论文总字数：25561字

摘 要

全球定位系统在导航定位领域发挥着重要作用。随着对GPS定位的精度和可靠性需求的提高，对GPS接收机的研究也越来越深入。本文重点对GPS L1波段的数据进行了捕获跟踪和定位解算，研究了载波跟踪和相位测量的基本原理。

强电离层闪烁在低纬度地区发生时会造成接收到的卫星信号幅度发生深度衰减。严重时会发生信号跟踪环路失锁、定位误差增大甚至导航中断等问题，对在近赤道地点巴西采集到的出现强电离层闪烁情况下的GPS L1基带数据进行分析，提出了一种基于多通道中频信号采集系统的GPS L1软件接收机在经历强电离层闪烁时的信号处理算法。首先，通过信号强度测量获得了数万个衰减事件。然后分析了低纬度地区信号的幅度衰减特性，包括衰减持续时间、衰减之间的时间间隔及衰减事件数等。在 -15 dB的衰减阈值下，主要的衰减时间非常短，通常不超过20 ms ，从23:00到24:00的一个小时内，主要衰减间隔小于2 s。

因此，为了降低对多颗卫星同时失锁的可能性，应设计具有较短重捕时间的接收机。随后，捕获、跟踪和PVT（位置，速度和时间）计算由设计的软件接收器完成。结果显示：分析电离层闪烁对信号幅度衰减的影响有助于设计先进的跟踪算法，并提高接收机的鲁棒性和精度。

关键词：捕获与跟踪；电离层闪烁；幅度衰减特性

ABSTRACT

Global positioning system plays an important role in navigation and positioning. With the increasing demand of the accuracy and reliability of GPS positioning, the research on GPS receiver is more and more in-depth. This thesis focuses on the acquisition, tracking and positioning of GPS L1 band data, and studies the principles of tracking and phase measurement.

The received satellite signal amplitude is attenuated greatly due to the strong ionospheric scintillation for low latitude regions, which causes the GPS tracking loop’s loss of lock, the positioning errors to increase, and navigation to be interrupted. To solve the above problems, the GPS L1 baseband data during strong ionospheric scintillation collected in Brazil near the equatorial site was analyzed and a novel signal processing algorithm is proposed based on the GPS L1 software receiver using the multi-channel intermediate frequency (IF) data sampling system. Tens of thousands of fading events are obtained based on the signal intensity measurement. The amplitude fading characteristics in the low latitude region are analyzed, including fading duration, time separation between fades and the numbers of signal intensity fading events. The main fading time is very short in -15 dB fading threshold, which generally is less than 20 ms. The main time separation between fades is less than 2 s in a single one-hour period from the time 23: 00 to 24: 00.

Therefore, it has the characteristic of a short reacquisition time for the receiver designed to reduce the probability of simultaneous loss of lock for some satellites. Subsequently, the acquisition, tracking and PVT ( position, velocity and time) calculations are completed by the custom-designed software receiver. The results show that the impact analysis of ionospheric scintillation on GPS amplitude attenuation in the low latitude region is helpful for designing the advanced tracking algorithm and to improve the robustness and accuracy of the GPS receiver.

KEY WORDS: Acquisition and Tracking; Ionospheric Scintillation; Amplitude Fading Characteristics

目 录

摘 要 II

ABSTRACT III

第一章 引言 1

1.1课题的背景和意义 1

1.2全球定位系统概述与基本原理 1

1.2.1全球定位系统概述 1

1.2.2 GPS定位基本原理 1

1.3电离层闪烁概述 2

1.4本文主要研究内容及结构安排 2

第二章 GPS卫星的导航定位信号 4

2.1概述 4

2.2 载波信号 4

2.3 测距码 4

2.3.1伪随机噪声码 4

2.3.2 C/A码的产生 5

2.4 数据码 6

第三章 GPS卫星信号的捕获 7

3.1概述 7

3.2 基本参数 7

3.2.1 信噪比和载噪比 7

3.2.2 噪声带宽B_n 8

3.3 信号捕获原理 8

3.4并行码相位搜索捕获算法 8

第四章 GPS卫星信号的跟踪 10

4.1概述 10

4.2锁相环的基本理论 10

4.2.1一阶锁相环 12

4.2.2二阶锁相环 13

4.2.3连续系统到离散系统的转换 14

4.3 GPS信号跟踪 16

4.3.1载波和码元跟踪 16

4.3.2利用锁相环跟踪GPS信号 17

第五章 电离层闪烁及其幅度衰减特性分析 18

5.1电离层闪烁简介 18

5.2电离层闪烁指数S₄和σ_φ 18

5.2.1幅度闪烁指数S₄ 18

5.2.2相位闪烁指数σ_φ 19

5.3电离层闪烁对全球定位系统的影响 19

5.4衰减指数定义 21

5.4.1衰减持续时间 21

5.4.2衰减之间的时间间隔 21

5.5 GPS信号强度衰减分析 21

5.5.1衰减持续时间 21

5.5.2衰减之间的时间间隔 22

5.5.3衰减事件数 23

5.6 SDR 处理与 PVT 导航解算结果 24

第六章 总结与展望 26

参考文献 27

致 谢 28

第一章 引言

1.1课题的背景和意义

当GPS信号通过电离层时可能会发生电离层闪烁。电离层闪烁频繁发生在低纬度地区以及高纬度的极光椭圆和极帽地区附近^[1]。在低纬度地区，幅度衰减较为普遍。当发生电离层闪烁时，将导致接收到的卫星信号相位振荡和幅度的深度衰减。甚至会造成信号跟踪环路失锁，定位误差急剧增大以至于导航中断。

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