北斗接收机基带信号处理算法关键技术研究
目录
摘要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. I II 目录 ...................................................................................................................................... VII 图目录 ...................................................................................................................................... X I 表目录 .................................................................................................................................... XV 第一章绪论 (1)
1.1课题的研究背景 (1)
1.2研究目标与意义 (2)
1.3 论文的主要内容和章节安排 (3)
第二章北斗系统与北斗接收机原理 (5)
2.1北斗系统定位原理 (5)
2.2 系统构成 (5)
2.3 信号结构 (6)
2.3.1 载波 (7)
2.3.2 测距码 (8)
2.3.3 数据码 (9)
2.4 接收机原理 (10)
2.5 本章小结 (11)
第三章北斗系统捕获算法研究 (13)
3.1 捕获原理 (13)
3.2 国内外研究现状 (14)
3.3单周期捕获算法 (14)
3.4多周期捕获算法 (16)
3.5 辅助捕获算法 (17)
3.6 硬件实现情况 (18)
VII
3.7基于小波变换的北斗系统抗干扰捕获算法研究 (19)
3.7.1信号与系统模型 (20)
3.7.2 小波变换 (21)
3.7.3算法描述 (22)
3.8本章小结 (24)
第四章北斗系统跟踪算法研究 (25)
4.1 跟踪原理 (25)
4.1.1相位锁定环路 (26)
4.1.2超前减滞后延迟锁定环路 (28)
4.2 国内外研究现状 (30)
4.2.1载波辅助技术 (30)
4.2.2载波相位平滑伪距 (30)
4.2.3载波环与惯导系统深性组合技术 (30)
4.2.4矢量跟踪 (31)
4.3 基于改进的扩展卡尔曼滤波的北斗系统矢量跟踪算法研究 (31)
4.3.1北斗信号模型的建立 (31)
4.3.2矢量跟踪环路设计的理论推导 (32)
4.3.3基于改进的扩展卡尔曼滤波器矢量跟踪算法设计 (33)
4.4 本章小结 (36)
第五章北斗接收机仿真 (37)
5.1 捕获算法仿真 (37)
5.2 跟踪算法仿真 (39)
5.3 本章小结 (43)
第六章总结与展望 (45)
6.1本文的研究内容总结 (45)
6.2 前景展望 (46)
参考文献 (49)
VIII
致谢 (55)
攻读硕士期间参与项目、发表文章及专利 (57)
IX
X
图目录
图 2-1北斗接收机定位原理 (5)
Fig.2-1 The Positioning Principle of Beidou (5)
图 2-2北斗系统卫星轨道分布 (6)
Fig.2-2 Beidou Satellite Orbit Distribution System (6)
图 2-3北斗系统C测距码发生器示意图 (9)
Fig.2-3 The Scheme of Generator of C Code of Beidou (9)
图 2-4 北斗载波、测距码和数据码长度示意图 (10)
Fig.2-4 The Scheme of Carrier、Range Code and Data Code (10)
图 2-5北斗系统接收机工作示意图 (11)
Fig.2-5 The Scheme of Beidou Receiver (11)
图 3-1北斗系统捕获算法 (13)
Fig.3-1 Beidou System Captures Algorithm (13)
图 3-2卫星信号的二维搜索 (14)
Fig.3-2 Dimensional Search for Satellite Signal (14)
图 3-3 基于FFT并行码相位捕获 (16)
Fig.3-3 Based on FFT Parallel Code Phase Acquisition (16)
图 3-4改进差分相干累积捕获算法 (17)
Fig.3-4 Improved Differential Coherent Accumulation Capture Algorithm (17)
图 3-5 惯导辅助捕获算法 (18)
Fig.3-5 SINS Assisted Acquisition Algorithm (18)
图 3-6相关器结构 (21)
Fig 3-6 Related Structure (21)
图 3-7窄带干扰信号频谱 (24)
Fig 3-7 Narrowband Interference Signal Spectrum (24)
图 4-1 解调原理图 (26)
XI
Fig 4-1 The Scheme of Demodulation (26)
图 4-2锁相环基本构成 (27)
