GNSS接收机跟踪环路滤波算法研究

论文总字数：25987字

摘 要

全球卫星导航系统是目前对我们的生活影响最为深远的技术之一，已经融入了我们的生活，被用在交通、环保、通讯、医疗、消防、邮电等各个领域之中。在卫星导航终端中，主要有捕获、跟踪、PVT（position, velocity, time）解算三部分，其中信号跟踪是接收机技术之中的关键环节，对系统的持续稳定工作起到了决定性的作用。在实际应用中，跟踪环路参数的理解、设计对接收机性能提升具有深刻的意义。

本文先对全球卫星导航系统进行了介绍，讨论了接收机对信号的捕获和跟踪的原理，从跟踪环路理论模型出发，结合实际数据的软件仿真分析了跟踪环路参数性能影响，同时基于GUI(Graphical User Interface)显示跟踪结果，同时绘制出不同噪声带宽参数设置下的DLL与PLL的伯德图，这为分析跟踪环路的性能和不同参数对跟踪环路的影响提供了一种高效的工具，为跟踪环路的研究打下了良好的基础。并从理论模型和实际数据运行结果讨论了噪声带宽对跟踪结果的影响，以及跟踪环路的性质。在论文的最后总结了本论文的研究工作并展望了接收机未来的发展。

关键词：全球卫星导航，频率锁定环路，延迟锁定环路，跟踪环路，噪声带宽

Research of GNSS Receiver Tracking Loop Filtering Algorithm

Abstract

Global navigation satellite system has played an important role in our daily lives. It has penetrated most aspects of social life including transportation, environmental protection, communications, medical, fire protection, telecommunications and so on. Considering the GNSS terminal part, there are mainly three important components, that are acquisition, tracking and PVT. Among all, tracking is the most important component that can keep the system working continuously and stably.

In this paper, the global satellite navigation system is firstly introduced which is mainly about the acquisition and tracking principles of the signal receiver. On the basis of the establishment of the tracking loop oretical model, the simulation software is been used in order to analyze the role that the loop parameters play in its systematic integral capability and also the GUI is been used to ease the displaying of simulation results. Then the Bode diagrams of DLL and PLL under different noise bandwidth parameter settings has been drawn to be treated as an efficient tool that is used to analyze the performance of the tracking loop system when the parameters changes. Meanwhile, all the work above lay a solid foundation for the further research of this topic. Finally, the influence by the noise bandwidth on the tracking results is discussed based on the theoretical model and practical data, besides, the nature of the tracking loop is analyzed too. In the end of this paper, the work of this dissertation is summarized and the future development of the signal receiver is prospected.

KEY WORDS: GNSS, PLL, DLL, tracking loop, noise bandwidth

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 全球卫星导航系统 1

1.1.1 全球卫星导航系统简介 1

1.1.2 全球卫星导航系统现状及发展趋势 2

1.2 跟踪环路 3

1.2.1跟踪环路简介 3

1.2.2跟踪环路的研究现状及发展趋势 3

1.3 研究内容与章节安排 3

1.3.1研究内容 3

1.3.2章节安排 4

第二章 信号的捕获和跟踪 5

2.1 信号的捕获 5

2.2 信号的跟踪 5

2.2.1 基本锁相环路 5

2.2.2 一阶锁相环 6

2.2.3 二阶锁相环 7

2.2.4 载波和码跟踪 8

2.2.5 实际应用中的载波和码跟踪 9

第三章 MATLAB简介及跟踪滤波环路的软件实现 13

3.1 MATLAB简介 13

3.2跟踪滤波环路的软件实现 13

3.3 软件接收机的运行结果 16

第四章 噪声带宽对码跟踪与载波跟踪的影响 17

第五章 跟踪环路的数据分析的UI设计 22

第六章 总结和展望 25

致谢 26

参考文献（References） 27

GNSS接收机跟踪环路滤波算法研究

第一章 绪论

1.1 全球卫星导航系统

1.1.1 全球卫星导航系统简介

全球卫星导航系统是目前对我们的生活影响最为深远的技术之一，它的英文全称是Global Navigation Satellite System，通常被我们简称为GNSS，虽然它最初的诞生只是为了军用，但估计连它的发明者也没有想到的是，它如今并不仅仅被用于军事领域，它已经融入了我们的生活，成为我们生活之中的一部分，并且在你意料之外的任何一个地方都能见到它的影子，在日常生活中，它可以用在交通、环保、通讯、医疗、消防、邮电等领域，在与我们的生活息息相关的其它地方，诸如林业、农业、电力、测绘、地质、水利、气象、地震、石油、物探、海洋、城建等领域也有大量应用。或许人们很难想象它为什么会有这么广泛的作用，举个例子，全球具有几千个GNSS基准站，在地震预测中，它们能够自动监测全球的地壳运动，比如全球板块间的相对运动，板块边缘及内部构造的变形等，能够确定不同尺度构造块体运动方式规模和运动速率，确定区域位移场、速率场和应变场，提供实时的连续监测资料，给地震的预测和震后的分析提供了大量具有重大意义的数据资料，并提供了有力的帮助。尤其是近年来，基于GPS的移动终端导航定位服务发展非常迅速，不仅仅是专用的导航仪具有导航功能，就连手机、个人数字助理等个人非导航专用产品也普及了导航功能。并且近年来导航功能日益完善，导航精度日益提高，在GPS产品刚出来的那几年，我们时常能看到或听到有人被GPS导航系统直接导航开到海里等类似于这样的问题，但是由于GPS近几年的迅猛发展，我们现在已经几乎看不到这样的新闻了。据某调查公司的数据表明，在2010年，带有GPS定位功能的手机销量增长了进一倍，并且该调查公司保守估计，于2015年，带有定位功能的手机销量将达到9.4亿部，而实际上2015年带有定位功能的手机销量远超于此，达到了惊人的十亿多部。由此看见GPS在市场上取得的巨大成功，并其所带来的巨大的经济效益。这让GPS不得不引起了每个国家关注和对全球卫星导航系统的的重视。这不仅仅GPS在市场上的惊人表现，更是因为GPS的设计初衷，GPS最初被设计出来是为了军用用途的，而不是民用。要知道，GPS是受美国军方控制的，稍微对GPS有点了解的人都知道，GPS信号分为民用的标准定位服务和军规的精确定位服务两类。 原本是美国出于战争安全考虑，担心敌对国家或恐怖组织可能会利用精确定位服务对美国发动攻击，因此在精确定位服务的信号中人为地加入误差以降低GPS的定位精度，使其定位精度变为100米左右，被加入误差后的精度即标准定位精度，但2000年以后，由于其它欧洲的伽利略卫星系统的冲击，因为它在当时提高了更高的精度，致使美国的GPS终端制造商不得不降低价格和伽利略打价格战而引起了所有制造商的不满，而导致美国军方不得不把标准定位服务的精度提高到10米左右，但是仍然远低于军方公布的厘米级甚至毫米级的军规的精确定位服务。由此可见，GPS的主动权是牢牢握在美国军方手中的，并且GPS也是具有一定的战略意义的，因此，完全依赖魏国的GPS而不具有自己的全球卫星导航系统的国家是完全被能够被称之为强国的。作为一个强国，拥有自己的全球卫星导航系统具有着毫无争论的战略意义和市场意义，因此，继美国GPS之后，其它全球卫星导航系统也如雨后春笋般冒出，当然，中国也自主研发了北斗卫星导航系统。在这样的背景下，全球卫星导航系统的发展也已经是水到渠成，国内外与全球卫星导航系统的相关研究也越来越广泛与深入。

1.1.2 全球卫星导航系统现状及发展趋势

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