m 。2 0 0 1 年，美国成功试射g p s 制导炮弹，其圆概率误差在5 米之内，命中 概率5 0 ，最大射程l1 7 k m 。为满足高动态环境的需要，这些高精度武器上都采用了高动 态卫星信号接收技术1 6 j 1 1 7 】【8 l 。在高动态领域，美国处于世界领先水平，出于保障国家安全和 维护军事强国的需要，有关高动态卫星接收机产品和技术对我国采取封闭的政策。为了维 护我国国家安全，满足高技术战争的需求以及将来开发我国自己的卫星导航系统，研制高 动态卫星接收机具有重要的现实意义。 目前，作为我国自行研制的第二代导航定位系统，“北斗i i 还处于研制和验证阶段， 卫星网还在组建中。由于“北斗i i 导航系统尚未建成，因此，本课题拟以g p s 接收机为 研究背景，开展了i n s 辅助的g p s 接收机捕获和跟踪技术的研究，为将来研制相同类型的 “北斗i i 卫星定位接收机打下基础。 1 2 国内外研究现状 高动态环境给接收机带来的最大难题是如何对g p s 信号进行成功捕获和跟踪。在高动 态环境下，载体和g p s 卫星之间的高速运动使信号产生很大的多普勒频移，对信号捕获频 域的搜索带宽提出了较高的要求，同时由于频域带宽的增加，使频域搜索点的个数增加， 给接收机快速捕获带来了困难。即使捕获到了卫星，由于多普勒频率的变化率很快，要使 第3 页 国防科技大学研究生院学f 7 = 论文 载波环路保持锁定，就必须增大环路的带宽；环路带宽的增加又使环路进入引入过多的噪 声，当噪声引起的跟踪误差超过跟踪门限时环路便失锁。因此，在低信噪比和高动态情况 下，如何对信号进行捕获和跟踪是g p s 接收机需要解决的关键技术 9 1 。 1 2 1 国外研究现状 目前，国外就如何在低信噪比和高动态环境下进行信号捕获和跟踪的问题作了广泛而 深入的研究，且技术都很成熟。在捕获方面，v i l l ee e r o l a 1 0 1 采用并行多通道模式，在时域 对多普勒频率和码相位进行并行搜索，明显减小捕获时间，提高捕获速度。d a v i d a k o p i a n 【i i j 将时域搜索转换到频域搜索，采用f f t 搜索方法来提高捕获速度。c i l l i a no d r i s c o l l f l 2 1 提 出采用f f t 并行捕获的方法，捕获时间比f f t 算法更少。以上几种方法都受多普勒频率范 围的限制，无法从根本上解决高动态环境下信号快速捕获问题。为解决低信噪比环境下的 信号捕获问题，通常的做法是增加相干累积时间和采用非相干捕获方法f 1 3 i ，但这些做法是 以牺牲捕获速度为代价的。为提高微弱信号的捕获灵敏度，w e iy u 1 4 】采用差分混合的捕获 方法，这种方法与非相干捕获方法相比可提高2 5 d b 的增益。 在跟踪方面，为了满足高动态要求，有效的做法是增大环路带宽，减小预检测积分时 间，然而，为了减少噪声对环路的影响，提高跟踪的性能，需要减小环路带宽，增加预检 测积分时间【l5 1 。因此，在进行跟踪环路设计时，须折衷考虑环路带宽的大小。a l e k s a n d a r j o v a n c e v i c t l 6 l 将动态性能好的f l l 与跟踪精度高的p l l 有效结合，采用f l l 辅助p l l 进 行跟踪的方法提高动态性能。这种方法的优点是容易实现，由于减小了环路带宽，在低动 态情况下，有好的跟踪性能。然而，在高动态情况下，环路必须采用f l l 来跟踪频率变化， 因此，测量精度下降。d r c h u ny a n g 1 7 1 采用开环辅助闭环p l l 的方法，即当进入高动态时， 环路转入捕获处理，依据失锁时的频率和码信息保证快速重捕，但由于测量噪声很大，当 转入闭环状态时，很难得到精确的相位信息。