Fig 4-2 The Scheme of PLL (27)
图 4-3 DLL基本构成 (28)
Fig 4-3 The scheme of DLL (28)
图 4-4矢量跟踪处理流程 (31)
Fig 4-4 The Processing of Vector Tracing (31)
图 4-5改进的导航卡尔曼滤波算法设计框图 (34)
Fig 4-5 Improved Design Diagram of Navigation Kalman Filter (34)
图 5-1小波降噪后的信号 (37)
Fig 5-1 Signal after Wavelet Noise Reduction (37)
图 5-2窄带干扰情况下二维搜索结果 (38)
Fig.5-2 Narrowband Interference Dimensional Search Results (38)
图 5-3窄带干扰情况下码相位搜索结果 (38)
Fig.5-3 Narrowband Interference Case Code Phase Search Results (38)
图 5-4小波降噪后二维搜索结果 (39)
Fig.5-4 The two-dimensional Search Results after Wavelet Noise Reduction (39)
图 5-5小波降噪后码相位搜索结果 (39)
Fig.5-5 Code Phase Search Results after Wavelet Noise (39)
图 5-6设备连接 (40)
Fig.5-6 Device Attachment (40)
图 5-7 数据实地采集场景 (40)
Fig.5-7 Data Gathering Scene (40)
图 5- 8时频域波形图 (41)
Fig.5-8 Waveform in Time and Frequency Domain (41)
图 5- 9 软件接收机处理信号捕获值 (41)
Fig.5-9 Signal Capture Value Processed by Software Receiver (41)
图 5- 10 跟踪环路输出导航电文 (42)
XII
Fig.5-10 The Navigation Message output by the Tracking Loop (42)
图 5- 11 载波相位输出值比较 (42)
Fig.5-11 Carrier Phase Value Comparison (42)
XIII
XIV
表目录
表 2-1北斗系统和GPS信号频点 (8)
Tab 2-1 Beidou and GPS Signal Frequency (8)
表 2-2北斗系统与GPS测距码数据对比 (8)
Tab 2-2 Comparison of Code Data between Beidou and GPS Ranging (8)
表 4-1常用鉴相器 (29)
Tab 4-1 Common Phase Distractor (29)
XV
XVI
第一章绪论
1.1课题的研究背景
卫星定位导航主要包括美国的GPS（Global Positioning System）、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）等[1]。中国的北斗系统自2000年开始建成试验系统，历经北斗一代，北斗二代[2]。目前，北斗系统紧追GPS的步伐，并以其全天候、高精度和可通信等特点，在军事、航空、航天、交通等领域得到了广泛应用和迅速发展[3]。下面分别介绍GNSS各系统信号体制。
（1）GPS系统。GPS卫星发射两个用于导航定位的载波信号，即L1(1575.42MHz)和L2(1227.6MHz)，目前新发展的还有L5； C/A码每个码周期为1023个码元，每个周期对应1ms[4]。
信号的产生过程为：C/A码与包含导航电文的数据码进行模二和后，调制到载波上，调制后的载波经卫星天线发射给用户[5]。用户接收机捕获卫星信号后用于定位和导航[6]。
（2）GALILEO系统。Galileo系统的信号可分为E5a(1176.45MHz),E5b(1207.14 MHz)，Eb（1278.75 MHz），E2-L1-E1（1575.42 MHz）四种，开放式服务信号OS调制在E2-L1-E1信号上[7]。码元长度的增加将导致本地接收机相关运算量的增加，从而在一定程度上降低捕获的实时性，Galileo系统中解决这个问题的办法是采用了分层码的设计，当信号强时，才有上层的码信息缩短捕获时间[8]。与GPS系统采用BPSK调制不同，Galileo系统采用BOC（1,1）调制，其带宽优于BPSK调制，有利于跟踪环路中码相位的跟踪。另外，BOC（1,1）调制信号相关运算后有三个自相关峰值，必须找到正确的峰值，才能得到正确的导航结果 [9]。
（3）GLONASS系统。俄罗斯的GLONASS系统设计时间要早于GPS系统，但其发展却一波三折，目前有望重振旗鼓。在技术方面，GLONASS采用不同于其他三个导航系统码分多址的体制，单独使用了频分多址的信号复用方式，其优点为抗干扰能力更强 [10]。
（4）北斗系统。北斗系统信号由B1和B2 载波信号构成，其中B1I 信号的标称载
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