卫星导航接收机信号处理技术研究-硕士论文

单位代码 单位代码 1 103590359 学学 号 号 2 20111111060701111110607 密密 级 级 公公开开 分类号 分类号 P P228 41228 41 Hefei University of Technology 硕硕士学位论文士学位论文 MASTER S DISSERTATION 论文题目 论文题目 卫星导航接收机信号处理技术研究 学位类别 学位类别 学历硕士 专业名称 专业名称 信号与信息处理 作者姓名 作者姓名 徐华敏 导师姓名 导师姓名 孙克文 教授 完成时间 完成时间 2014 年 4 月 万方数据 合 肥 工 业 大 学 学历硕士学历硕士学位论文学位论文 卫星导航接收机卫星导航接收机信号处理技术信号处理技术研究研究 作者姓名 徐华敏 指导教师 孙克文 教授 学科专业 信号与信息处理 研究方向 卫星导航接收机关键技术研究 2014 年 4 月 万方数据 A Dissertation Submitted for the Degree of Master Research on signal processing technology of GNSS receiver By Xu Huamin Hefei University of Technology Hefei Anhui P R China April 2014 万方数据 万方数据 万方数据 I 致谢致谢 时光匆匆 转眼三年即将过去 在合肥工业大学卫星导航实验室攻读硕士学位期间 在 我的导师孙克文老师的教导下 我不仅收获了知识 更学会了如何主动学习 积极而又效率 地进行科研工作 同时也收获了一群有梦想有斗志的朋友 在短短的几年求学时光中 留下 了很多美好的回忆 正值论文完成之际 我要向帮助关心过我的老师 同学和家人表示感谢 你们的教导 支持与鼓励是我克服困难勇往直前的强大动力 首先 我要衷心地感谢孙克文老师 是您渊博的知识 严谨的科研态度 精益求精的科 研作风以及语重心长的教诲不断的影响着我 在课题开始初期 您督促我们认真计划 细心 调研 在实验遇到困难时 您教导我们要迎难而上 在您的指导下 我们更多地注重团队合 作 并不断地开阔视野与思路去发现和解决问题 也积累了不少科研经验 总之 是孙克文 老师的帮助与指导使我得以积极投入科研工作并顺利完成学业 您的谆谆教诲我将一生受用 其次 我要感谢计算机与信息学院的所有老师们 是他们的严谨治学的作风和科研态度 为我们创造了良好的科研环境 在我困惑时也提供了很多的建议 并关心和帮助我们学习与 生活上的问题 使我们可以全身心地投入到科研中 再次 我要感谢我们实验室的刘伟 朱世平 陈鹏飞 陶帅 金俊峰等同学 在实验室 学习过程中 我们互助互爱 在科研遇到困难时能互相帮助鼓励 在生活中也彼此照顾 因 此在这几年里建立了深厚的友谊 与他们的探讨和争论也启发了我 让我受益匪浅 今后工 作中我也会保持这种团队合作精神 同时 我也要感谢我的朋友宁海燕 王飞 沈仁明 张春阳等人 他们在我开心时与我 一同分享 在我困惑时给我建议 在我低谷时给我鼓励 是他们让我在顺境中不骄傲张扬 在逆境中不气馁放弃 感谢你们给我的关心 最后 我要感谢我的家人 他们不仅给了我无微不至的关爱 更为我提供了物质上的支 持 我会带着家人的期望继续努力 奋勇前进 总之 感谢合肥工业大学给了我宝贵的学习机会和优良的科研环境 我会谨记厚德 笃 学 崇实 尚新的校训 以工大人的标准严格要求自己 在未来的工作岗位上严格自律 不 断创造好的成绩 为母校增辉生色 硕士学业的完成并不代表学习的结束 在社会这个新起点上 我会发奋图强 乘长风破 万里浪 以出色的工作成绩来回报所有关心帮助过我的人 作者 徐华敏 2014年3月10日 万方数据 II 摘要摘要 全球卫星导航系统 Global Navigation Satellite System GNSS 是一个能够全天候 实 时的提供精确定位 测速和授时服务的系统 随着全球卫星导航系统在军用和民用领域的应 用日益广泛 应用环境也日渐复杂 信号微弱和易受干扰等问题逐渐凸显 特别是在室内 深林 隧道等复杂环境中信号更加微弱 而且容易受到外界各种干扰 在这些环境下传统的 卫星导航接收机可能无法正常工作 因此 对卫星导航接收机抗干扰和弱信号捕捉技术的研 究越来越受到重视 具有重要的理论意义和实用价值 目前卫星导航技术存在的主要问题是干扰影响信号质量以及对接收机的捕获灵敏度要求 不断提高 因此 本文在对 GNSS 系统及接收机原理进行分析的基础上 对接收机的干扰检 测方法和弱信号捕获算法做了深入研究 主要工作及结论如下 针对卫星导航接收机在复杂环境下易受到干扰而严重影响信号质量的问题 本文在分析 几种时频分析方法的基础上 建立了扫频干扰模型 运用了基于分数阶傅里叶变换的干扰检 测方法 通过连续对信号做分数阶傅里叶变换 采用二维谱峰搜索算法 估计变换的阶数 然后对信号进行该阶分数阶傅里叶变换 检测出干扰 基于分数阶傅里叶变换的干扰检测方 法不仅克服了其他时频方法的缺点 而且计算量小 能有效检测干扰 为了提高卫星导航接收机的捕获灵敏度 本文利用新一代复合卫星导航信号的数据分量 和导频分量 提出了差分联合数据 导频信道组合方法 包括差分比较信道组合及差分相干信 道组合 该捕获方法充分利用了数据与导频信道中可用卫星信号的传输功率 提供比传统的 捕获方法更加优良的性能 