c h r i s t o p h e 1 8 l 在信号l 5 接收机上采用扩展的 反正切鉴相器来提高高动态环境下的p l l 跟踪门限，但对于l l 和l 2 接收机则受数据位 同步的限制，若无法达到同步，则很难消除数据位跳变的影响。p i n gl i a n 1 9 l 提出根据载体 动态的变化来自适应选择跟踪环路带宽，通过跟踪仿真实验，效果比较好，但对于加速度 达到几十个g 的高动态环境则无能为力。 为解决低信噪比和高动态环境下的信号捕获和跟踪问题，国外很早就提出采用i n s 辅 助捕获的方法，预先估计多普勒频率，缩小多普勒频率搜索范围，减小捕获时间，同时提 高接收机捕获性能；采用i n s 辅助跟踪的方法，减弱或消除载体相对于卫星的动态，同时 缩小环路带宽，提高接收机抗干扰性。2 0 0 3 年，d e m o zg e b r e e g z i a b h e r 2 0 1 采用外部或i n s 信息来调整n c o 的频率，从而减少甚至消除动态应力的影响，同时减小环路带宽，提高 抗干扰性能。通过i n s 辅助跟踪环路的误差源分析得出：有辅助与无辅助相比，信噪比从 2 6 d b h z 降低到2 1 d b h z ，环路带宽从1 0 h z 减d , 至t j1 h z 。2 0 0 4 年，美国斯坦福大学的 s a n t i a g oa l b a n t 2 l 】对i n s 辅助g p s 跟踪环路进行了理论说明和性能分析，通过动态仿真实 第4 页 国防科技大学研究生院学位论文 验，在考虑温补晶振( t c x o ) 影响的情况下，证明i n s 辅助可在降低信噪比的同时将环 路带宽从1 5 h z 减d , n3 h z ，通过动态车载实验，使用恒温晶振( o c x o ) 的情况下，将惯 性辅助跟踪环路带宽减小至1 h z 。同年，a n d r e ys o l o v i e v 和f r a n kv a ng r a s s 2 2 1 对在低信噪 比环境下的i n s 辅助捕获和跟踪技术进行了详细的分析和研究，并作了动态车载实验，结 果表明i n s 辅助可使接收机对信噪比为1 5 d b h z 的输入信号进行捕获和跟踪。 1 2 2 国内研究现状 我国高动态g p s 接收机的相关技术研究还处于起步阶段，尤其是i n s 辅助g p s 接收 机技术。北京航空航天大学的博士孙礼、李小民和薛文芳等对高动态g p s 接收机做了相关 研究，主要从捕获和跟踪算法上进行改进从而提高接收机性能。孙礼【2 3 】采用四相鉴频器来 缩小捕获时的多普勒频率估计误差，使载波多普勒频移范围牵引到叉积鉴频器的线性范围 内，同时采用p l l 与f l l 相结合的办法，根据输入信号的动态，使跟踪环路自动在p l l 和f l l 之间进行切换。李小民 2 4 1 提出用最大似然估计和扩展卡尔曼滤波算法对高动态信号 进行估计。薛文芳【2 5 】采用f f t 对本地伪随机码进行估计的方法减少捕获时间。 i n s 辅助接收机捕获和跟踪技术在我国还处于理论研究阶段，国内发表的相关论文都 是基于理论进行分析和讨论。1 9 9 5 年6 月胡德风1 27 j 提出了在载体飞行过程中利用惯导系统 提供速度辅助信息，使低动态g p s 接收机适应高动态环境，缩小接收机重捕获时间，提高 定位精度。1 9 9 0 年1 2 月秦永元1 2 7 j 理论分析了码跟踪环的噪声和动态跟踪性能对码环带宽 的矛盾要求，并提出了解决的方法：i n s 速度辅助。分析结果表明：窄带宽码环经精度为 l n m i l e h 的惯导速度辅助后，动态跟踪误差为无辅助时的1 1 0 0 0 ，接收机将兼有抗强干扰 和跟踪动态的性能。