全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)现已被广泛应用于社会民生的多个领域,速度测量是GNSS接收机的重要功能之一,利用接收机得到的速度信息可应用于许多场景下,例如航空重力测量、水文测量、惯导设备速度校正以及车辆控制等,它们都对速度信息的精度有一定要求。GNSS接收机中应用最广泛的测速方法是多普勒测速。影响多普勒测速精度的因素有很多,例如多普勒频移的精度以及测速模型的准确性等,因此考虑上述因素来优化多普勒测速技术有着重大意义。课题的主要目标是通过多普勒频移观测值预处理以及测速模型两方面来优化多普勒测速方法,最后基于ZYNQ硬件平台搭建完整的GNSS接收机解算模块,将测速优化方案实现于接收机的导航解算模块中,验证测速优化方案在接收机的实际测速效果。论文的主要工作内容包括:首先,根据GNSS观测数据的特征,分析了定位和测速的基本原理。基于伪距定位原理和多普勒测速原理,构建定位方程组和测速方程组;分析双系统解算与单系统解算的区别,重点在时间和空间上的统一处理,并给出了双系统的定位、测速方程组;基于双系统定位、测速方程组,引出最小二乘法的解算流程,为后续的多普勒测速优化方案的设计以及接收机导航解算模块的设计提供理论基础。其次,通过原始多普勒和载波相位两种GNSS观测值,设计多普勒频移预处理方案来实现测速精度的改善。分析GNSS接收机伪距、多普勒观测值的误差来源,并给出修正方法;通过中心差分方法计算载波相位导出多普勒,并考虑周跳的影响;深入分析原始多普勒和导出多普勒的精度区别和适用场景;利用卡尔曼滤波原理,分别对原始多普勒和导出多普勒进行预处理,在此基础上,综合利用原始多普勒和载波相位两种观测值,提出双观测值的多普勒频移预处理方案。再次,针对地球表面的运动载体,如车、船等在水平方向的较强机动性,考虑载体的转弯运动,设计基于恒定转率和速度(Constant Turn Rate and Velocity,CTRV)模型的EKF测速方案。分析直线运动模型和曲线运动模型的区别,并给出模型的状态预测公式;采用曲线运动模型中的CTRV模型作为载体运动的预测模型,基于该模型设计扩展卡尔曼滤波测速算法,并提出改进方案使其同时适用于直线、转弯等运动状态;利用卫星导航模拟器输出水平转弯运动状态的原始观测值,完成静态和水平转弯测速的仿真对比,仿真结果显示,在高速转弯情况下,CTRV模型相比于恒速模型测速误差减小80%以上。最后,基于Xilinx公司的ZYNQ7000平台设计接收机导航解算模块,并实现多普勒测速的优化方案,完成课题的整体试验分析。导航解算的各个功能模块包括电文同步、校验译码、导航信息提取、伪距计算和PVT(位置速度时间,Position Velocity Time)解算等,测速优化方案实现于PVT解算环节。导航解算模块可提供实时定位、测速和定时功能,得到的PVT信息可通过NMEA-0183标准格式实时输出到自行设计的上位机中。通过接收机的静态和动态试验验证测速优化方案的测速效果,测试结果表明,接收机载体进行地球表面运动,特别是转弯运动时,测速优化方案对测速精度有明显的提升效果。