文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
微弱GPS信号的捕获与跟踪处理的研究与实现
姓名:周广宇
申请学位级别:硕士
专业:导航、制导与控制
指导教师:茅旭初
20090101
上海交通大学硕士学位论文摘要
微弱 GPS 信号的捕获与跟踪处理的研究与实现
摘要
GPS 是当今世界上唯一一种可以提供全功能导航定位服务的星基
导航系统。它的标准定位服务广泛运用于测绘、交通导航和各种企业
定位服务领域。它的精确性,稳定性是无可替代的。但是作为一种卫
星导航系统,有其固有的缺陷。由于是被动定位,接收机只负责接收
发送自卫星的信号,所以 GPS 信号是很微弱的信号。在开阔或无遮
挡地带,接收机可以通过 C/A 码出色的相关特性,接收到 4 颗甚至 4
颗以上卫星发送的信号。而当在室内、立交桥下或者森林等各种有遮
挡地带,且由于多路径效应的存在,GPS 卫星信号的载噪比极低,一
般在 34dB-Hz 以下,超过了一般 GPS 接收机所能处理的极限。如何
在信号很微弱的情况下,捕获到足够数量的卫星信号,并能通过特殊
的跟踪环路来锁定该卫星信号,并能不断地从中得到导航信息,从而
完成所需的导航定位服务,就成了 GPS 理论非常关键也是非常困难
的一个研究课题。
本文的研究内容主要是 GPS 信号的捕获与跟踪。首先对捕获算法
的实现进行了研究,并采用了 Altera 公司的 DE2 开发板,实现了捕
获模块的硬件电路。该电路可以完成一般情况的捕获功能,实时性较
好。这一模块的研究为后续的微弱信号捕获模块实现做了先讨论,并
提供了基础模块。
I
上海交通大学硕士学位论文摘要
本文的研究重点主要是,如何在卫星信号的信噪比极低的情况下,
通过改进跟踪算法,来保证接收机对卫星信号的锁定。本文所采用的
跟踪算法都是基于卡尔曼滤波理论的,用不同的卡尔曼滤波模型来取
代传统跟踪环路,以此来得到更高的灵敏度和跟踪精度。采用了两种
卡尔曼滤波算法的平方根形式。第一种算法采用经典的平方根滤波算
法,减小了累积误差的影响;在累加过程中引入了平方处理,来消除
未知导航位翻转的影响;引入了非连续积分的过程,有效降低了卫星
信号噪声的强度。第二种算法采用了另一种平方根卡尔曼滤波算法,
并修改了整个卡尔曼滤波环路,将载波跟踪和码跟踪分成了两个独立
耦合的卡尔曼滤波器,降低了计算复杂度;算法中引入贝叶斯估计理
论,来估计每一个累加周期的导航位,以此来消除未知导航位的翻转
带来的负面影响。研究中采用 GPS 中频信号模拟软件,产生了不同
信噪比的 GPS 仿真信号,来实现算法仿真。第一种算法的仿真结果
表明,该方法可以跟踪信噪比低至 17dB-Hz 的微弱 GPS 信号,但精
度较差,而且处理速度较慢;第二种算法的仿真结果表明,该方法可
以跟踪信噪比低至 19dB-Hz 的微弱 GPS 信号,精度较前一种方法高,
而且运算速度和收敛速度较快。基于这两种算法,可以有效地解决微
弱 GPS 信号的跟踪问题。
关键词:全球定位系统,现场可编程门阵列,卡尔曼滤波,微弱信
号处理,贝叶斯估计
II
上海交通大学硕士学位论文摘要
RESEARCH AND REALIZATION OF ACQUISITION AND
TRACKING FOR WEAK GPS SIGNALS
ABSTRACT
GPS (Global Positioning System) is the only system of the world,
which is under full operation. Its Standard Positioning Service (SPS) is
widely applied in mapping, vehicle navigation and other location-based
service. For its high precision and good stabilization, no other system can
take its place. However, as a satellite-based navigation system, GPS also
has its inherent limitation. Because GPS is a kind of passive positioning
system, and receivers only receive and send nothing, the signal is very
weak. Whe