跟踪环路在高动态GNSS接收机中的研究和应用
摘要
随着全球导航定位系统(GNSS)技术的成熟和应用的普及,针对GNSS信号的高动态接收机的研究已然成为热点,尤其是在车载和高动态的情况下,跟踪环路(TRACKING LOOP)如何稳定持续的跟踪信号,如何成功剥离出数据码、顺利进行接收机的定位、测速、授时等操作便成为研究的重中之重。
论文以GNSS信号中的GPS一路为例,具体阐述了GNSS信号的结构以及产生原理,说明了高动态GNSS接收机的三大组成模块,并且详细分析了信号从卫星发送到接收机接收的整个处理过程。论文重点阐明了接收机跟踪模块的设计和实现,对环路鉴别器以及环路滤波器进行了具体的分析,通过比较鉴别器的算法性能,最后得出适合的算法和滤波器阶数,同时详细地分析了所设计的跟踪环路的门限值和误差值。
针对实际的高动态场景,论文采用锁频环辅助锁相环、载波环辅助码环以及惯性导航(INS)辅助的支持策略。为保证跟踪的精度,提出载波平滑伪距的策略。针对多径效应,论文通过仿真分析其对载波跟踪环和码跟踪环的影响,提出一种相应减弱多径影响的方法。为了节省硬件资源,论文在设计的时候对跟踪的某些模块进行了特殊的定点化处理。
最后,论文说明了跟踪模块实现的整体状态流程,对设计模块进行软件仿真,同时在硬件平台上实现接收机的信号跟踪过程,并且对比模拟源进行了不同场景下的系统验证性测试,从而证明了设计的跟踪环路的正常性和稳定性。
With the development and application of global navigation satellite system (GNSS), Researches of receivers for GNSS signals in high-dynamic circumentance have become the hot spots.How to keep the stability of the continuous tracking, how to get the navigation messages successfully and how to get the positions, velocities, and times of receivers especially in the automotive and high dynamic circumstances have become the priority among priorities.
Just taking the GPS signal of GNSS signals as an example, the paper first introduces the satellite signal's composition and generation principle, then introduces three big modules of the high-dynamic GNSS receiver.Meanwhile, It analyzes the whole processing procedure of the signal from the satellite to the receiver.This paper introduces the design of the tracking loop of the receiver. It analyzes the loop discriminators and loop filters, including the derivations of the formulas and the corresponding simulations,and gets the discriminator algorithms'performances,then it finally obtains the suitable discriminator algorithms and filter orders.At the same time, the formulas are derived for the thresholds and the error values of the loops.
In the view of the high dynamic circumentance, the strategies of frequency-locked loop auxiliary phase-locked loop, carrier loop auxiliary code loop and inertial navigation system (INS) are presented. Also, in order to ensure the stability and accuracy of tracking, the paper puts forward the strategy of the carrier-smooth-pseudorange. At the same time in the view of the multipath effects, the paper analyzes the effects on tracking loop by the simulations, and puts forward the corresponding methods to weaken multipath effects.In order to save hardware resources,some modules are designated for fixed-point processing especially.
Finally, this paper introduces the implementation of the whole tracking process.It sets parameters and simulates the tracking algorithms in software platform. Meanwhile, the paper also gives a comparative testing result under various testing scenarioes using a source system in the hardware platform.Finally it is proved that the design of the tracking loop is the normal and stable.