1 9 9 4 年1 2 月和1 9 9 6 年2 月，南京航空航天大学的陈家斌【2 8 】【2 9 】和何秀 凤1 3 0 1 分别就惯性系统辅助下的g p s 接收机的性能进行了分析。结果表明惯性速度辅助g p s 接收机可有效提高接收机的性能。 。 综上所述，在捕获方面，传统单纯的串行时域捕获算法很难满足信号快速捕获的要求； 全并行或并串相结合的方案具有码序列比较固定不易修改、需要更多的芯片面积资源等缺 点；频域f f t 捕获方法通过软件实现时，其运算量比较大，需要增加新的硬件，且硬件的 实现比较困难；差分混合捕获方法受多普勒频率估计的影响，对多普勒搜索范围要求较高。 在跟踪方面，f l l 辅助p l l 跟踪算法以及f l l 和p l l 相结合的算法在高动态情况下主要 依靠f l l 进行跟踪，故测量精度较低；自适应带宽跟踪算法主要根据载体动态的变化来选 择带宽，当载体动态较大时，环路引入过多的噪声使跟踪性能下降，故其只适合于低动态 环境；i n s 辅助跟踪环路算法有的还停留在理论的初步探索阶段，离工程实现尚有一定差 距，有的只是做了低动态实验，没有进行高动态实验验证。因此，本文针对快速捕获问题， 采用i n s 辅助捕获的方法，缩小多普勒搜索空间，减小捕获时间，提高接收机捕获性能； 针对高动态应用环境，采用i n s 辅助载波跟踪环路的方法，设计了i n s 辅助的载波跟踪环 路，并进行了高动态实验验证。 第5 页 国防科技大学研究生院学位论文 1 3 论文的主要工作和组织结构 1 3 1 论文的主要工作 本论文以g p s 为例，开展了i n s 辅助g p s 接收机捕获和跟踪的技术研究，采用理论 联系实际的方法，对i n s 辅助的g p s 信号快速捕获技术和i n s 辅助的g p s 信号跟踪技术 进行了深入的分析和研究。论文主要的工作包括以下几个方面： 第一，为了验证捕获和跟踪环路的性能，设计了高动态g p s 信号仿真器。仿真器产生 的信号包括载波、c a 码、数据位和噪声，信号参数包括信号幅度、信噪比、噪声功率、 星历、历书、多普勒频移以及钟差和钟差漂移； 第二，设计了i n s 辅助g p s 接收机捕获环路，详细分析了i n s 辅助g p s 接收机分别 在冷启动、温启动和热启动情况下的捕获时间； 第三，选择了适合于低信噪比环境的d l l p l l 鉴相器，并根据最优闭环传递函数设 计了二阶环和三阶跟踪环路数字滤波器参数； 第四，依据选择的鉴相器和设计的环路滤波器参数在m a t l a b 软件上实现了g p s 软 件接收机； 第五，详细分析了d l l p l l 跟踪环路的主要误差源，根据输入信号的动态和信噪比， 设计了最优载波跟踪环路带宽： 第六，设计了i n s 辅助g p s 接收机的跟踪环路，并基于跟踪环路的主要误差源分析了 i n s 辅助跟踪环路的最小环路带宽和最优环路带宽； 第七，采用真实的静态g p s 信号和仿真器仿真的高动态信号对设计的软件接收机、最 优环路带宽以及i n s 辅助的载波跟踪环路进行了实验验证。 1 3 2 论文的组织结构 本文共六章，内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题研究的背景及意义，阐述了国内外课题的研究现状， 对论文的主要工作进行了总结。 第二章介绍了g p s 信号的结构，c a 码的产生方法及其自相关和互相关特性，给出了 软件g p s 接收机的内部结构和信号流程。 第三章在i n s 辅助接收机捕获的理论基础上，分别分析了i n s 辅助接收机的冷启动、 温启动和热启动平均捕获时间。 