高灵敏导航接收技术论文大作业.docx

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高灵敏导航接收技术论文大作业

高灵敏GNSS接收技术研究（大作业）

论文摘要

近年来，卫星定位导航技术在民用领域的应用越来越受到人们的关注。

民用领域的应用主要有：

1）城市环境下导航定位需求；2）车载导航仪、手机等便携式移动终端的导航定位需求；3）峡谷森林环境下的应用等。

这些应用环境的显著特征是信号比较徼弱，信号强度比空旷地带要低10,-,20dB，有时甚至会有30dB的衰减，并且存在多径和干扰。

在这些微弱信号环境下，接收机必须提高弱信号处理能力才能正常工作。

因而高灵敏度GNSS接收技术成为导航技术研究的热点之一。

本文就以下几个方面做一些分析：

（1）分析了BPSK调制的扩频码自相关特性、互相关特性以及理想情况下相关器的工作原理。

分析了晶振误差统计量，并给出了模拟晶振频率误差序列的方法，介绍了接收机的一些其他误差源。

（2）针对弱信号频率估计问题，分析了时域差分、频域FFT以及频偏分割&能量比较的频率估计方法，比较了它们的性能。

介绍了三种比特同步的方法并比较了它们的性能。

（3）分析了导航电文的特点，提出了基于比特预测、载波辅助码环的高灵敏度跟踪方案。

当电文可预测时，载波和扩频码同时跟踪；当电文不可预测时，载波保持，扩频码跟踪。

关键词：

高灵敏度GNSS频率精捕获比特同步弱信号跟踪。

第一章：

绪论

本章主要介绍了GNSS系统的发展历史以及未来的发展趋势；阐述了课题研究的背景和目标；分析概括了国内外关于高灵敏度GNSS接收技术的研究现状。

1.1GNSS系统的介绍

（一）无线电导航的基本原理

1）基于距离测量的定位方法：

在速度已知的情况下距离和时间是成比例的，因此这种方法有时也称为基于时间到达测量法（TOA，TuneofArrive），这样的系统称为TOA系统。

以2D定位为例，如果观测者知道到信号发射站S1的距离，并且知道S1的具体地理位置，那么观测者必然在一个以S1为圆心的圆上。

如果再知道S2的地理位置和距观测者的距离，那么观测者位置的不确定性缩小到两个点。

这样观测者要么根据其他一些先验知识去掉一个不可能点，要么通过第三个发射站确定具体位置。

3D定位和2D是相似的，只是观测者和发射站的地理位置扩展到三维空间。

总结TOA系统导航定位的基本思想是：

接收发射站的信号，获取多个发射站的地理位置以及信号从发射站到达观测者花费的时间，得到一簇圆方程，然后解方程得到观测者的位置信息。

当前主要的卫星导航系统如GPS、GLONASS等都是这类定位系统，即TOA系统。

2）基于距离差测量的定位方法：

速度已知时距离差是通过测量发射站信号到达观察者的时间差来获得的，因此有时也称这种方法为到达时间差法（TDOA，TuneDifferenceof／1d'rive），这样的系统称为TDOA系统。