显著提高了卫星导航接收机在弱信号环境下的捕获灵敏度 仿真实验表明 本文提出的基于分数阶傅里叶变换的干扰检测方法相比短时傅里叶变换 和维格纳 威尔分布有更好的检测效果 差分比较信道组合和差分相干信道组合的捕获技术结 合了差分和信道组合的优点 尤其是差分相干信道组合捕获方法 更加适用于弱信号环境下 的高灵敏度卫星导航接收机的信号捕获 关键字关键字 全球卫星导航系统 时频分析 干扰检测 高灵敏度 信道组合 万方数据 III ABSTRACT Global Navigation Satellite System GNSS can provide accurate position velocity and timing services system all weather real time With the GNSS widely used in the military and civilian fields and the environments becoming more complex the signal becomes weaker and susceptible to interference especially in complex environments such as indoor forest and tunnels etc In that case the traditional GNSS receiver may not work Therefore the study of the anti jamming of GNSS receiver and weak signal acquisition technologies has get more attention and it has important theory research signification and utility value The main problems of GNSS receiver are the interference which influences signal quality and the requirement of receiver sensitivity increasingly high Thus this article elaborates the architecture of GNSS and principle of GNSS receiver At the same time the interference detection methods and acquisition algorithms have studied The main work and conclusions are as follows For the situation that GNSS signal is easily interfered and the signal quality can seriously get worse in complex environments several time frequency analysis methods have been discussed then establishes sweep interference model proposed an interference detection method based on fractional Fourier transform The main ideal of this method is making the continuous fractional Fourier translation of the GNSS signal to acquire the fractional power by searching two dimensional spectral peak then do fractional Fourier transform and detection the interference The proposed method based on fractional Fourier transform not only overcomes the shortcomings of other time frequency methods but also reduces the amount of calculation can detect the interference effectively By utilizing the signal data and pilot channels joint data pilot channels combining methods have been proposed in order to improve the sensitivity of the GNSS receiver The proposed methods make full use of the power of the data and pilot channels provide an excellent performance than traditional acquisition methods and