微弱GPS信号的捕获与跟踪处理的研究与实现

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I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。上海交通大学硕士学位论文摘要II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，贝叶斯估计上海交通大学硕士学位论文摘要IIIRESEARCHANDREALIZATIONOFACQUISITIONANDTRACKINGFORWEAKGPSSIGNALSABSTRACTGPS(GlobalPositioningSystem)istheonlysystemoftheworld，whichisunderfulloperation.ItsStandardPositioningService(SPS)iswidelyappliedinmapping,vehiclenavigationandotherlocation-basedservice.Foritshighprecisionandgoodstabilization,noothersystemcantakeitsplace.However,asasatellite-basednavigationsystem,GPSalsohasitsinherentlimitation.BecauseGPSisakindofpassivepositioningsystem,andreceiversonlyreceiveandsendnothing,thesignalisveryweak.Whentherearenoshelters,GPSreceiverscanacquiresignalsfrom4ormoresatellitesusingthenicefunctionedC/Acode.Butiftheenvironmentisnotverygood,forexample,indoor,undercrossroads,inforests,normalreceiverscannotacquireenoughsatellites.Andthey’renotabletosupplypositioningservice.Sohowtoprocesswhensignalisveryweakisabigandimportantproblem.ResearchonweakGPSsignalprocessing,whichisverydifficult,playsanimportantroleinGPStheoryresearching.ThecontentsofthisresearchprojectaremainlyfocusonGPSsignalprocessingincludingacquisitionandtracking.First,acircuitofacqui-上海交通大学硕士学位论文摘要IVsitionisdesigned.ApieceofdevelopmentboardcalledDE2withFPGAchipproducedbyAlteraisused.Thiscircuitcanrealizetheconventionalacquisitionalgorithmanditalsohasnicereal-timeperformance.Thisrealizedmodulelayssolidfoundationofsubsequentworkandprovidesanimportantmodule.TheemphasisofthisthesisisweakGPSsignaltracking.AllalgorithmsinthisthesisarebasedonKalmanfilteringtheory.AnddifferentKalmanfiltermodelsareusedtoreplacethetraditionaltrackingloopsincludingPLLandDLLtoobtainhighersensitivityandprecision.Thisthesisproposestwokindalgorithms.First,asquare-rootfilterwithPotteralgorithmisimplementedtoalleviateround-offerrors.Andsquareprocessiscalledafteraccumulationtoremovetheunknownnavigationbit.Atlastthisalgorithmintroducesincoherentintegrationtostrengthenthesignalandrestrainthenoiseeffectively.Thesecondalgorithmusesanotherformofsquare-rootKalmanfilter,andimprovesthefiltermodelwithadualKalmanfilter,whichreducescomputationalcostwithhighefficiency.ThisalgorithmintroducesBeyesianestimationtheorytodealwiththenavigationbitofeveryaccumulationperiod.ThisthesisusesakindofsoftwaretogenerateGPSIFsignalstomakesimulations.Andthesimulationresultsindicatesthatthefirstalgorithmcantracksignalsasweakas17dB-Hzbuttheprecisionisnotidealanditcostsalittlemoretime.Thesecondalgorithmcantracksignalasweakas19dB-Hz.Andits上海交通大学硕士学位论文摘要Vprecisionishighthantheformerandtheconvergingtimeisless.Basedonthesetwoalgorithms,theproblemofweakGPSsignalsprocessingcanbewellsolved.KEYWORDS：GlobalPositioningSystem,FPGA,KalmanFilter,WeakSignalProcessing,BeyesianEstimation上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海交通大学硕士学位论文第一章绪论8第一章绪论1.1引言“导航的定义是使运载体或人员从一个地方到另一个地方的科学”。在日常生活中，我们每一个人都会进行某种形式的导航。而在一些情况下，我们需要更精确的位置、预期的航向或到达期望目的地所需的时间。此时，便要使用所谓的无线电导航装置。它利用多个已知位置的无线电装置的信号来确定某一点的位置。GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）[1][2]即为一种无线电导航系统。它是美国在上世纪70年代开始研制的高精度的星基导航定位系统，能全天候地向全球范围内具有适当接收设备的用户提供精确、连续的三位位置和速度信息，并具有良好的抗干扰性和保密性。GPS系统由卫星星座、地面控制/监测网络和用户接收设备组成。标称的GPS卫星星座24颗卫星组成，均匀分布在6个轨道平面上。分布在世界各地的地面控制/监视网时刻监视着卫星的健康与状态，并对GPS卫星提供实时的检测、指挥和控制。其主要由主控站、L波段检测站和S波段地面天线组成。用户接收设备，即GPS信号接收机，用来处理GPS信号，并能解算出用户所需的导航信息。GPS系统提供了标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)两种不同的服务。其中前者提供给民用，而后者主要由美国军方使用。SPS对全世界的所有用户均是免费可用的，而且在2000年1月，美国政府取消了SPS服务的选择可用性(SA)政策，使得SPS的定位精度大为提高。目前这种服务提供的预测精度为：在水平面内，优于13m(95%);在垂直平面内，22m(95%)以内（U.S.DepartmentofDefense,StandardPositioningSystemPerformanceSpecification,Oct2001）[1]。随着大规模集成电路技术飞速发展，基于GPS系统的导航设备运用越来越广泛，在民用导航领域一枝独秀，并拥有着非常广阔的发展前景。1.2研究背景及现状GPS信号是极微弱的信号，但由于GPS卫星采用相关特性非常出色的戈尔德码，即我们通常所说的C/A码，GPS接收机可以正常地工作。一般的GPS接上海交通大学硕士学位论文第一章绪论9收机可以正常工作所要求的最低GPS信号载噪比（CarrierNoiseRatio，C/No）大约为34dB-Hz。普通GPS接收机要求能够接收四颗以上卫星的信号，才能给出定位数据。但在某些特殊环境下，如在