题目：电离层闪烁下GPS信号跟踪算法研究

 

 

全球导航卫星系统（GNSS）信号穿越电离层时，电离层中不规则的高动态弱等离子体会引发信号群延迟、宽频带弥散、幅度衰落和载波相位随机抖动现象。其中信号幅度衰落和载波相位抖动（即电离层闪烁）频繁发生在地磁赤道地带和极地地区。电离层闪烁会增大接收机跟踪误差，导致周跳，在强闪烁下甚至会引发卫星信号失锁。然而当前最先进的GNSS接收机并不能应对电离层闪烁现象。随着GNSS在测量、精准农业以及诸如航空等生命安全类型领域的广泛应用，开发出能够对抗电离层闪烁影响的技术愈发重要。

本论文研究目的包括：（1）设计具备电离层闪烁仿真功能的GPS数字中频信号模拟器；（2）开发GPS接收机矢量跟踪环路（VTL），并与标量跟踪环路（STL）比较，验证VTL抗闪烁性能。

首先，基于AJ-Standford模型和Cornell模型开发了电离层闪烁仿真软件，可以灵活配置闪烁仿真时长、闪烁数据更新周期以及闪烁模型各相关参数，从而得到电离层闪烁影响下卫星导航信号幅度衰落及相位波动序列。

然后，研制集成电离层闪烁仿真功能的卫星导航数字中频信号模拟器，该模拟器作为抗闪烁研究平台工具，可以灵活调整闪烁卫星、闪烁模型、闪烁开始时间、闪烁持续时间、闪烁模型相关参数，同时具备载噪比随飞行轨迹动态变化的功能。用实验室自研的卫星导航软件接收机对该抗闪烁研究平台工具进行测试，实验结果验证了其设计的正确性。

接着，设计并实现基于VTL的GPS接收机，介绍了VTL的工作原理和工作流程，详细给出过程方程与测量方程的建立过程，采用一种自适应卡尔曼滤波算法，使得测量噪声协方差阵实现实时更新，并对矢量接收机在定位与测速方面进行了测试，结果发现，基于VTL的接收机可以正常跟踪卫星信号，实现了定位与测速基本功能。

最后，完成了电离层闪烁条件下的VTL性能测试与分析。利用GPS接收机抗闪烁研究平台工具产生一组电离层闪烁条件下的GPS数字中频信号，分别由VTL与STL进行处理，结果表明，与STL相比，VTL具有更好的抗干扰性能，能够在更低的载噪比条件下工作，具有更强的鲁棒性。

本论文的研究成果可以为电离层闪烁科学研究和卫星导航接收机抗闪烁性能测试提供适用的平台工具，为电离层闪烁条件下鲁棒的GPS跟踪算法研究做出贡献。