● 摘要
近年来，GPS和GLONASS卫星导航系统不断进行升级，与此同时北斗导航系统和伽利略导航系统也加快了部署。多个GNSS系统的出现要求接收机支持多系统接收，新系统普遍采用了新一代的BOC测距信号，复杂的信号衰落环境要求先进的抗衰落算法，这都要求接收机采用更先进的跟踪算法和实现技术。而当前的接收机架构都无法满足多系统接收的需求，而且在多径抑制性能上也落后于算法的发展。针对这一困境，本文系统地研究了各个导航系统的信号结构，提出了一系列的创新方法，用于实现多系统的GNSS接收机。创新之一，本文独创性地提出了一种基于导航处理器的GNSS多系统接收方法，并研究了与其计算架构相适应的抗衰落算法。通过对GNSS的信号跟踪新算法的研究，提出了一种适合于各个导航系统信号的独创算法，而后对该算法的计算结构进行了研究和统计，根据算法模型和复杂度，首次提出了“导航处理器”的概念，基于导航处理器的多系统GNSS接收机可以完全采用软件实现。本文采用systemC对导航处理器进行周期级精确的建模，基于这个模型实现了GNSS的多系统算法，并进行了性能的比较和仿真，从而验证了该架构的可行性和优势，该架构中每个处理单元仅需6.5MIPS就能完成对一颗卫星的持续跟踪计算，而普通DSP处理器需要数十甚至上百MIPS。创新之二，新一代BOC信号的自相关函数包含多个相关峰，传统的延迟锁定环（DLL）对该信号进行码相位跟踪的时候，会错误地锁定到副峰上。本文研究了各种不同BOC导航信号的特性，通过分析BOC信号的频谱特征，创新地构造了一种经过本地子载波调制的参考信号，用其来与接收的BOC信号相关，就能消除多个相关峰所引起的码相位检测的不确定性，同时也给出了所需的相关器和码跟踪环路结构。该算法还能对BOC信号所具有的多个较强的旁瓣分别进行码跟踪，获得更多码相位估计值，这些 冗余的估计值能够提高接收机跟踪环的抗干扰能力。除此之外，该算法对于各种阶数的BOC信号都是通用的，因此适用于各个导航系统。创新之三，卫星导航接收机需要精确地估计信号的扩频码相位并进行跟踪，估计的精度直接影响伪距的测量精度。卫星信号的多径传播使得传统的基于DLL的估计器存在较大误差，本文提出了一种抗多径的估计算法，它基于最大似然参数估计方法，并给出了该算法的一种基于线性估计的推导过程，仿真的结果表明该算法比传统的DLL跟踪环在性能上有很大的改进，在多径延迟大于20米时，估计误差仅为窄相关方法的1/5。创新之四，本文进一步的深入研究发现，采用相位分析技术可以简化最大似然估计所造成的计算复杂性。本文提出了两种多径估计的独创算法，一种是基于小波分析的算法来抑制多径误差，该算法比传统的窄相关和Double Delta技术在性能上有很大的改进。本文指出，在采用Haar小波时，该技术与相关器估计方法在极限条件下是等价的，同时该方法的算法复杂度比基于最大似然估计的方法（MMT）要低。另外一种是基于相位相关技术的算法，它先把接收信号中的幅度信息去除，然后再做相位信号相关计算。相位相关技术和小波分析几乎有着相同的性能，它们虽然在当多径延迟非常小的时候灵敏度稍差，但是当多径与主径距离较大的时候能够获得与最大似然方法相近的性能。最后，本文根据多径估计算法和BOC信号的特点，设计并验证了基于导航处理器架构的实现方法。不仅进行了周期精确的仿真，还采集了真实GPS信号进行了验证，验证所用的软件接收机联合使用了Double Delta与多径估计算法，由于Double Delta能弥补多径估计算法的灵敏度问题，联合算法的性能超过了单独使用它们之一时的性能。实测数据的验证计算表明，在具有丰富的多径的传播环境下，定位精度平均改善了0.3米。