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GPS是目前应用最广泛的一种卫星导航系统,在定位、导航领域发挥着重要的作用。在高动态环境下,载体高速、高加速度运动引起的多普勒效应给GPS信号的捕获、跟踪和定位带来了挑战,这一直是GPS接收机算法研究中关注的问题。本文主要针对高动态应用环境,研究跟踪环路的优化方法和低轨卫星这种特定的动态环境下载波跟踪的方法。本文首先介绍了GPS系统的原理及其应用,详细综述了GPS信号的捕获方法和GPS信号的跟踪环路——PLL、FLL和DLL的原理、性能,并且分析了高动态环境给GPS信号跟踪带来的各方面问题和困难。在此基础上,对以下几个方面进行了深入研究:(1)以降低GPS接收机测量中的热噪声误差和动态应力误差为目的,研究了跟踪环路优化的问题。分析了码跟踪环路在动态环境下的跟踪性能,提出一种同时调节环路阶数和带宽的环路优化策略。优化策略中涉及了视距动态实时检测算法,根据检测到的视距动态来调节环路阶数,以减少来自动态应力误差的影响;优化策略中还涉及了在动态环境下根据测量误差最小原则实时调整环路噪声带宽算法的具体实现。(2)研究了应用自适应Kalman滤波原理来实现高动态信号跟踪的问题。设计了一种4状态线性系统模型,提出了利用单个Kalman滤波器实现高动态GPS信号跟踪环路的策略。在应用Kalman滤波原理的同时,为保证跟踪的稳定、获得良好的跟踪精度,采用改进的Sage算法来实时估计系统中的噪声统计特性,采用强跟踪的自适应策略来实时调整系统功率矩阵参数。(3)针对低轨卫星这种特定对象及其特定的运动动态环境,研究了多普勒频移辅助载波环路跟踪的问题。基于卫星轨道可模化、可预测的特性,提出了利用轨道预报得到的多普勒频移来辅助环路跟踪的新方法。该方法有效降低了跟踪中的动态,从而在跟踪过程中可以采取减小跟踪带宽、降低环路阶数、增加预检测积分时间这几种措施来提高环路跟踪弱信号的能力。为分析算法的性能,利用高性能GPS信号仿真器对算法进行了测试,同时根据GPS信号的生成原理,也在MATLAB环境下对高动态GPS信号进行了仿真,并用于对算法的测试。两种仿真测试结果都表明,本文提出的几种算法性能稳定、良好。本文的研究结果对星载、弹载高动态接收机的性能优化提供了算法基础,对某些特定的应用场合下卫星导航接收机的研制具有现实应用价值。