论文以GNSS信号中的GPS一路为例,具体阐述了GNSS信号的结构以及产生原理,说明了高动态GNSS接收机的三大组成模块,并且详细分析了信号从卫星发送到接收机接收的整个处理过程。论文重点阐明了接收机跟踪模块的设计和实现,对环路鉴别器以及环路滤波器进行了具体的分析,通过比较鉴别器的算法性能,最后得出适合的算法和滤波器阶数,同时详细地分析了所设计的跟踪环路的门限值和误差值。
针对实际的高动态场景,论文采用锁频环辅助锁相环、载波环辅助码环以及惯性导航(INS)辅助的支持策略。为保证跟踪的精度,提出载波平滑伪距的策略。针对多径效应,论文通过仿真分析其对载波跟踪环和码跟踪环的影响,提出一种相应减弱多径影响的方法。为了节省硬件资源,论文在设计的时候对跟踪的某些模块进行了特殊的定点化处理。
最后,论文说明了跟踪模块实现的整体状态流程,对设计模块进行软件仿真,同时在硬件平台上实现接收机的信号跟踪过程,并且对比模拟源进行了不同场景下的系统验证性测试,从而证明了设计的跟踪环路的正常性和稳定性。
With the development and application of global navigation satellite system (GNSS), Researches of receivers for GNSS signals in high-dynamic circumentance have become the hot spots.How to keep the stability of the continuous tracking, how to get the navigation messages successfully and how to get the positions, velocities, and times of receivers especially in the automotive and high dynamic circumstances have become the priority among priorities.
Just taking the GPS signal of GNSS signals as an example, the paper first introduces the satellite signal's composition and generation principle, then introduces three big modules of the high-dynamic GNSS receiver.Meanwhile, It analyzes the whole processing procedure of the signal from the satellite to the receiver.This paper introduces the design of the tracking loop of the receiver. It analyzes the loop discriminators and loop filters, including the derivations of the formulas and the corresponding simulations,and gets the discriminator algorithms'performances,then it finally obtains the suitable discriminator algorithms and filter orders.At the same time, the formulas are derived for the thresholds and the error values of the loops.
In the view of the high dynamic circumentance, the strategies of frequency-locked loop auxiliary phase-locked loop, carrier loop auxiliary code loop and inertial navigation system (INS) are presented. Also, in order to ensure the stability and accuracy of tracking, the paper puts forward the strategy of the carrier-smooth-pseudorange. At the same time in the view of the multipath effects, the paper analyzes the effects on tracking loop by the simulations, and puts forward the corresponding methods to weaken multipath effects.In order to save hardware resources,some modules are designated for fixed-point processing especially.
Finally, this paper introduces the implementation of the whole tracking process.It sets parameters and simulates the tracking algorithms in software platform. Meanwhile, the paper also gives a comparative testing result under various testing scenarioes using a source system in the hardware platform.Finally it is proved that the design of the tracking loop is the normal and stable.
引文
[1]周祖渊 全球卫星导航系统的构成及其比较[学术期刊]《重庆交通大学学报》2008年
[2]王建平GNSS接收机跟踪环路的设计与实现[学位论文]北京北京邮电大学2010年
[3]胡锐等 基于FPGA+DSP的嵌入式GPS数字接收机系统设计[学术期刊]《中国惯性技术学报》2009年2期
[4]滕继涛GNSS/INU/DMAP组合导航定位技术在车辆导航中的应用[学术期刊]《中国惯性技术学报》2003年1期
[5]Kaplan, E. D "Satellite Signal Acquisition and Tracking" IEEE. Proceedings of the Institute of Navigation 51st Annual Meeting, pp.119-208,1996
[6]言峰 GPS载波跟踪环设计[学术期刊]《电子测量技术》2008年11期
[7]谢钢 GPS原理与接收机设计[M]电子工业出版社2009年页码：16-17,24-25,292-300
[8]徐长雷 高动态下GPS信号载波同步方法的研究及其仿真[学位论文]安徽安徽大学2008
[9]葛雄强等 导航信号载波跟踪环路的研究[学术期刊]《电子测量技术》2011年34卷2期
[10]庄国等 GPS考虑副瓣的多径跟踪误差研究[学术期刊]《电子科技大学学报》2004年3期
[11]Hartmann. H.P. "Analysis of a dithering Loop for PN Code Tracking." IEEE. Transactions On Aerospace And Electronic Systems, pp.2-9,1974
[12]Pedro A. Roncagliolo "Pull-out Probability Considerations in High Dynamics GNSS Tracking Loops Design" IEEE Trans. Spread Spectrum Techniques and Applications, pp.53-57,2008.
