北斗B1C信号载波相位跟踪技术研究

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随着北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)的全面建成,我国自主卫星导航的相关研究逐渐步入成熟期,以BDS为核心的导航设备正在各个领域发挥着重要作用。信号跟踪技术是导航、定位、授时的前提,直接决定了导航观测量的质量,特别是在城市、丛林等环境下,对接收机跟踪性能要求越来越高,一直是卫星导航领域的重点研究内容。论文以北斗B1C信号为研究对象,对重点针对B1C信号的载波相位跟踪技术展开研究,主要研究工作如下:首先,论文对卫星导航接收机载波相位测量值跳变模型进行了分析,介绍了卫星导航接收机载波跟踪环路的结构和原理,以及载波相位测量值产生和跳变的原理和过程。重点分析了通过软件接收机和硬件接收机两种方式实现载波相位测量值提取的方法,在此基础上,对载波相位测量值跳变产生原因、检测和抑制手段进行了分析。其次,针对B1C信号跟踪存在跟踪模糊性问题,论文通过分析B1C信号体制特性以及造成跟踪模糊性问题的原因,对B1C信号无模糊跟踪方法进行了深入研究,重点比较研究了目前主流的四种典型无模糊跟踪方法,并对其跟踪性能进行了仿真分析,在此基础上,提出一种基于伪指数函数(Pseudo-Exponential Function,PEF)的无模糊跟踪技术,与四种典型的无模糊跟踪方法的对比分析显示了其在抗多径性能和实现复杂度方面具有优越性。然后,为提高B1C信号能量利用率和跟踪精度,论文研究设计了一种基于扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filtering,EKF)的B1C信号数据/导频联合载波跟踪方案。详细分析了传统的B1C信号跟踪环路的不足之处,建立了数据/导频联合跟踪模型;在联合跟踪模型的基础上,详细推导并引入了EKF算法;测试结果显示,与传统的单导频跟踪方法相比,基于EKF的联合跟踪方法在载波跟踪精度上提高了50%,码环跟踪精度提高了86%、能量利用率提高了4.7%。最后,为评估载波相位测量值跳变的抑制性能,论文对设计的跟踪方法进行了测试,包括载波相位测量值跳变检测方法设计、跳变抑制性能评价方案设计和跳变抑制性能测试三部分。对于载波相位测量值跳变的检测,设计了一种基于长短时记忆(Long-Short Term Memory,LSTM)神经网络的跳变检测方法,并通过测试验证了其对大于0.25周跳变具有有效的检测能力。对与跳变抑制性能评价方案,设计了大幅值噪声和信号受阻两种场景。实验结果表明,相比于传统的跟踪方法,论文所设计的跟踪方法在大幅值噪声和信号受阻两种场景下输出的载波相位测量值均未出现大于0.25周的跳变情况。
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