高動態(tài)GPS載波跟蹤技術研究.pdf

1、隨著GPS導航與制導系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中越來越廣泛的應用，GPS系統(tǒng)在高動態(tài)環(huán)境下的應用研究日益受到關注。由于在高動態(tài)的接收環(huán)境下GPS接收機接收信號載頻上會產(chǎn)生很大的多普勒頻移及其變化率，因此傳統(tǒng)的GPS載波跟蹤環(huán)無法保證可靠的跟蹤。針對高動態(tài)、低信噪比條件下的載波精跟蹤問題，本文進行了深入、系統(tǒng)的研究，取得了一些有益的結(jié)果。
　　 論文首先基于直接數(shù)字頻率合成技術提出了一種能夠在數(shù)字域內(nèi)直接合成出動態(tài)信號中時變多普勒頻率的信號合

2、成方法。該方法通過對數(shù)字頻率合成器中載波NCO輸入頻率控制字的有效設計，來實現(xiàn)對動態(tài)環(huán)境下GPS接收信號載波多普勒頻率及其導數(shù)的精確模擬。因此，該方法可以為高動態(tài)GPS載波跟蹤技術的研究提供必要的先驗數(shù)據(jù)。
　　 針對高動態(tài)環(huán)境下GPS信號接收存在的問題，本文進行了詳細的理論分析，并在典型的高動態(tài)、低信噪比環(huán)境下對傳統(tǒng)GPS載波跟蹤方法的性能進行了計算機仿真。仿真結(jié)果表明，在典型的高動態(tài)環(huán)境下，傳統(tǒng)的相位鎖定環(huán)和叉積自動頻率控制

3、環(huán)的失鎖門限分別為和，當環(huán)路輸入信號載噪比取低載噪比的典型值時，它們的RMS頻率跟蹤誤差分別為和，這充分說明了傳統(tǒng)載波跟蹤方法在高動態(tài)環(huán)境下性能的局限性。針對高動態(tài)、低信噪比條件下的載波精跟蹤問題，本文提出了四種解決方案。
　　 本文基于交疊DFT算法提出了一種新的自動頻率控制環(huán)結(jié)構(gòu)設計方案。該方案結(jié)合了經(jīng)典譜估計的思想和傳統(tǒng)數(shù)字相位鎖定環(huán)的基礎理論，其環(huán)路中的交疊DFT頻率鑒別器可認為是叉積頻率鑒別器在其一次處理信號采樣點數(shù)增

4、大時的推廣。因此，在理論上，該方案的跟蹤精度要優(yōu)于叉積自動頻率控制環(huán)。計算機仿真結(jié)果表明，在典型的高動態(tài)環(huán)境下，該方案的失鎖門限為，當輸入信號載噪比為時，其RMS頻率跟蹤誤差為。
　　 由于基于傳統(tǒng)鎖相環(huán)技術的載波跟蹤方案中所使用的相位或頻率鑒別器和環(huán)路濾波器都不是基于最優(yōu)準則而設計的，因此環(huán)路性能受到很大限制。針對該問題，本文基于擴展卡爾曼濾波方法提出了一種準最佳的GPS載波跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)設計方案。由于該方案是基于近似的線性最小均

5、方誤差估計準則而設計的，因此它是一種理論上的準最佳跟蹤方案。計算機仿真結(jié)果表明，在典型的高動態(tài)環(huán)境下，該方案的失鎖門限為，當輸入信號載噪比為時，其RMS頻率跟蹤誤差為。
　　 針對擴展卡爾曼濾波在對非線性觀測模型線性化過程中帶來的估計精度降低的問題，本文基于無跡卡爾曼濾波方法提出了一種性能更優(yōu)的準最佳GPS載波跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)設計方案。由于該方案在系統(tǒng)狀態(tài)的遞推估計過程中能夠利用狀態(tài)分布的二階以上矩的知識，因此理論上其性能比基于擴展卡

6、爾曼濾波的載波跟蹤方案更優(yōu)。計算機仿真結(jié)果表明，在典型的高動態(tài)環(huán)境下，該方案的失鎖門限為，當輸入信號載噪比為時，其RMS頻率跟蹤誤差為。
　　 文章最后基于最大似然估計和線性卡爾曼濾波方法提出了一種理論上的最佳GPS載波跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)設計方案。在估計參數(shù)的先驗分布未知的情況下，最大似然估計提供的參數(shù)估計量是具有最小誤差方差的；而對于線性系統(tǒng)的狀態(tài)濾波而言，卡爾曼濾波也是理論上的最佳濾波。因此，將最大似然估計和線性卡爾曼濾波相結(jié)合的方