improve the sensitivity of GNSS receiver acquisition significantly in weak signal environments Simulation results demonstrate that the fractional Fourier transform method has better detection performance compared to short time Fourier transform and Wigner Wile Distribution methods Differential channels combining technology provide a better performance especially the differential coherent channel acquisition technology is more suitable for weak signal environments acquisition Keywords GNSS time frequency analysis interference detection high sensitivity channel combination 万方数据 IV 目录目录 第一章 绪论 1 1 1 研究背景和意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 抗干扰研究现状 2 1 2 2 弱信号捕获研究现状 3 1 3 研究内容和主要结构 5 1 4 本章小结 5 第二章 GNSS 系统及接收机原理 6 2 1 GNSS 系统简介 6 2 1 1 GPS 系统 6 2 1 2 GALILEO 系统 9 2 1 3 GLONASS 系统 10 2 1 4 COMPASS 系统 11 2 2 GNSS 信号结构 11 2 2 1 伪码 12 2 2 2 数据码 13 2 2 3 多普勒频移 15 2 3 GNSS 接收机的结构 15 2 3 1 天线 16 2 3 2 射频信号调整 16 2 3 3 下变频混频 16 2 3 4 模数转换 17 2 4 本章小结 19 第三章 卫星导航接收机信号干扰检测研究 20 3 1 扫频干扰模型 20 3 2 时频分析 21 3 2 1 信号的不确定原理 21 3 2 2 短时傅里叶变换 22 3 2 3 维格纳 威尔分布 23 3 3 基于分数阶傅里叶变换的干扰检测 24 3 3 1 分数阶傅里叶变换 24 3 3 2 基于分数阶傅里叶变换干扰检测 27 3 4 算法仿真分析 30 万方数据 V 3 5 本章小结 36 第四章 GNSS 弱信号捕获方法研究 37 4 1 信号捕获原理及影响因素 37 4 1 1 捕获原理 37 4 1 2 捕获时最大导航电文长度 37 4 1 3 捕获时的频率搜索步长 38 4 2 传统信号捕获方法 38 4 2 1 线性捕获 38 4 2 2 并行频率搜索 39 4 2 3 并行码相位搜索 39 4 3 弱信号捕获方法 40 4 3 1 相干积分 40 4 3 2 非相干积分 41 4 4 差分比较信道组合捕获方法 42 4 4 1 虚警概率 44 4 4 2 检测概率 46 4 5 差分相干信道组合捕获方法 48 4 5 1 虚警概率 49 4 5 2 检测概率 50 4 6 算法仿真分析 51 4 7 本章小结 54 第五章 总结与展望 55 5 1 全文总结 55 5 2 展望 55 参考文献 56 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 56 万方数据 VI 插图清单插图清单 图 1 1 接收机抗干扰模块 3 图 2 1 全球 GNSS 系统 6 图 2 2 GPS 的 3 个组成部分 7 图 2 3 GPS 卫星星座 8 图 2 4 GPS 接收机定位原理 9 图 2 5 C A 码发生器 12 图 2 6 时域 GPS 信号 14 图 2 7 GPS 信号功率谱 14 图 2 8 GPS 接收机组成 15 图 3 1 扫频信号时域和频域特性 20 图 3 2 t 平面旋转 角到 u v平面 25 图 3 3 信号 x t分数阶傅里叶变换的幅度谱 p 0 8 28 图 3 4 信号 x t分数阶傅里叶变换的幅度谱 p 0 9 28 图 3 5 信号 x t分数阶傅里叶变换的幅度谱 p 1 0 29 图 3 6 含有 LFM 干扰的 GPS 信号的短时傅里叶变换 窗口大小 63 30 图 3 7 含有 LFM 干扰的 GPS 信号的短时傅里叶变换 窗口大小 63 30 图 3 8 含有 LFM 干扰的 GPS 信号的维格纳 威尔分布 31 图 3 9 含有 LFM 干扰的 GPS 信号的维格纳 威尔分布 31 图 3 10 含有单个 LFM 干扰的 GPS 信号的分数阶傅里叶变换 32 图 3 11 分数阶傅里叶变换的旋转因子 32 图 3 12p 阶分数阶傅里叶变换 33 图 3 13 含有 2 个 LFM 干扰的 GPS 信号的维格纳 威尔分布 33 图 3 14 含有 2 个 LFM 干扰的 GPS 信号的维格纳 威尔分布 34 图 3 15 含有 2 个 LFM 干扰的 GPS 信号的分数阶傅里叶变换 