根据双曲线的定义可知，与两个固定发射站有相同距离差的点的轨迹是一条双曲线，曲线的曲率与距离差有关。

还是以2D定位为例，这里假设有三个信号发射站，分别为主站M，副站X和Y，三个发射站组成两个发射站对（M，X）和（M，Ⅵ。

以发射站对（M，X）为信号源，观测者测量出到M和X的距离差为d12，那么以发射站M的地理位置、X的地理位置以及d12作为参数可以确定一条双曲线^。

同样道理，以发射站对（M，Y）为信号源，可以确定另一条双曲线如。

两条曲线的交点就是观测者的地理位置。

存在的问题是两条双曲线的交点有时并非只有一个，此时可以通过增加观测量，或者根据先验知识来剔除不合理的点。

TDOA系统导航定位的基本原理：

接收若干发射站对的信号，获取发射站地理位置信息以及信号到达时间差，得到一簇双曲线方程，解方程后得到观测者的位置信息。

早期的地基无线电导航系统一般就以这种方法导航定位的，如Loran系统和Omega系统都是TDOA系统。

3）基于多普勒的定位方法：

多普勒效应是无线电传播的又一特性，此特性也广泛应用于导航定位系统。

如果发射站和观测者之间存在视距的相对运动，那么接收的频率，R和发射的频率厅就存在差别。

根据这个差别观测者可以得到接收频率关于时间的函数曲线，观测者和发射站之间不同的位置关系得到不同的曲线形状，这样就可以确定观测者相对于发射站的地理位置。

（二）GNSS系统的发展趋势

GPS的现代化旨在增加额外的民用信号以及提高系统的精度，同时增加新的抗干扰能力更强的军事信号。

以民用自称的Galileo在发展之初就使用了近年来导航领域的新技术以及研究成果，目的是增加用户的可选择性，提供比GPS更高的导航定位精度，这也是Galileo系统一直在宣传的一个优势。

我国的。

北斗二代”和GPS类似，在发展过

程中也在不断使用新的技。

将来的系统将在以下方面改进：

●增加发射信号：

GPS起先只在L1频点发射C／A码和P（Y）码，在L2频点发射P（Ⅵ码。

GPS现代化后，在L2频点增加新的民用信号一一L2C，在L5频点增加采用QPSK调制的民用信号。

未来Galileo和BD-2都将在三个频点上广播导航信号。

卫星导航系统的增加，可用信号的增多使得接收机的可靠性以及完好性得到了保证。

●改变码速率和码周期：

测距码的码率直接影响到定位导航的精度。

BD-2民用信号码率为2．046MHz，理论上比GPS的C／A码定位精度要高。

GPS在L5频点的民用信号码率为10．23MHz，使得该信号的测距性能接近军用信号P（Ⅵ码。

在增加码率的同时，现代化的导航信号也增加测距码的周期。

●增加新的调制方式：

Galileo与GPS都将采用一种新的调制方式一一BOC（Binary-Offset-CarrieroBOC本质上是CDMA调制，但是又带有FDMA调制的色彩，因而比BPSK具有一定的技术优势。

BOC调制信号的频谱分布在载频的两侧，提高了抗干扰能力，同时也实现了频谱资源的充分利用。

第二章信号模型与误差源

本章要点：

●GNSS信号模型

●本地晶振模型

●量化效应

2.1型号模型

不同GNSS系统发射的卫星信号是相似的，但是也有不同之处。

这里将给出导航信号的一般表达式，具体如下：

式中，j表示卫星的编号,A^j表示卫星信号幅度,d^j表示调制的导航电文,v^j表示调制的二次编码（Neumann—Hoffman码）,c^j示扩频码序列,s^j表示调制的子载波。

