GNSS實(shí)時(shí)矢量跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、GNSS接收機(jī)的基帶處理主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié):捕獲和跟蹤。這兩者就實(shí)質(zhì)來說分別是統(tǒng)計(jì)信號的檢測和估計(jì)問題。近年來,矢量跟蹤由于其在弱信號及抗干擾方面的突出優(yōu)點(diǎn),成為學(xué)界和業(yè)界的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。所謂“矢量”,是指估計(jì)濾波器的狀態(tài)變量是元素?cái)?shù)目大于等于2的向量,而對應(yīng)的“標(biāo)量”主要指傳統(tǒng)的接收機(jī)理論中鎖相環(huán)輸出的只是單一的碼相位或載波相位標(biāo)量。矢量跟蹤領(lǐng)域目前尚未解決的主要有兩個(gè)問題:一、矢量跟蹤性能優(yōu)于標(biāo)量跟蹤的理論依據(jù);二、矢量跟蹤的實(shí)時(shí)實(shí)

2、現(xiàn)。目前沒有統(tǒng)一的理論解釋第一個(gè)問題;至于第二個(gè)問題,國內(nèi)外目前均缺乏相應(yīng)的報(bào)道。因此,本文研究的目標(biāo)是解決第一個(gè)問題,突破第二個(gè)問題的理論問題。本文深入研究了接收機(jī)靈敏度影響因素,并研究這些算法對接收機(jī)定位精度的影響,實(shí)現(xiàn)矢量跟蹤在提高接收靈敏度方面的原理和方法。主要研究內(nèi)容包括：
　?、叛芯拷邮諜C(jī)靈敏度影響參數(shù)的一體化確定方法,包括前端帶寬、量化位數(shù)、量化策略、采樣頻率等的作用。著重研究GNSS軟件接收機(jī)射頻前端配置(包括采樣

3、頻率、量化、前端帶寬等)對后續(xù)基帶信號處理結(jié)果的影響。影響的評估通過建模、理論推導(dǎo)及數(shù)值仿真,將理想情況(無量化、前端帶寬無限大、采樣頻率無限高)和實(shí)際應(yīng)用(不同量化策略、多種有限帶寬、特定采樣頻率)進(jìn)行對比,將兩種情況下的差值定義為損耗,以損耗值的大小評價(jià)當(dāng)前前端配置的合理性,從而決定接收機(jī)的頻率方案(frequency plan)。此外,以L1單頻軟件接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)為支撐,對比模擬值和實(shí)際值,檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行阅堋?br>　?、蒲芯坎?shí)

4、現(xiàn)矢量跟蹤在提高接收靈敏度方面的原理和方法。矢量跟蹤環(huán)以擴(kuò)展卡爾曼濾波為工具,用一個(gè)大環(huán)路代替原來的兩步估計(jì)方案。傳統(tǒng)的接收機(jī)的兩步估計(jì)方法是指:第一步,用碼跟蹤環(huán)完成本地碼與接收信號偽隨機(jī)碼的精確對準(zhǔn),以此估計(jì)偽距(pseudorange),第二步,用擴(kuò)展卡爾曼濾波器以偽距為輸入值估計(jì)出接收機(jī)天線相位中心的狀態(tài)量(如最基本的四狀態(tài)量:天線中心的三維坐標(biāo)以及接收機(jī)鐘差;抑或是常用的八狀態(tài)量:三維坐標(biāo)、三維速度、接收機(jī)鐘差以及接收機(jī)鐘漂)

5、。矢量跟蹤環(huán)用一個(gè)大環(huán)路代替?zhèn)鹘y(tǒng)接收機(jī)中的這兩個(gè)小環(huán)路,一步算出天線相位中心的狀態(tài)。因此,如何列寫卡爾曼方程的狀態(tài)方程和觀測方程,是本部分需要解決的第一個(gè)問題。當(dāng)然,純粹的卡爾曼濾波方程不能解決問題,因?yàn)橛?jì)算量過于龐大了,目前通行的方法是用聯(lián)合卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)矢量環(huán)接收機(jī),本文描述的矢量環(huán)接收機(jī)研制也將如此進(jìn)行。
　　⑶完成上述接收機(jī)的L1 GPS/Galileo實(shí)時(shí)和后處理樣機(jī)各一臺。創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①完整研

6、究GNSS接收機(jī)前端設(shè)計(jì)所有因素(最后一級帶寬、量化策略、采樣頻率等)對接收機(jī)靈敏度的影響。目前,Christopher Hegarty對最后一級帶寬、量化策略以及采樣頻率對接收機(jī) implementation loss的聯(lián)合作用提出理論預(yù)測公式。由于該公式囊括了incommensurate sampling以及任意整數(shù)位量化的作用,因此它是該領(lǐng)域內(nèi)目前考慮最為完善的結(jié)果。但該方法尚缺對任意位數(shù)(包括非整數(shù)位數(shù))量化作用的影響。而這就是

7、本文對該領(lǐng)域的創(chuàng)新貢獻(xiàn)。本文最終將形成一個(gè)通用的性能預(yù)測公式,這對用于接收GNSS新信號的接收機(jī)前端設(shè)計(jì)具有決定性的指導(dǎo)意義。②指出John Betz關(guān)于接收機(jī)DLL誤差方差公式的錯(cuò)誤,提出修正公式,即:若將未經(jīng)平滑的DLL的TOA估計(jì)值的方差記為σ2u,則經(jīng)過平滑的TOA估計(jì)值的方差(記為σ2s)可以用下式表達(dá):事實(shí)上,后式比前式多出來的那一項(xiàng)因子(1-0.5BLT)是個(gè)推導(dǎo)過程中的失誤造成的。在[10]中,用了一個(gè)零階保持電路[62