论文部分内容阅读
全球卫星导航系统(GNSS)是一种天基导航系统。当能够同时收到超过4颗卫星发射的直射信号时,接收机能够通过信号传输时延及卫星精确轨道信息计算其当前位置。GNSS系统建设的最初目标主要是面向军事应用领域,包括舰艇定位及武器运输监控等。随着高动态接收技术的发展,GNSS高动态导航系统以及以GNSS为中心的组合导航系统在导弹、战机等载体导航应用中的地位迅速提升。除军事应用外,高动态导航接收机在航空航天、空间定轨以及微小卫星编队飞行等领域也有着极大的应用价值。高动态GNSS接收机需要应对载体的较大加速度和加加速度,动态变化使得接收信号具有很大的载波多普勒和码多普勒变化。这使得普通接收机的载波跟踪环路和伪码跟踪环路难以保持锁定,造成解调失败或伪距测量误差扩大。为适应高动态条件下的GNSS信号接收,接收机通常具有较大的环路噪声带宽。但这会为环路输出引入更多的噪声,造成测距和定位精度下降。为解决这些矛盾,本文针对高动态条件下的伪码快速捕获技术、载波和伪码跟踪技术、高精度定位技术和轨迹平滑技术进行深入研究。此外,还针对位置解算与接收机跟踪通道的联合处理技术进行了研究。本文首先回顾了GNSS信号接收及定位的基本实现流程,并对系统常见测量误差来源进行了总结。在第二章中,为降低高采样率条件下的捕获器复杂度,研究了基于数据折叠的正交平均捕获算法。算法在保证较小的检测概率损耗的条件下,明显降低了算法实现开销和计算复杂度。本文从基本锁相环的数学模型分析出发,描述了高动态GNSS接收机中基本载波跟踪环路结构,给出了二阶跟踪环路的输出噪声方差及环路等效噪声带宽计算方法。在第三章中,对载波多普勒平滑伪距算法进行了分析,并将这一算法推广到高动态接收机中,分析了由载体高阶动态引入的载波频率估计误差对算法定位性能的影响。提出了一种基于载波多普勒辅助的位置速度联合估计算法,并基于测量值的估计性能限对算法的近似性能限做出了分析。从分析和仿真结果可知,该算法的定位性能优于传统定位算法。在第四章中,研究了小波降噪在载体轨迹平滑应用中的可行性。通过高动态下对载体位置估计结果直接进行小波降噪的算例分析可知,当载体具有高阶动态时,噪声高频成分被保留,平滑效果较低动态时有明显下降。因此利用高动态条件下基于载波多普勒平滑伪距的解算结果的平滑特性,设计了一种基于对差分解算结果小波降噪处理的轨迹平滑算法。仿真证明,该方法能够在载体具有较大动态的条件下,在保证较小的平均位置解算偏差的同时,有效的提高位置解算精度。在第五章中,对位置速度联合估计算法的速度估计性能进行了补充分析,并基于该结果设计了一种基于稳态卡尔曼滤波的动态参数估计算法。在此基础上,提出了一种具有动态辅助的载波跟踪环路设计方案。仿真表明,该方案能够较明显改善环路在高动态条件下的载波相位跟踪能力。第六章对本文的主要研究成果进行了总结,并对高动态GNSS接收机相关技术研究进行了展望。