瞬时GPS信号仿真及导航算法研究

【摘要】：目前,对GPS的研究和应用多集中在利用连续接收到的信号,通过捕获、连续跟踪的方法解调出导航电文,对接收机进行定位、测速等。但在某些特定的情况下,接收机接收到的信号是非连续的或者是间断的,有时甚至是瞬时的。例如,在遮挡严重的城市街道及室内等弱信号环境下接收到的信号、接收机在受压制性干扰时接收到的片段“干净”信号、单天线自旋弹载GPS接收机接收的信号以及人为的为降低功耗而瞬时开机接收到的信号等,在这些情况下信号都是间断的。如何在上述情况下合理有效地利用间断的瞬时GPS信号将是个很有意义的课题。本文研究了瞬时GPS中频数字信号仿真方法,建立了仿真系统,以此为基础研究了瞬时GPS信号定位、测速导航算法问题,得到的具有创新意义的结果如下:(1)GPS中频数字信号模拟仿真。对GPS卫星信号经过无线传播信道、GPS接收机天线、射频下变频、滤波和采样量化之后形成数字化中频信号的整个过程进行建模和仿真。建立了各种仿真误差模型,以便模拟产生的信号能较真实的反映各种误差源的影响;针对高动态自旋载体,研究了姿态变化情况下的GPS卫星信号多普勒频移的计算模型,并结合天线的增益方向图,给出了可见卫星判断和信号幅度调制模拟的方法;详细给出中频信号状态的计算方法、计算过程,建立了计算机仿真系统。相对于传统的硬件RF GPS卫星信号模拟器而言,该仿真系统具有可重新编程的能力,可以针对GPS系统中影响伪距精度和跟踪性能的各种误差源进行高精度的建模,所以可以做为算法研究和测试的有力工具;(2)瞬时信号定位的关键技术。对瞬时信号定位的关键技术,如导航电文的获取、码相位的提取和信号发射时间的恢复等进行研究。提出了优化的缩小搜索步长和曲线拟合细化码相位的方法,并采用Monte Carlo模拟的方法估计了在不同信噪比下,瞬时信号的长度与码相位细化精度的关系。全面地梳理了瞬时信号定位的各个关键技术,详细给出了基于改进的迭代最小二乘法进行瞬时信号定位解算的方法;(3)瞬时信号测速方法。将经典和现代谱估计理论应用于瞬时GPS信号测速,经过分析比较,提出了基于周期图理论的瞬时信号测速方法,经仿真验证,利用该方法能达到测速的目的,并取得较好的精度,满足一般用户测速需求;(4)基于瞬时信号定位原理,提出了单天线自旋弹载GPS接收机实现方案。将卡尔曼滤波理论应用于单天线自旋弹载GPS接收机的定位信息平滑处理,并利用其预测功能对弹道测量异常值识别和处理,进一步保证了导航精度和鲁棒性。本文的研究结果,对于利用瞬时GPS信号进行导航的研究具有理论意义,对单天线自旋弹载GPS软件接收机的研制有现实的应用价值。

【学位授予单位】：中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008

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