34 图 3 16 分数阶傅里叶变换的旋转因子 35 图 3 17p 阶分数阶傅里叶变换 35 图 4 1 线性搜索捕获 39 图 4 2 并行频率搜索捕获 39 图 4 3 并行码相位搜索捕获 40 图 4 4 差分比较信道组合捕获 43 图 4 5 差分相干信道组合策略 48 图 4 6 不同捕获方法的接收机工作特征曲线比较 伽利略民用导航信号 0 28C NdBHz 52 万方数据 VII 图 4 7 不同捕获方法的接收机工作特征曲线比较 伽利略民用导航信号 0 30C NdBHz 52 图 4 8 不同捕获方法的接收机工作特征曲线比较 伽利略民用导航信号 0 32C NdBHz 53 图 4 9 不同捕获方法的信噪比曲线比较 伽利略民用导航信号 6 5 10 fa P 53 万方数据 VIII 表格清单表格清单 表 2 1 C A 码分配表 13 表 2 2 GPS 信号功率 14 表 4 1 伽利略民用导航信号仿真参数 51 万方数据 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 研究背景和意义 随着全球导航卫星系统 Global Navigation Satellite System GNSS 的快速发展 已经 广泛应用于军用和民用众多领域 全球卫星导航系统能够为用户提供精确地 全天候和实时 的位置 Position 速度 Velocity 和时间 Time 等服务 在军用方面 卫星导航系统主 要用于精确制导武器 军事侦察 弹道导弹和战场指挥等多种军事应用场合 在民用方面 广泛用于大气遥感 大地测量 车载导航 个人终端导航和电信通讯等多个领域 满足用户 的各种需求 从根本上解决了用户导航和定位问题 当今 很多国家都将卫星导航系统的研 究放在国家科技发展的重要位置 而且很多国家已经拥有了自己的卫星导航系统 例如美国 的全球定位系统 Global Positioning System GPS 俄罗斯的全球导航卫星系统 Global Navigation Satellite System GLONASS 欧盟的伽利略系统 以及中国的北斗卫星导航系统 Compass 卫星导航系统无论是在国防还是在经济领域都占有重要的位置 美国的 GPS 系 统 就在海湾战争 伊拉克战争以及北约对南联盟战争等军事行动中发挥了非常重要的作用 当今世界正面临一场新的军事革命 电子战 雷达战等导航战必将成为未来战争的主要方向 随着社会的发展 对个人终端 车载导航等终端设备的需求将非常巨大 定会带来巨大的经 济效益 卫星导航将成为继互联网和移动通信之后的第三个电子信息产业 卫星导航接收机 作为卫星导航系统的重要组成部分 是卫星导航系统和用户之间桥梁 对导航接收机的研究 成为众多学者研究的热点之一 因此 卫星导航系统对一个国家的国防和经济等方面具有重 要的作用 卫星导航系统最初的研制目的是为了满足军方和民用领域对连续 实时 精确导航需求 并没有充分考虑到在复杂环境下的问题 随着卫星导航系统的应用越来越广泛 其应用环境 也越来越复杂 对卫星导航系统定位等服务的要求也越来越高 虽然卫星导航系统采用扩频 通信 具有一定的干扰容限 但是当外界干扰强度很大时 依然会严重影响接收机的正常工 作 卫星导航信号在传播的过程中容易受到许多有意或无意的干扰 有连续波干扰 扫频干 扰和脉冲干扰等 例如 在航空无线电导航服务 Aeronautical Radio Navigation Services ARNS 中 战术空中导航 TACAN 塔康 和距离测量设备 Distance Measuring Equipment DME 等 给工作在频段 1164 至 1264 兆赫的卫星导航信号 例如 GPS L5 伽利略 E5a E5b 造成 严重的干扰 电视发射信号 可以同时产生窄带和宽带干扰 是名副其实的干扰源 因此 这些都会对卫星导航系统造成一定的威胁 由于卫星导航系统已经广泛用于军事领域 当受 到敌方恶意施加的有意干扰时 可能会导致卫星导航接收机无法工作 造成巨大的损失 由 于这些各种干扰的存在 严重影响卫星导航接收机的正常工作 除了卫星信号容易受到干扰之外 信号微弱也是影响接收机正常工作的一个重要因素 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 2 由于卫星导航系统起初并非针对城市街道 室内 森林 隧道等复杂工作环境设计的 1 卫 星发射功率很小 而且距离地球表面又远 一般的卫星导航接收机难以满足对室内定位等弱 信号环境下的严格要求 如北美紧急求救电话 E 911 或欧盟 E 112 等 这些都对卫星导航接 收机的正常工作带来了巨大的挑战 室内导航和定位给卫星导航接收机的设计带来了很多难 题 例如 卫星接收信号穿过房顶 墙壁或门窗而到达室内的信号强度非常微弱 一般情况 下 室内的信号强度要比室外的信号强度低 20 30dB 接收的信号功率在 160dBW 左右 2 接收机在信号捕获过程中对这些微弱信号的检测量很难超过捕获门限值 也就很难捕获到这 些微弱信号 传统的卫星导航接收机将不能正常工作 因此 对高灵敏度卫星导航接收机的 研究成为解决室内导航定位等各种难题的必然选择 具有重要的研究意义和实用价值 最近几年美国的GPS系统将进行全面升级 欧洲的GALILEO系统和俄罗斯的GLONASS 系统也正在发展 