第四章在跟踪环路理论的基础上，对d l l p l l 跟踪环路误差源进行分析，设计了最 优环路带宽，给出了i n s 辅助载波环路的设计方法。 第五章通过低动态实验和高动态仿真实验对上述的分析进行了验证。 第六章为结论与展望，对本文的工作进行总结，并指出下一步的研究方向。 第6 页 国防科技大学研究生院学位论文 第二章g p s 信号特性及g p s 软件接收机 整个g p s 定位系统由三部分组成，即由g p s 卫星组成的空间部分、由若干地面站组 成的地面监控系统和以接收机为主体的用户设备。三者有各自独立的功能和作用，但又是 有机配合、缺一不可的整体系统。g p s 系统将导航电文以数据形式对伪随机码和载波进行 两次调制，形成无线电波向地面发送。用户则通过接收机截获视界内的卫星信号进而求得 导航定位信息，系统通信采用码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 的扩频 通信技术( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，这即是g p s 系统的简要工作原理。本章首先 介绍了g p s 信号的结构组成及调制方法，接着介绍了c a 码的产生方法及其自相关和互 相关特性，最后给出了g p s 软件接收机的内部结构和信号处理流程。 2 1g p s 信号特性 2 1 1g p s 信号结构及调制方法 g p s 卫星信号包含有三种成分：即数据码( d ，或称导航电文编码) ，测距码( c a 码 和p 码) 和载波( l 1 和l 2 ) 。这三种信号分量，都是在同一个基本频率f o = 1 0 2 3 m h z 的 控制下产生的。 图2 1g p s 信号生产图 g p s 卫星天线发射的信号是将导航电文d ( ，) 经过两级调制后的信号。第一级调制是将 低频d ( t ) 码分别调制高频c a 码和p 码，实现对d ( f ) 的伪随机码扩频。第二级调制是将第 一级调制的组合码再分别调制在两个载波频率( l 1 和l 2 ) 上。 g p s 卫星取l 波段的两种不同频率的电磁波如下： l l 载波频率石= 1 5 4 x f o = 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长 = 1 9 0 3 c m ； l 2 载波频率疋= 1 2 0 x f o = 1 2 2 7 6 朋勉，波长五= 2 4 4 2 c m 。 在载波l 1 上调制了c a 码和p 码，并且是采用正交调制方式进行调制的，这种调制 称为b p s k 调制；在载波l 2 上调制了p 码。 第7 页 国防科技大学研究生院学位论文 若以瓯( f ) 和：( ，) 分别表示载波l 1 和l 2 的已调波，则它们可分别表示为 l o ) = a p 尸o ) d o ) c o s ( 2 万石r + 破) + 4 c o ) d o ) s i n ( 2 万彳，+ 办) ( 2 1 ) 咒2 ( f ) = b p p ( f ) d ( f ) c o s ( 2 万厶，+ 欢) ( 2 2 ) 式中：a 。为调制在l 1 上的p 码的振幅，b 。为调制在l 2 上的p 码的振幅，尸( r ) = 1 表示p 码的相位，d ( t ) = 1 表示数据码，石是l 1 的频率，五是l 2 的频率，破是l 1 的初 始相位，勿是l 2 的初始相位，c ( ，) = 1 表示c a 码的相位。图2 2 给出了卫星发射信号 的波形构成原理图t 图2 2g p s 信号构成原理框图 g p s 导航定位系统采用扩频通信技术，以码分多址的方式为用户提供服务。扩频通信 是通过对信息( 待传送的信息数据) 进行伪随机码( 扩展频谱序列) 调制，将信息频带大 大展开后以低功率传输，然后接收机端利用同样的伪随机码进行相关解调、恢复原始数据 信息的宽带通信技术，它具有伪随机编码和信号相关处理的特点。所谓码分多址，就是针 对不同的g p s 卫星，预先指定使用不同结构的伪随机码。当用户接收某颗卫星信号时，接 收机产生与该卫星的伪码结构相同的本地跟踪码，并让本地码与卫星伪码对齐，即相关函 数为“1 时，便可对捕获得到的码序列进行辨别。 2 1 2g p s 导航数据 g p s 导航电文是指包含g p s 导航信息的数据码。g p s 导航信息指的是：卫星星历， 卫星工作状态，卫星历书，时间系统，星钟改正参数，轨道摄动改正参数，大气折射改正 参数，遥测码以及由c a 确定p 码的交换码等。 导航电文是二进制编码文件，按规定格式组成数据帧，按帧向外播发。每帧电文含有 1 5 0 0 b i t ，播送速率为每秒5 0 b i t ，所以，一帧电文的播送时间是3 0 s 。每帧电文含有5 个子 帧，每个子帧含有1 0 个字，每个字为3 0 b i t ，所以，每一子帧共含有3 0 0 b i t ，持续时间为 6 s 。2 5 个帧构成一个超帧，持续时间为1 2 分半钟，按5 0 b i t s 的传播速率，每一个数据位 第8 页 国防科技大学研究生院学位论文 长2 0 m s ，由于c a 码周期为l m s ，因此，一个数据位含有2 0 个c a 码周期。这样，一个 数据位中所有2 0 个c a 码都有相同的相位。图2 3 给出了导航电文的数据格式。 1 个主帧 1 个子帧 1 4 字 v t 页面 图2 3 g p s 导航电文格式 g p s 时是以一周中的妙数给出的，在每星期的起始时刻归零，在g p s 时中，起始时刻 规定在星期六子夜与星期天凌晨交界处。子帧和超帧都是从每星期的起始时刻开始算起。 2 1 3c a 码的产生 c a 码是一种g o l d 码，其序列长度为1 0 2 3 位，码速率为1 0 2 3 m h z ，码序列的重复周 期为l m s 。c a 码是由两个1 0 级反馈移位寄存器构成的m 序列复合产生的。两个移位寄 存器于每星期日子夜时，在置“l 脉冲作用下全处于l 状态，同时在码率1 0 2 3 m h z 钟脉 冲的驱动下，两个移位寄存器分别产生码长为1 0 2 3 ，周期为l m s 的两个m 序列g 1 0 ) 和 g o ) 。其中，g 2 ( ，) 序列经过相位选择器，输出一个与g ，( f ) 平移等价的m 序列，然后与g 1 ( ，) 模2 相加，便得到c a 码。其产生原理示意图为： 第9 页 国防科技人学研究生院学位论文 图2 4c a 码产生器简化框图 g l 和g 2 的特征多项式分别为： fg 1 ( x ) = l + x 3 + x 1 0 【g 2 ( x ) = l + x 2 + x 3 + x 6 + x 8 + x 9 + x l o ( 2 3 ) 由于g ( ，) 的码元共有1 0 2 3 位，故g ( r ) 可能有1 0 2 3 种平移等价序列，再加上g 1 ( f ) 和 g ( ，) 本身，一共可以产生1 0 2 5 个结构不同的c a 码提供使用。然而，i c d g p s 一2 0 0 所规 定的c a 码发生器用的是g 寄存器的两个抽头时延，因而只有4 5 个g o l d 码组合。特性最 后的3 2 种g o l d 码用于g p s 空间段。 c a 码的特性与m 序列的特性很相似，c a 码除了有很好的自相关特性还有很好的互 相关特性，而且地址码的数量比m 序列要多的多。例如，对于c a 码l o 位的移位寄存器 来说，只有3 0 个可以使用的