重庆大学
硕士学位论文
蓝膜片回收
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：信号与信息处理
指导教师：***动态秤
20120531
重庆大学硕士学位论文中文摘要
摘要
全球卫星定位系统能全天候地、实时地为人们提供位置、测速和授时服务。但是，在城市街道、森林、峡谷和室内环境等受到阻挡条件下，ＧＰＳ信号功率受到极大的损耗。普通的ＧＰＳ接收机无法在这样弱信号条件下正常工作，因此，高灵敏ＧＰＳ接收机技术逐渐成为ＧＰＳ技术发展与应用领域的研究热点之一。ＧＰＳ信号的捕获与跟踪技术是ＧＰＳ接收机中的关键技术，因此，开展ＧＰＳ弱信号捕获与跟踪算法的研究具有良好的学术价值和重要的理论意义。 本文首先阐述了ＧＰＳ信号由导航数据、Ｃ／Ａ码和载波构成，并说明Ｃ／Ａ码的高自相关性和低互相关性是ＧＰＳ信号成功捕获的基础。由于多普勒的影响，ＧＰＳ信号捕获搜索的频率范围为．１０ｋＨｚ～１０ｋＨｚ。接着分析了单次相干累加可用的最大数据长度和多普勒频移步长对信号捕获的影响。研究与分析了唐搜索检测器、相干一非相干累加和差分相干累加捕获算法，并用ｍａｔｌａｂ仿真了在不同的４和Ｂ条件时，唐搜索检测器捕获算法中捕获灵敏度和平均滞留次数的对应关系，仿真分析了相干．非相干累加算法和差分相干累加算法的捕获效果。
本文对唐搜索检测器算法中的检测统计变量进行改变，将相邻相干积分平方之和作为新的检测统计变量，较好地提高了信号捕获的灵敏度，可是增加了每个单元的平均驻留次数，延长了捕获时间。采用二阶锁频环辅助三阶锁相环作为载波跟踪环结构，能较好地跟踪载噪比为３０ｄＢ／Ｈｚ和相对加速度为１２９的低载噪比高动态ＧＰＳ信号，并能正确地解调出导航数据。
关键词：ＧＰＳ弱信号，捕获，跟踪，锁相环，锁频环
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｇ１０ｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｌｌｓｕｐｐｌｙｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ
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引出线
ｒｅｃｅｉｖｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｇｒａｄｕａｌｌｙｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｈｏｔｓｐｏｔｓｏｆＧＰＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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ｌｏｃｋｅｄＫｅｙｗｏｒｄ：ＧＰＳｗｅａｋｓｉｇｎａｌ，ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｌｏｏｐ
ＩＩ
１绪论
１．１课题的研究背景及意义
全球定位系统（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）是一个基于人造卫星、面向全球、为人们提供全天候的实时、定时和连续、精确定位系统【ｌ儿２１。自问世以来，ＧＰＳ在其导航、定位领域中保持着领先地位。同时由于ＧＰＳ的出现，导致许多其他领域发生了革命性的变化。目前，在全球范围内，所有需要导航、定位服务的用户均被ＧＰＳ全天候、全球覆盖、高精度、质优价廉和方便灵活的特点所吸引。
在民用领域，ＧＰＳ的应用按其作用可大致分为以下三个方面：
（１）ＧＰＳ可为位于陆、海、空各个层面的物体进行导航、定位，包括船舶远洋导航和进港引水、汽车自主导航以及飞机航路引导和进场降落【１］【３１。
（２）ＧＰＳ可为电力、邮电和通信等网络系统授时与校频，包括产生同步时问、准确授时和精确校频等【１】【３】。