[13]Richard D.J van Nec,Bryan R.Townsend "The multipath Estimating Delay Lock Loop: Approaching Theoretical Accuracy Limits" IEEE.Position Location and Navigation Symposium, pp. 246-251,1994
[14]魏国庆 GPS接收机多径估计的分析与研究[学位论文]四川西华大学2011年
[15]姜华 GPS接收机接收模块的研究与VLSI实现[学位论文]上海上海交通大学2008年
[16]罗大成 载波跟踪算法综述[学术期刊]《系统仿真学报》2008年22期
[17]白雪 高动态环境下极低谱密度GNSS信号的跟踪技术研究[学位论文]江苏东南大学2010年
[18]吴琼 高动态GPS接收机环路跟踪技术研究[学术期刊] 《无线电工程》2008年12期
[19]Razavi, A "Carrier Loop Architectures for Tracking Weak GPS Signals" IEEE. Aerospace and Electronic Systems, pp:697-710,2008.
[20]Phillip W. Ward "Performance Comparisons between FLL, PLL and a Novel FLL-Assisted-PLL Carrier Tracking Loop under RF Interference Conditions" IEEE. Proceeding of the 11th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, pp.783-795,1998
[20]王顶等 高动态下直扩接收机关键模块的设计与仿真[学术期刊]《计算机应用研究》2012年3月
[21]孙礼等 GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现[学术期刊]《北京航空航天大学学报》1999年2期
[22]张玮 高动态GPS接收机跟踪技术研究[学位论文]陕西西安理工大学2008年
[23]沈锋等 多径干扰下扩频导航信号伪码跟踪性能仿真研究[学术期刊]《系统仿真学报》2008年20期
[24]姜华等 基丁CORDIC算法的GPS载波跟踪环鉴相器的设计[学术期刊]《信息技术》2008年第1期
[25]Bryan R. Townsend and Patrick C. Fenton "A Practical Approach to the Reduction of Pseudorange Multipath Errors in a LI GPS Receiver" IEEE. Position Location and Navigation Symposium,pp.49-56,2008.
[26]何兴GNSS软件接收机的捕获跟踪算法研究[学位论文]湖北 武汉理工大学2010年
[27]金富钊 GPS中的环路跟踪算法的研究[学位论文]陕西西安电子科技大学2006年
[28]贺小军 等小卫星平台的多系统GNSS软件接收机研究[学术期刊]《空间科学学报》2009年
[29]陈涛 GPS接收机基带信号处理的研究和设计[学位论文]上海上海交通大学2009年
[30]李宏飞 直扩信号的同步与跟踪技术研究[学位论文]陕西 西北工业大学2005年
[31]胡锐 一种改进的数字GPS接收机基带环路设计[学术期刊] 《计算机工程》2009年14期
[32]叶加伟 GPS接收机捕获跟踪算法研究及FPGA设计[学位论文]四川西南交通大学2009的
[33]S.Hinedi, J.I.Statman, "High-Dynamic GPS Tracking(FinalReport)",JPLPublication,1988
[34]寇艳红 GPS原理与应用(第二版)[M] 电子工业出版社2007年
[35]吴志强GNSS接收机捕获算法研究及FPGA实现[学位论文]北京北京邮电大学2011年
[2]王建平GNSS接收机跟踪环路的设计与实现[学位论文]北京北京邮电大学2010年
[3]胡锐等 基于FPGA+DSP的嵌入式GPS数字接收机系统设计[学术期刊]《中国惯性技术学报》2009年2期
[4]滕继涛GNSS/INU/DMAP组合导航定位技术在车辆导航中的应用[学术期刊]《中国惯性技术学报》2003年1期
[5]Kaplan, E. D "Satellite Signal Acquisition and Tracking" IEEE. Proceedings of the Institute of Navigation 51st Annual Meeting, pp.119-208,1996
[6]言峰 GPS载波跟踪环设计[学术期刊]《电子测量技术》2008年11期
[7]谢钢 GPS原理与接收机设计[M]电子工业出版社2009年页码：16-17,24-25,292-300
[8]徐长雷 高动态下GPS信号载波同步方法的研究及其仿真[学位论文]安徽安徽大学2008
[9]葛雄强等 导航信号载波跟踪环路的研究[学术期刊]《电子测量技术》2011年34卷2期
[10]庄国等 GPS考虑副瓣的多径跟踪误差研究[学术期刊]《电子科技大学学报》2004年3期
[11]Hartmann. H.P. "Analysis of a dithering Loop for PN Code Tracking." IEEE. Transactions On Aerospace And Electronic Systems, pp.2-9,1974
[12]Pedro A. Roncagliolo "Pull-out Probability Considerations in High Dynamics GNSS Tracking Loops Design" IEEE Trans. Spread Spectrum Techniques and Applications, pp.53-57,2008.