我国的北斗二代卫星导航系统也已经在全面部署 随着这些系统的不断更 新和完善 也让卫星导航接收机的抗干扰和捕获技术具有更大的应用和市场价值 而且北斗 卫星导航系统已经成为我国重要的空间基础设施 对卫星导航接收机相关技术的研究能够为 我国北斗卫星导航产业的发展提供重要的技术支持 综上所述 为了保证卫星导航接收机能够在复杂多变的环境中依然能够提供精确地导航 定位服务 顺应国防安全和市场经济的需求 对卫星导航接收机相关技术的研究具有重要的 研究意义和实用价值 1 2 国内外研究现状 GNSS 系统已经广泛运用于军用和民用领域 然而卫星导航信号不仅微弱 而且容易受 到干扰也是不容置疑的事实 对卫星导航接收机抗干扰和弱信号捕获的研究已经成为全球卫 星导航领域的一个热点和难点 而且很多国家都已经把全球卫星导航系统相关技术的研究放 在了重要的位置 1 2 1抗干扰研究现状抗干扰研究现状 卫星导航信号在空间传播的过程中 不可避免的会受到很多有意和无意的干扰 卫星导 航系统受到的干扰主要有人为干扰和潜在干扰 干扰类型主要有窄带干扰 宽带干扰 脉冲 干扰 扫频干扰等 在卫星导航抗干扰方面 国内外众多学者做了大量研究 并取得了许多 重要成果 主要集中在如下几个方面 时域滤波 频域滤波 时频域滤波以及自适应天线技 术 伪卫星和组合导航等多种方法 文献 3 4 采用了时域滤波的方法 对窄带干扰效果明显 但是对宽带干扰效果不理想 文献 5 6 提出了频域滤波方法 适用于一些窄带干扰 但对宽 带干扰效果也不明显 文献 7 8 采用了时 频滤波的方法 适用于窄带干扰和部分宽带干扰 主要方法是对信号做时频分析 然后检测出干扰 再将干扰从信号中分离出来 其中 时频 分析方法在处理非平稳信号方面的效果比较好 时频变换干扰抑制方法的核心就是利用信号和干扰在时 频面上具有不同的分布特性 选 万方数据 第一章 绪论 3 择合适的时频分析工具对卫星导航信号进行变换域分析 时频域分析方法对干扰的抑制具有 显著的效果 常用的时频分析方法主要有短时傅里叶变换 Short Time Fourier Transform STFT 维格纳 威尔分布 Wigner Ville Distribution WVD 和小波变换 Wavelet Transform WT 等 文献 9 10 提出了基于短时傅里叶变换的干扰抑制方法 但是由于测不准原理的制 约 即信号的时间分辨率和频率分辨不能同时缩小的矛盾 对非平稳信号干扰抑制的效果一 般 文献 11 12 提出了基于小波变换的干扰缓解算法 利用小波在时频域内同时具有较高的 分辨率的特性来对干扰进行检测和缓解 具有较好的效果 主要适用于脉冲干扰缓解 文献 13 14 提出了基于维格纳威尔分布的干扰缓解算法 该方法能准确检测干扰 然后利用陷波 器实现干扰的剔除 但是维格纳威尔分布在处理多信号分量时存在交叉项干扰 影响干扰的 检测 因此在处理多分量干扰时该方法效果一般 卫星导航接收抗干扰的研究无论在国际上还是国内 都是研究的热点和难点之一 我国 在这方面的研究起步较晚 研究成果主要集中在部分高校和研究所 其中武汉大学的自适应 天线抗干扰算法 15 17 和国防科技大学的空时抗干扰算法 18 20 电子科技大学在时频域 空域 等方面做出了重要的贡献 21 22 以及北京航空航天大学 北京理工大学也都做了相关研究 23 26 短时傅里叶变换由于时间窗大小固定的限制 不适合处理非平稳信号 小波变换一般适 合处理脉冲干扰 应用范围受限 维格纳 威尔分布在处理多分量干扰时会引入交叉项干扰 影响干扰的检测 处理多分量干扰效果不理想 本文通过引入分数阶傅里叶变换的方法 利 用分数阶傅里叶变换在处理非平稳信号方面的优良特性 在一定程度上解决了其他方法在处 理非平稳信号方面的不足 本文的干扰处理模块如图 1 1 所示 主要对线性调频干扰的检测 做了深入研究 射频前端射频前端基带信号处理基带信号处理 卫星导航接收 机抗干扰处理 定位导航运算定位导航运算 天线天线 图 1 1 接收机抗干扰模块 Fig 1 1 Anti jam block of GNSS Receiver 1 2 2弱信号弱信号捕获捕获研究现状研究现状 目前对室内定位技术的研究主要集中在高灵敏度软件接收机和辅助软件接收机的设计两 个方向 通常 接收机接收到的卫星信号都比较弱 其功率一般在 160dBmW 左右 在城市 街道 室内 森林 隧道等复杂环境中 信号会更加微弱 加上外界环境干扰的存在 对弱 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 4 信号的捕获将变得非常困难 GNSS 接收机的工作原理主要分为捕获 跟踪以及后续的导航 解算三大部分 信号捕获是对码相位和多普勒频移进行二维搜索的过程 卫星导航接收机首 先将天线接收到的信号下变频为中频信号 经过采样 量化之后送入捕获模块 得到粗略的 码相位和多普勒频移 然后再输入到接收机的跟踪模块进行细化 获得精确的码相位和多普 勒频移 因此对卫星导航接收信号捕获方法的研究就显得非常重要 也是卫星导航接收机的 核心技术 针对卫星导航信号捕获方法 国内外众多学者也做了大量研究 提出了很多重要的研究 成果 这些方法主要都是通过提高卫星导航接收机的处理增益 来提高 GNSS 弱信号的捕获 灵敏度 从而实现卫星导航接收机对卫星导航弱信号的捕获 卫星导航信号捕获常用的方法 主要有串行搜索捕获 并行频率搜索捕获和并行码相位捕获 文献 27 提出了串行捕获方法 电路结构虽然简单 但是搜索时间很长 文献 28 提出了并行捕获方法 虽然捕获速度有所 提高 但是也增加了硬件资源 对于弱信号捕获 一般通过延长积分时间 从而获得较高的信噪比 通常有相干积分和 非相干积分两种方式 文献 29 通过延长相干积分的时间 来获取较高的信噪比 然而相干 积分时间并不是可以无限增加的 它受到很多因素的限制 文献 30 提出了半比特和全比特 方法 进一步提高了信号处理增益 然而非相干积分会带来 平方损耗 Squaring loss 的 问题 使信噪比改善的效果大大降低 31 32 文献 33 提出了平均循环相关检测算法 通过减 少采样点数 来减小相关运算的时间 由于相干 非相干积分在处理弱信号捕获中都有局限 性 文献 34 36 提出了差分相干方法实现对卫星导航信号的捕获 信噪比得到了很大提高 差分相干方法就是将信号当前的累加值与信号延迟后的累加值进行共轭相乘 然后再累加的 过程 通过采用差分相干方法 可以减小 平方损耗 的影响 而且基本可以捕获弱的卫星 导航信号 与相干累加捕获方法相比 差分相干捕获方法不仅降低了对相干累加时间长度的 要求 而且缓解了导航电文比特翻转对信号捕获的影响 另外 差分相干捕获算法中不同时 刻的高斯白噪声是统计独立的 相邻采样点噪声相乘的均值几乎为零 因而这种方法对噪声 的放大比较小 因此 相对于非相干累加算法 差分相干捕获算法有效改善了信噪比 提高 了捕获灵敏度 在 GNSS 系统中 采用差分相干方法比采用非相干累加方法 信噪比大约提 高了 1 5 2 0dB 34 目前 国内对高灵敏度软件接收机研究还处于起步阶段 对复杂环境下的信号捕获方法 的研究相对较少 与欧美等发达国家还有一定的差距 主要的原因是国内对卫星导航系统的 研究起步比较晚 加上国内的导航定位产品大部分都被国外垄断 国内的研究主要是对 GNSS 接收机进行二次开发 很少研究其核心技术 这就造成了我国对高灵敏度接收机的研究与国 外有较大的差距 主要有北京航空航天大学 37 38 上海交通大学 39 41 电子科技大学 42 43 等 高校做了相关研究 万方数据 第一章 绪论 5 1 3 研究内容和主要结构 本文的主要工作是 对当前卫星导航接收机抗干扰和信号捕获的研究背景和意义进行阐 述和说明 在介绍 GNSS 系统构成和接收机原理的基础上 对信号干扰检测和捕获相关算法进 行了分析和研究 针对卫星信号易受到干扰问题 提出了基于分数阶傅里叶变换的干扰检测 方法 对弱信号的捕获问题 提出了差分比较信道和差分相干信道捕获方法 并且通过仿真 分析与传统方法进行了比较 本文主要内容如下 第一章 绪论 本章阐述了卫星导航系统相关技术的研究背景和意义 简要分析了国内外的 研究状况 概要介绍了本文的主要研究内容和结构安排 第二章 GNSS 系统及接收机原理 本章主要介绍了 GNSS 系统以及接收机结构和工作原理 详细分析了 GNSS 信号结构以及天线接收到的信号在射频前端的处理过程 包括射频信号调整 下变频混频和模数转换 第三章 GNSS 接收机时频干扰检测研究 主要分析了几种时频分析方法 包括短时傅里叶变 换 维格纳 威尔分布 提出了基于分数阶傅里叶变换的干扰检测方法 通过仿真分析验证了 所提出的方法相对于其他方法的在干扰检测方面的优势 第四章 GNSS 弱信号捕获算法的研究 简要分析了 GNSS 信号传统捕获方法 充分利用新一 代复合卫星导航信号数据分量和导频分量 提出了差分比较信道和差分相干信道捕获方法 并且通过仿真分析与传统的方法进行了比较 第五章 总结与展望 对本文进行总结和回顾 以及确定今后的工作方向 1 4 本章小结 本章首先介绍了卫星导航接收机抗干扰和弱信号捕获的研究背景和意义 简要分析了国 内外抗干扰和弱信号捕获的研究现状 最后介绍了本文的主要研究工作 结构安排 万方数据 第二章 GNSS 系统及接收机 6 第二章第二章 GNSSGNSS 系统及系统及接收机接收机原理原理 2 1 GNSS 系统简介 GNSS 是全球导航卫星系统 Global Navigation Satellite System 的简称 主要是指为空 间和地球用户提供导航定位服务的所有卫星导航系统 包括全球的 区域的和增强的系统 如美国的 GPS 欧洲的 Galileo 俄罗斯的 GLONASS 以及我国的北斗卫星导航系统 还包括 相关的增强系统 如美国的广域增强系统 欧洲的静地导航重叠系统和日本的多功能运输卫 星增强系统等 是一个复杂组合系统 如图 2 1 所示 44 图 2 1 全球 GNSS 系统 Fig 2 1 Global GNSS systems 目前正在运行的 GNSS 系统中 使用最广泛是美国的 GPS 系统 它由运行在 12 个轨道 上的 24 颗卫星组成 实际运行数目超过 24 颗 该系统由美国国防部研制 除了军事应用之 外 现在已经广泛用于商业和普通用户 尽管 GPS 应用非常广泛 但是现在已经有很多用户正在尝试其他可以代替的导航系统 主要原因有两个 一是因为 GPS 完全由美国国防部控制 无论是出于国家安全 还是个人的 安全性考虑 都需要一个可以代替的产品 二是因为 GPS 是一个单一的系统 如果用户在使 用该系统的时候出现了故障 将会导致难以预料的后果 甚至造成不可估计的损失 因此 使用多个 GNSS 系统可以在一定程度上提高系统的冗余 