面向GPS L2C 软件接收机的高灵敏度捕获、跟踪方法研究

本项目对面向软件接收机的GPS 现代化L2C新民用卫星信号的高灵敏度捕获、跟踪方法进行研究，以解决低信噪比环境下的定位应用难题而且使系统实时升级维护成为可能。本项目首先对GPS L2C可控数字中频信号源进行仿真与分析；针对CM码捕获中未知导航数据跳变带来捕获性能降低的问题，提出基于能量的新型高灵敏度捕获方法以提高CM码的捕获灵敏度；针对CL码的高灵敏度直接捕获，采用新型时频域双折叠码捕获技术以同时兼顾捕获时间和捕获灵敏度；最后将无迹卡尔曼滤波及粒子滤波技术应用到CM/CL码联合跟踪以提高跟踪环的灵敏度和跟踪精度。本项目具有理论研究价值且潜在的经济社会效益巨大，研究成果在解决低信噪比环境下的接收机定位应用中具有重要意义。

L2C是GPS现代化Block IIR-M卫星发射的一个新民用信号。L2C 信号采用了特殊的民用中等长度码（CM码）和民用长码（CL码）进行时分复用。本项目针对软件接收机所开展的信号模拟、采集以及信号处理方法的研究均旨在提升在低信噪比环境下L2C信号捕获跟踪的灵敏度和精度。.在设计基于MATLAB的GNSS卫星信号模拟器中，详细介绍了其各个组成模块：接口模块、系统初始化模块，信号发生器模块，噪声发生器模块，干扰信号发生器模块，信号合成模块，低通滤波器模块，A/D转换模块，信号储存模块。GNSS卫星信号模拟器能够为现代化GNSS民用接收机的研制开发、测试提供各种复杂仿真环境和可控的模拟信号源。适合对目前硬件模拟器无法提供的新型卫星信号调制方式进行测试，也便于后续捕获、跟踪算法的研究。.信号采集部分包括GPS天线和前端设计。接收机的前端设计的工作频段为L1-L2，对此信号做下变频处理避免了混叠。信号处理阶段，对输入信号采样的降频处理能够在同一周期内减少采样数，有效减少了捕获工作量。采用圆周相关算法可得到CM码的起始相位和分辨率为50Hz的载波频率信号。.因码长较长，CL码的快速捕获较难实现。为了提升其捕获的速度和性能，提出了一种基于时频域双折叠技术的GPS L2C CL信号的快速直捕算法。时频域双折叠技术节省了大量计算，事实上是在减少相干积分时间和削弱相干积分性能间建立平衡。同时，折叠的数量不能随意，因为它受到L2C信号的强度和载噪比减小的限制。此算法综合考虑了时间的减少，幅值的降低以及噪声的增大。.针对L2C信号的跟踪，提出的基于UKF的GPS L2C CM/CL联合跟踪新算法削弱了能量损耗，提升了跟踪精度。主要包括：CM/CL信号的联合和UKF模型的构建。这个方法中，CL码跟踪时，用锁相环代替了传统的Costas鉴相器，在信号联合中，选取线性权值参数至关重要，在UKF模型中，构建基于多普勒频移差、载波相位差和载波幅值的系统状态方程和测量方程。滤波得到的UKF的补偿值能够有效削弱码和载波误差并且提升跟踪精度。此基于UKF的GPS L2C CM/CL码联合信号跟踪新方法的有效性在干扰环境中通过实验得以验证。