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题名: GNSS接收机跟踪环路关键技术研究
作者: 贺卫东
答辩日期: 2014-05
导师: 卢晓春
专业: 测试计量技术及仪器
授予单位: 中国科学院大学
关键词: GNSS,接收机,锁频环,锁相环,环路滤波器
其他题名: Research on Key Technology of Tracking Loop design For GNSS receiver
部门归属: 导航与通信研究室
摘要: 随着新一代全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的快速建设,针对卫星导航相关技术的研究与发展备受关注。卫星信号接收机是卫星导航系统实现导航、定位和授时功能的必备终端,也是卫星导航系统重要的组成环节之一。信号跟踪环路是卫星信号接收机内部关键的功能模块,关系到接收机的全部功能及性能指标的实现。由于跟踪环路技术的广普性,又经过多年发展,因此一般都认为跟踪环路的设计方法都相对比较成熟。然而在复杂电磁环境或者接收信号信噪比实时起伏的情况下,普通的环路设计并不能使得跟踪环路持续工作在最佳状态,这时就需要对环路进行更细致的分析和设计。另外,二进制偏置载波调制(Binary Offset Carrier,BOC)具有多峰特性,关于BOC的研究热点大多集中在如何抑制其副相关峰上。但是在高信噪比条件下,如果能够针对BOC信号的多个相关峰同时进行跟踪锁定,则可以获得更高的相关增益,从而进一步提高BOC环路的跟踪效果。 针对上述复杂电磁环境或者接收信号信噪比实时起伏情况下如何设计最佳跟踪环路,以及如何在高信噪比条件下利用BOC信号的多个相关峰实现更高测距精度的问题,本论文分别从载波跟踪环路和码跟踪环路对其进行深入的分析和研究。接收机跟踪环路由载波跟踪环路和码跟踪环路相互嵌套而成,其中载波跟踪环路设计又包括锁频环(Frequency Lock Loop,FLL)和锁相环(Fhase Lock Loop,PLL)设计。因此,本论文的跟踪环路研究工作基于码跟踪环路、FLL和PLL这三个方面展开。 在码跟踪环路方面,本论文提出针对BOC信号的多峰联合跟踪环路设计方法。首先,本论文对BOC信号自相关和BOC与未调制子载波的扩频码(Pseudo-Random Noise,PRN)之间互相关性进行研究,提出能够同时锁定多个相关峰的多峰联合跟踪方法,并给出新的多峰联合鉴相器。其次,推导了多峰联合早晚门鉴相器(3 Cooperated Early Minus Late Power,3CEMLP)和多峰联合点积鉴相器(3 Cooperated Dot Product,3CDP)的鉴相函数,分析了前端带宽对BOC自相关、BOC/PRN互相关以及多峰联合鉴相曲线的影响,研究了鉴相曲线在不同相关间隔情况下的鉴相特性。最后,本论文对多峰联合鉴相器的噪音和抗多径特性进行了对比研究。分析结果指出,多峰联合跟踪环路通过对锁定不同相关峰的子鉴相器乘以不同的权重因子,从而能够在整体上降低跟踪环路抖动方差,挖掘更多的相关增益,提高跟踪精度,从而最终获得更优的测距效果。 在锁频环设计方面,为了能够设计出在复杂电磁环境下的高性能FLL环路,本论文从鉴频器优选、数字环路滤波器设计和FLL瞬态响应特性三个方面对FLL环路展开详细的研究和分析。首先,在鉴频器优选方面,本论文从鉴频增益、环路等效带宽、热噪音和跟踪方差的角度对比讨论了常见的鉴频器,为设计高性能的FLL提供了选择最佳鉴频器的理论依据。其次,典型的GNSS接收机环路滤波器采用模拟滤波器的设计方法,然后再通过双线性变换或者冲激响应不变法将其变换为数字滤波器,这种方法不可避免的存在设计参数畸变的问题。针对这一问题,本论文采用优化技术设计法给出纯数字的环路滤波器设计流程。再次,鉴频增益对环路瞬态响应有着不可忽略的影响。本论文提出在信噪比变化情况下通过对FLL环路增益进行动态补偿,从而使得环路能够维持最佳的环路动态响应速度。最后,本论文又针对实际导航接收机设计中碰到的位同步问题,提出FLL辅助的共轭累加位同步设计方法,较好的解决了接收机中捕获转跟踪的成功率问题。 在锁相环设计方面,为了设计出能够持续工作在最佳状态的锁相环,本论文从鉴相器优选、线性工作区间、环路增益动态补偿和环路"捕获"稳定时间四个方面,对PLL环路展开深入的研究和分析。首先,本论文从鉴相增益、方差和线性工作区间等方面对四种常用的鉴相器进行分析和比较。通过对比PLL环路在不同鉴相器情况下的跟踪效果,结合线性工作区间,得出在不同的应用场景和输入信噪比条件下最佳鉴相器的选择方法。其次,研究在输入信噪比变化情况下对PLL环路增益进行动态补偿,维持其最佳的动态响应特性。再次,采用蒙特卡罗仿真的方法,对PLL环路非线性"捕获"行为特性进行统计和分析,得出不同情况下选择最优鉴相器以缩短环路稳定时间的方法。最后,针对实际PLL路调试中碰到的模糊跟踪问题,通过优化跟踪环路状态转移逻辑,从而最终消除模糊跟踪现象;针对卫星信号极化匹配能量损耗的问题,通过采用极化方向相反的两个圆极化天线进行极化合成,实现左旋、右旋天线的联合跟踪环路,补偿了天线极化能量损失,实现了更可靠的数据解调
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://210.72.145.45/handle/361003/7284
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贺卫东. GNSS接收机跟踪环路关键技术研究[D]. 中国科学院大学. 2014.
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