从而增加系统应用的鲁棒性 欧洲 的伽利略系统 GALILEO 和中国的北斗系统 COMPASS 应运而生 目前中国的北斗系 统已经投入使用 随着 GNSS 系统的不断发展 无论是从的安全性考虑 还是从市场发展的角度来看 使 用多模接收机是必然的选择 这样可以在很大程度上提高导航定位的安全性和稳定性 在不 久的将来一定是多个 GNSS 系统共存的局面 下文将介绍当今世界四大 GNSS 系统 2 1 1 GPS系统系统 GPS Global Positioning System 是全球定位系统的简称 GPS 是 1958 年美国军方历经 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 7 20 年 耗资近 300 亿美元开发的全球无线电导航系统 可以为地球用户全天候 实时的 高 精度的提供三维位置 三维速度和时间服务 并且可以用于情报的收集和紧急通信等一些军 事目的 全球卫星导航系统的诞生 用户导航定位问题从此得以解决 该系统分为军用和民 用两大部分 它是世界上第一个成熟的全球卫星导航系统 并且得到了广泛的应用 系统主 要由地面控制段 空间段和用户端三个部分构成 如图 2 2 所示 图 2 2 GPS 的组成部分 Fig 2 2 The components of the GPS 系统的空间部分由 24 颗卫星组成 有 21 颗工作卫星 有 3 颗备用卫星 但实际运行的 卫星数目在 30 颗左右 分布在 6 个轨道上 轨道高度为 20200km 属于地球中轨卫星 运行 周期为 12 小时 地球赤道面和轨道面的夹角约为 55o 相邻两个轨道面的升交点精度相差 60o 45 卫星在轨道上不均匀的分布 如图 2 3 所示 之所以将 GPS 系统的卫星星座设计成如 上所述 目的一是让地面的任何地点在任意时刻都可以同时观测到足够数量的卫星 至少 4 颗 卫星的数目和分布情况随着观测地点和时间的不同而异 在一般情况下 最少有 4 颗 最多可以达到 11 颗 目的二是增强了它的容错性能 例如 假如其中一个轨道平面上的一颗 卫星发生故障 由于其相邻轨道面上还有其他卫星存在 因卫星发生故障而对其定位性能和 覆盖性能造成的影响将大大降低 而且 在必要的时候 3 颗备用卫星也可以代替发生故障的 卫星 为 GPS 卫星导航系统的正常运行起到了非常重要的作用 万方数据 第二章 GNSS 系统及接收机 8 图 2 3 GPS 卫星星座 Fig 2 3 GPS satellite constellation 地面监控主要由 1 个主控站 4 个注入站和 6 个检测站构成 监测站既可能是主控站又 可能是注入站 地面监控站主要位于美国的夏威夷 佛罗里达 印度洋的德哥加西亚和南太 平洋的卡瓦加兰等地 46 监控站主要是一个数据采集中心 由主控站控制 主要由 GPS 导航 接收机 原子钟 传感器以及计算机构成 它的功能主要是利用卫星导航接收机对 GPS 信号 进行观测和采集数据 然后监控站将处理后的收集数据发送给主控站 主控站的主要功能主 要有 监测卫星的运行轨道 计算卫星的钟差 保证主控站的原子钟和每颗卫星的原子钟同 步 计算卫星的星历参数 计算在有大气延迟情况下导航电文中包含的修正参数 更新卫星 的导航电文 发送相关控制命令用于调整卫星轨道 保证卫星在既定的轨道运行 以及检测 卫星能否正常工作 而且能够在卫星出现故障或者失效的情况下启动备用卫星 注入站主要 是向其他卫星转发导航电文以及控制信息 卫星星座和地面监控部分为 GPS 系统能够定位提供了基础 且可以供无数个 GPS 用户 使用 然而 这两个部分不会为 GPS 用户实现定位 如果用户想要定位还需要借助用户终端 设备部分 导航接收机就是用户设备 由相应的硬件系统和软件系统组成 用户设备的主要 作用就是可以捕获到一定的可视卫星信号 并且可以对这些卫星进行跟踪 当接收机天线接 收到卫星信号之后 通过对这些信号进行处理 接收机可以准确地计算出每颗卫星信号的发 射时间 然后将接收机接收到信号的时间与经过计算出来的卫星信号发射时间相减再乘以光 速 这样就可以计算出接收机到卫星的距离 于此同时 卫星的运行轨道参数等信息也被接 收机解算出来 根据相应的导航算法得出用户接收机的位置 速度和时间信息 如图 2 4 所 示 如果空间中的卫星用 表示 其在直角坐标系中的坐标为 nnn xyz通过测量的接收机 到卫星的距离为 n 根据距离公式可得 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 9 222 nnnn xxyyzz 2 1 式中 x y z就是需要求解的参数 即用户接收机的空间坐标 由式 2 1 可知 方程中有 3 个未知数 则只要 3 个方程就可以解出方程中的未知数 x y和z 然而 在通常情况下 接收 机时钟与卫星时钟不完全同步 存在一个误差 因此需要有 4 颗卫星的测量值 才可以计算 出方程中的三个未知数 从而获取用户接收机的位置信息 P x y z 111 xyz 333 xyz 222 xyz 图 2 4 GPS 接收机定位原理 Fig 2 4 Principle of GPS receiver positioning 当 GNSS 接收机天线接收到卫星信号后 经过相应的处理之后就对其进行捕获和跟踪 因此了解 GNSS 接收机原理和卫星信号结构对接收机相关技术的研究具有重要意义 