（３）ＧＰＳ可应用于大地测量、地壳运动监测、工程测量、工程变形监测和资源勘杏等各种高精度测量任务中【ｌＪ【３Ｊ。
据２００７年的统计数据显示，我国卫星导航定位服务产业及相关产业已达到了４００亿元，虽然这个数额并不是非常多，但是导航定位终端社会总持有量已超过１０００万个，与２０００年相比，它增加了１０多倍ＨＪ。这些表明ＧＰＳ业务及其相关应用在我国得到了飞速发展。
在ＧＰＳ卫星导航定位系统中，ＧＰＳ卫星所发射的信号从结构上可以分为３个层次：载波、伪随机噪声码（Ｐｓｅｕｄｏ—ＲａｎｄｏｍＮｏｉｓｅ，ＰＲＮ）和数据码【ｌＪ。在这３个层次中，伪码和数据码通过二相键控调制在载波上，调制后的载波信号经过卫星发射出去。据ＧＰＳ定位原理可知，卫星与ＧＰＳ接收机之间的伪距是实现定位的前提条件，而伪距是根据ＧＰＳ信号中伪码序列的传输相位延迟来确定的。为了实现用户的定位功能，需要利用ＧＰＳ接收机精确恢复接收信号中的伪码相位和相应载波相位１５Ｊ。这就需要成功捕获和持续跟踪ＧＰＳ信号。
截止到日前，对ＧＰＳ普通应用中的捕获和跟踪技术的研究已较为成熟。事实上，射频通道处理模块和基带信号处理模块是组成ＧＰＳ接收机的核心与基础。其中基带信号处理模块由捕获、跟踪、位同步、子帧同步和位置解算等子模块构成［５】。然而，捕获与跟踪子模块是基带信号处理模块中非常重要的两个子模块，这是因为只有ＧＰＳ信号成功捕获与持续跟踪后，基带信号处理模块中的其他子
模块才能顺利地进行。一般来说，在室外开阔的环境下，接收到ＧＰＳ信号的功率比较强，普通的ＧＰＳ接收机能够完成对ＧＰＳ信号的捕获与跟踪。随着人们对ＧＰＳ个人导
航定位服务需求的增加，使得人们对民用ＧＰＳ接收机在ＧＰＳ弱信号的环境下能顺利工作提出了更高的要求。在室内、城市街道、茂密森林等复杂的环境（下面简称为室内环境）下，ＧＰＳ信号经过人工或自然建筑物的阻碍、天线和反射信号与自身信号干扰的作用，ＧＰＳ接收机接收到的信号功率受到极大的衰减。这些因素导致普通ＧＰＳ接收机无法捕捉到信号或错误地对信号进行捕获和跟踪，不能有效进行后续的位同步、子帧同步、导航数据的译码和导航数据的位置解算，这就造成了普通ＧＰＳ接收机的跟踪误差，进而会造成很大的定位误差，极大地影响了定位精度。
普通ＧＰＳ接收机能正常工作的最低ＧＰＳ信号功率为一１６０ｄＢＷ，然而在室内环境下，接收到的ＧＰＳ信号功率比在室外情况下低１０．３０ｄＢＷ【２】【６】【７】。因此，通常把ＧＰＳ信号功率低于．１７０ｄＢＷ（对应载噪比为３４ｄＢ／Ｈｚ）的信号叫ＧＰＳ弱信号，普通ＧＰＳ接收机无法在室内环境下正常工作【６Ｊ。据文献［１］、［２］、［６】、［７］得出在不同环境下接收ＧＰＳ信号的功率大小如表１．１：
表１．１不同环境下ＧＰＳ信号的强度
Ｔａｂｌｅ１．１ＧＰＳｓｉｇｎａｌｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｉｎｄｉｆｉｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
条件信号电平（ｄＢＷ）载噪Ｈ５（ｄＢ／Ｈｚ）信噪ＬＬ（ｄＢ）omap4460
朱晓驰在低载噪比ＧＰＳ信号（ＯＨ室内环境）情况下，需要用高灵敏ＧＰＳ接收机来完成对ＧＰＳ弱信号进行捕获。高灵敏ＧＰＳ接收机通常是采用较长的接收数据来提高信号处理增益。但是，延长数据长度会引发较多问题，例如：其一，在不能准确知道导航数据位（５０ｂｉｔ／ｓ）ｌｉ凳，变情况下，为了避免导航数据位跳变对信号相干累加的影响，信号相干累加处理的时间不应超过２０ｍｓ；其二，在多普勒频移范围一定的情况下，较长时间的相干处理会使得多普勒步长减小，为了覆盖整个多普勒频移范围，这样使得搜索的次数增加，从而增加捕获时间。鉴于这些不利因素，必须采用合理的算法来延长数据长度，从而提高ＧＰＳ接收机的处理增益，以完成对ＧＰＳ弱信号的捕获。由于普通捕获算法和跟踪策略较难地完成对弱信号的捕获与跟踪。因此，在对ＧＰＳ弱信号进行捕获的同时，也必须考虑采用合理的跟踪策略和跟踪算法来完成对弱信号的跟踪。
２
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