GPSL5频点的民用信号以及BD一2的民用信号增加了二次编码调制，即NH码，调制方式如图2．1所示。

NH码类似于巴克码，增加的目的主要是用于数据比特的同步。

图2．2给出了GPSL1频点新增加的民用信号扩频码调制示意图，即BOCO，1）调制，GalileoE1频点的民用信号也用此调制方式。

使用BOC调制的目的是提高系统性能和实现同频点信号复用。

2.2互相关分析

如果不同卫星的扩频码是完全正交的，那么这些码之间互相关值就是零。

但是GOLD码并不是完全正交的，互相关值不是零，但是非常小。

不同码之间的互相关函数为：

表2．1给出了零多普勒时GOLD码的互相关值以及出现的概率，对于GPSC／A码而言，三个互相关值为63／1023、-1／102312A及-65／1023。

这里我们以GPSC／A码为例的话，那么周期就是lms。

周期的连续信号可以用泰勒级数表示，因而有：

式中，f0为QGOLD码序列的基频，对于GPSC／A码而言为lkHz；ak为序列的泰勒级数，那么互相关积分值为：

互相关值可化简为：

卫星的多普勒频偏范围最大到5七日z，因此GOLD码频谱上至少有10根非零谱线会受到多普勒频偏的影响。

表2．2给出了不同多普勒条件互相关特性。

2.3动态误差

卫星相对接收机的运动会造成多普勒频率，这个多普勒频率对于信号的捕获和跟踪是及其重要的。

当处于室内等环境下时，卫星的动态和接收机的动态是可以比拟的，成为接收机需要考虑的一个重要因素，不可忽略。

卫星相对静止接收机的径向速度分量为：

对速度求导就可以得到卫星的加速度：

vd造成的最大多普勒频偏为4．9kHz，平均多普勒频率变化率

为o．54Hz／s，最大多普勒频率变化率为0．936Hz／s。

2.3误差源

1.天线误差：

GNSS接收机使用的天线一般为全向天线，但并不是每个方位角上的增益都相同。

另一方面，移动终端使用的天线一般都是集成的，此时天线放置的位置尤其重要，有时损耗会有6—7dB。

2．低噪放噪声系数（LNA）：

LNA的噪声系数决定了整个系统的噪声系数。

LNA的增益一般比较大，对于GNSS应用而言，一般为15—25dB。

当LNA集成在天线中或者放置在射频前端时，LNA的高增益使得后续器件的噪声系数对整个系统的影响很小。

3．混频器等误差：

数字混频时使用的相位表的大小决定了混频的损耗。

低精度的4相位混频器引入高达0．9dB的损失，数字接收机的定点化也存在一些损耗，但是相对而言可忽略不计。

第三章灵敏度跟踪技术

本章要点：

●跟踪信号模型

●高灵敏度跟踪方案及策略

●扩频码以及载波跟踪

3.1.载波跟踪环路有锁频环（FLL）以及锁相环（PLL）。

锁频环对载波频率进行跟踪，锁相环主要跟踪载波相位。

扩频码跟踪主要通过延迟锁定环（DLL）完成，图4．1为经典跟踪环路]，图中的虚线表示载波辅助扩频码跟踪。

在室外，接收机通常只需进行几毫秒的积分就有足够的处理增益，而在弱信号条件下，需要进行长时间相干积分以提高跟踪灵敏度，此时环路的更新率相对也降低。

对于GPS、GLONAS以及BD-2的民用信号而言，20ms的导航电文限制了积分时间，如果已知调制导航数据，那么就可以进行长时间相干积分，从而提高跟踪门。

图4．1：

经典跟踪环路

3.2高灵敏度跟踪方案及策略

虽然在弱信号条件下解调电文比较困难，但是如果能够通过各种途径获得星历信息和时间戳信息，对测距码进行实时的跟踪就可以完成接收机的定位。

电文的获取可以是通过自主接收解调也可以通过网络辅助。

在传统的接收机中，解调电文是通过相位跟踪实现的，弱信号环境下解调电文不是必须的，那么相位的跟踪已经没有意义。

此时在弱信号条件下，只要保持着对频率的稳定跟踪，那么扩频码跟踪时就可以进行长时间相干积分（电文数据已知的情况下），从而提高扩频码的跟踪门限。

下图为导航电文结构图：

跟踪方案如图所示：

图中给出了高灵敏度接收机的跟踪方案，当电文信息完全已知时（通过网络辅助），进行长时间相干积分可以在室内等弱信号条件下稳定跟踪载波和扩频码当电文不完全已知时，需要对比特信息进行预测才能实现弱信号跟踪，此时有两种工作模式：

1）电文可预测时，载波和扩频码实时跟踪；2）电文不可预测时，载波保持，扩频码实时跟踪。

这样在电文可预测时能够进行频率跟踪，且具有一定的跟踪带宽，在电文不可预测时采用参数保持来防止频率偏离跟踪范围，就可以不断重复对频率的修正—保持过程，从而将整个跟踪过程中的频率误差保持在一定范围之内。

论文小结：

针对高灵敏度GNSS接收机所处的信号环境以及动态条件，提出了基于电文预测和域跟踪的弱信号跟踪技术，与传统跟踪技术相比，具有更高的跟踪灵敏度。

论文的主要内容有：

（1）从GNSS信号的数学模型出发，介绍了基于BPSK调制的扩频码自相关特性、互相关特性以及理想情况下相关器的工作原理；介绍了本地晶振误差统计量----阿伦方法，并给出了模拟本地晶振频率误差序列的方法；介绍了接收机的一些其他误差源。

（2）比较了时域差分、频域FFT以及频偏分割&能量比较三种频偏估计的方法；介绍并分析了频偏以及比特边界联合估计技术。

（3）分析了导航电文的特点，提出了基于比特预测的高灵敏度跟踪方案。

进一步的工作：

通过理论的分析、相关文献的阅读以及与市场主流产品的比较，未来可以对如下工作进行更深入的研究：

（1）通过研究卫星轨道的特点和分析卫星多普勒频率的特征，研究卫星多普勒频率、频率一阶变化率以及二阶变化率的拟合预测技术；

（2）进一步的研究弱信号载波跟踪技术，尤其是基于频域的载波