GPS 系统的工作原理可以简单的如下概述 首先 位于空间部分的各颗卫星向地面发射 卫星信号 然后 地面控制部分接收各颗卫星发射的信号 通过计算后确定各颗卫星的运行 轨道 并且将计算之后的信息发送给卫星 让卫星在其要发射的信号上转发这些卫星的轨道 信息 最后 用户设备通过接收可见卫星的信号 通过导航信号的解算获取这些卫星信号的 轨道信息 通过计算就可以知道用户接收机的坐标位置信息 GPS 卫星发射的信号可以分为载波 伪码和数据码 主要用 L1 和 L2 波段发射无线电信 号 以及新增的 L5 波段 其中载波 L1 的频率为1575 42MHz 载波 L2 的频率为 1227 69MHz 载波 L5 的频率为 1176 45MHz 其中 L1 波段发射 C A 码和 P 码 L2 波段只发射 P 码 C A 码主要用于民用用户 定位精度在 100m 左右 又称为粗捕获码 P 码又称为精码 定位精度 较高 大约在 3m 左右 主要供军方使用 2 1 2 GALILEO系统系统 欧洲的伽利略系统是正在建设的新一代全球卫星导航系统 系统主要分为空间部分 地 面控制部分和用户设备部分 空间部分由分布在 3 个中高度轨道上的 30 颗卫星组成的卫星星 座 每个轨道上有 10 颗卫星 其中有一颗为备用卫星 轨道高度为 24000km 轨道倾角为 56 度 运行周期为 14 小时 45 地面控制部分主要包括位于欧洲和全球各地的地面控制中心 而且还提供了与通讯系统 和国际搜索与救援等系统之间的接口 为用户提供了多种模式的导航定位服务 用户部分主 万方数据 第二章 GNSS 系统及接收机 10 要是用户接收机设备 伽利略系统可以同时与 GPS GLONASS 的导航信号一起组成复合型 卫星导航系统 因此伽利略系统的用户接收机的兼容性更强 应用也更加广泛 伽利略系统非常先进 可以与美国的 GPS 系统 俄罗斯的 GLONASS 系统相互兼容 其 最高精度比 GPS 的精度高 10 倍 即使免费供用户使用的信号精度也可以达到 6m 左右 在提 供位置 速度和时间服务的同时 伽利略系统提供的服务比 GPS 系统要多 GPS 系统只有标 准定位服务和精确定位服务两种 而伽利略系统提供的服务有五种 公开服务 Open Service OS 为用户免费提供导航 定位和授时服务 例如车载导航 手机终端定位等 商业服务 Commercial Service CS 主要是公共服务基础上的附加功能 生命安全服务 Safety of Life Service SoL 它与 GPS 系统相结合后生命安全服务的有效性可以达到 99 9 公众规范服 务 Public Regulated Service PRS 用于欧洲国家安全的一些紧急服务 以及局域设施提供 的导航服务 主要对单频接收机用户提供微分修正 加强在恶劣条件下定位网络的服务能力 伽利略系统提供的服务不仅种类较多 而且很有特色 GALILEO 系统的卫星信号传输由 A B C 三个通道组成 A 通道是加密的 普通用户 无法访问 B 通道为数据通道 C 通道无数据信号 只包含测距码 因此也叫导频信道 47 频率有 E5a E5b 和 E6 其中心频率分别为 E5a 为 1176 45MHz E5b 为 1207 14MHz E6 为 1278 75MHz E6 是一个提供商业服务和公共特许服务的专用频段 与 GPS 的 L5 在同一频段 上 GALILEO 系统的整体信号结构比 GPS 信号结构复杂的多 2 1 3 GLONASS系统系统 在俄语中 GLONASS 是 全球卫星导航系统 GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM 的缩写 类似于美国的 GPS 系统 欧洲的伽利略系统 中国的北斗卫星导航系统 从 20 世纪 80 年代开始 在多普勒卫星系统 Tsikada 的基础上启动了 GLONASS 系统的建设 主要是为了与美国的 GPS 系统相抗衡 1995 年正式投入使用 和美国的 GPS 系统相比 俄 罗斯的 GLONASS 系统采用军民合用的政策 虽然定位精度没有 GPS 系统高 但是其抗干扰 能力很强 GLONASS 在 1995 年发射了 24 颗中高度轨道卫星以及 1 颗备用卫星 系统由空间星座 部分 地面监控部分和用户设备部分组成 可以为军民提供全天候 连续的位置 速度和时 间服务 空间星座部分由均匀分布在三个轨道上的 24 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成 每个 轨道有 8 颗卫星 轨道高度为 19000km 倾角 64 8 度 其单点定位精度在水平方向上可以达 到 16m 垂直方向上 25m 每颗卫星广播 L1 和 L2 两种信号 频率分别为 L1 1602 0 5625 K MHz L2 1246 0 4375 K MHz 其中K为每颗卫星的频率编号 从 1 到 24 同一颗卫星要满足1 29 7LL GLONASS 系统使用的是频分多址的方式 根据不同的 载波频率来区分不同的卫星 而 GPS 系统采用的是码分多址 CDMA 根据调制码来区分 不同的卫星 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 11 2 1 4 COMPASS系统系统 BDS BeiDou Nav