[13]Richard D.J van Nec,Bryan R.Townsend "The multipath Estimating Delay Lock Loop: Approaching Theoretical Accuracy Limits" IEEE.Position Location and Navigation Symposium, pp. 246-251,1994
[14]魏国庆 GPS接收机多径估计的分析与研究[学位论文]四川西华大学2011年
[15]姜华 GPS接收机接收模块的研究与VLSI实现[学位论文]上海上海交通大学2008年
[16]罗大成 载波跟踪算法综述[学术期刊]《系统仿真学报》2008年22期
[17]白雪 高动态环境下极低谱密度GNSS信号的跟踪技术研究[学位论文]江苏东南大学2010年
[18]吴琼 高动态GPS接收机环路跟踪技术研究[学术期刊] 《无线电工程》2008年12期
[19]Razavi, A "Carrier Loop Architectures for Tracking Weak GPS Signals" IEEE. Aerospace and Electronic Systems, pp:697-710,2008.
[20]Phillip W. Ward "Performance Comparisons between FLL, PLL and a Novel FLL-Assisted-PLL Carrier Tracking Loop under RF Interference Conditions" IEEE. Proceeding of the 11th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, pp.783-795,1998
[20]王顶等 高动态下直扩接收机关键模块的设计与仿真[学术期刊]《计算机应用研究》2012年3月
[21]孙礼等 GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现[学术期刊]《北京航空航天大学学报》1999年2期
[22]张玮 高动态GPS接收机跟踪技术研究[学位论文]陕西西安理工大学2008年
[23]沈锋等 多径干扰下扩频导航信号伪码跟踪性能仿真研究[学术期刊]《系统仿真学报》2008年20期
[24]姜华等 基丁CORDIC算法的GPS载波跟踪环鉴相器的设计[学术期刊]《信息技术》2008年第1期
[25]Bryan R. Townsend and Patrick C. Fenton "A Practical Approach to the Reduction of Pseudorange Multipath Errors in a LI GPS Receiver" IEEE. Position Location and Navigation Symposium,pp.49-56,2008.
[26]何兴GNSS软件接收机的捕获跟踪算法研究[学位论文]湖北 武汉理工大学2010年
[27]金富钊 GPS中的环路跟踪算法的研究[学位论文]陕西西安电子科技大学2006年
[28]贺小军 等小卫星平台的多系统GNSS软件接收机研究[学术期刊]《空间科学学报》2009年
[29]陈涛 GPS接收机基带信号处理的研究和设计[学位论文]上海上海交通大学2009年
[30]李宏飞 直扩信号的同步与跟踪技术研究[学位论文]陕西 西北工业大学2005年
[31]胡锐 一种改进的数字GPS接收机基带环路设计[学术期刊] 《计算机工程》2009年14期
[32]叶加伟 GPS接收机捕获跟踪算法研究及FPGA设计[学位论文]四川西南交通大学2009的
[33]S.Hinedi, J.I.Statman, "High-Dynamic GPS Tracking(FinalReport)",JPLPublication,1988
[34]寇艳红 GPS原理与应用(第二版)[M] 电子工业出版社2007年
[35]吴志强GNSS接收机捕获算法研究及FPGA实现[学位论文]北京北京邮电大学2011年
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |