【摘要】：精確制導(dǎo)彈藥在現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭中的作用越來越突出,是信息化戰(zhàn)爭的重要標(biāo)志。衛(wèi)星制導(dǎo)憑借其全天候、低成本等優(yōu)勢已發(fā)展成為制導(dǎo)彈藥主要的制導(dǎo)方式之一。與常規(guī)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellites System,GNSS)接收機相比,彈載GNSS接收機接收的衛(wèi)星信號具有更大的動態(tài)、更低的載噪比,甚至可能出現(xiàn)信號中斷等情況,從而對接收機的核心技術(shù)——基帶信號處理,提出了更高的要求。對于信號捕獲,由于彈丸飛行時間僅為數(shù)十秒,因此捕獲速度性能非常關(guān)鍵。而捕獲精度影響跟蹤環(huán)路到達穩(wěn)態(tài)的時間,從而影響接收機首次定位時間,因此捕獲精度也是重要的捕獲性能之一。對于信號跟蹤,高動態(tài)要求環(huán)路增大帶寬,但會導(dǎo)致更多的噪聲,因此如何平衡環(huán)路動態(tài)性能和噪聲性能是彈載接收機高動態(tài)、低載噪比條件下載波跟蹤的難點。隨著新的衛(wèi)星導(dǎo)航信號陸續(xù)出現(xiàn),以及接收機基帶信號處理算法的不斷改進,接收機必須不斷地更新?lián)Q代。軟件接收機能在不改變硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上快速地更新算法功能,現(xiàn)已成為未來衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的一個發(fā)展方向�；谏鲜鼍_制導(dǎo)彈藥的應(yīng)用背景和衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的發(fā)展趨勢,本文重點研究了彈載GNSS軟件接收機的基帶信號處理相關(guān)技術(shù),開展的主要工作及取得的研究成果如下:(1)開展了衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機數(shù)字中頻信號源的設(shè)計工作,為后續(xù)研究接收機基帶信號處理算法提供參數(shù)可靈活設(shè)置的信號源。具體工作包括以下三個內(nèi)容:第一,研究了目前世界上主要的四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號體制,分析其異同點,得出盡管各系統(tǒng)信號體制不盡相同,但基帶信號算法具有一定相似性的結(jié)論。為此,后續(xù)工作均在GPS L1信號基礎(chǔ)上展開;第二,基于Matlab/Simulink開發(fā)了GPS L1軟件模擬器;第三,基于DSP+FPGA研制了一臺GPS L1偽衛(wèi)星原理樣機。經(jīng)測試,所設(shè)計的信號源參數(shù)可控,滿足設(shè)計要求。(2)以精確制導(dǎo)炮彈為應(yīng)用背景,提出了一種能同時顧及精度與速度的信號捕獲算法。該算法借助炮彈發(fā)射前初始化輔助信息對碼相位和載波頻偏進行預(yù)估,縮小參數(shù)搜索范圍,提高捕獲速度。在此基礎(chǔ)上,利用Chirp-Z變換實現(xiàn)頻率的細化,提高捕獲精度。為提高算法效率,借鑒了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機基帶信號處理中的相干積分清零思想,對原始信號進行降采樣,從而降低運算量。實驗結(jié)果表明,降采樣在顯著提高捕獲速度的同時,能保持較高的頻率精度。為進一步提高算法的精度和靈敏度,提出加長相干積分時間和降采樣相結(jié)合的方法。結(jié)果表明,當(dāng)相干積分時間為10ms時,所提算法能捕獲載噪比低至22dB-Hz的信號;對于25dB-Hz的信號,捕獲誤差僅為5.9Hz。(3)開展了彈載GNSS軟件接收機矢量跟蹤算法研究工作。重點研究了矢量跟蹤環(huán)在彈載GPS接收機高動態(tài)信號跟蹤中的應(yīng)用,建立了彈載接收機數(shù)字中頻信號仿真電路模型,并對傳統(tǒng)的固定帶寬環(huán)路、基于Kalman濾波器的鎖相環(huán)及矢量跟蹤環(huán)在頻率跟蹤方面的性能進行了比較,結(jié)果表明矢量跟蹤環(huán)具有更好的噪聲性能和動態(tài)性能。針對矢量跟蹤環(huán)存在的可見星數(shù)目減小和導(dǎo)航解精度下降將導(dǎo)致環(huán)路跟蹤精度下降甚至環(huán)路失鎖的問題,提出了一種利用彈丸期望彈道輔助的矢量頻率跟蹤算法,有效抑制了信號短時中斷情況下誤差的發(fā)散,并且在信號恢復(fù)時,能實現(xiàn)環(huán)路的快速重鎖。(4)由于彈丸空間狹小,彈載GNSS接收機通常使用體積較小的溫補晶振(Temperature Compensated Crystal Oscillator,TCXO)作為頻率參考源,而TCXO的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度較差�？紤]到振蕩器對接收機信號處理有重要影響,開展了接收機振蕩器對基帶信號算法性能的影響研究。為給軟件接收機提供更接近實際情況的信號源,需要模擬接收機振蕩器的相位噪聲。為此,提出了一種低成本、滿足精度要求的振蕩器相位噪聲測量方法。該方法基于自主研制的偽衛(wèi)星發(fā)射與接收系統(tǒng),信號載噪比可靈活設(shè)置。利用較高的載噪比,可有效降低熱噪聲的影響,從而可使環(huán)路帶寬盡可能加大。使用該方法,可測量平均時間低至1 ms的短期頻率穩(wěn)定度,測量誤差僅為2.22%。利用模擬得到的信號源,分析了接收機振蕩器相位噪聲對鎖相環(huán)以及接收機鐘差、碼相位預(yù)測的影響。此外,考慮到彈載接收機印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)元器件密度高,易導(dǎo)致發(fā)熱現(xiàn)象,進而影響振蕩器的頻率穩(wěn)定性,本文通過實驗研究和分析了接收機工作時PCB溫度變化對鎖相環(huán)的影響。本文開展的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機基帶信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究,對于彈載GNSS軟件接收機的工程化實現(xiàn)具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。
【圖文】：

邐博士學(xué)位論文逡逑武器主要的研究方向之一［３，４］。圖１．１是美國＼＼１９８２式“神劍”１５５１１１１１１制導(dǎo)炮彈。逡逑該彈是美軍第’？型全球定位系統(tǒng)／慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Ｇｌｏｂａｌ邋Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ／Ｉｎｅｒｔｉａｌ逡逑Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＧＰＳ／ＩＮＳ）制導(dǎo)彈藥，也是美軍實現(xiàn)火炮系統(tǒng)轉(zhuǎn)型和增強精確打擊逡逑能力的重點項目。“神劍”制導(dǎo)炮彈在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場上得到了充分的檢驗。逡逑（ａ）邋“神劍”精確制導(dǎo)炮彈邐（ｂ）邋“神劍”內(nèi)部的ＧＰＳ接收機逡逑圖１．邋１邋“神劍”精確制導(dǎo)炮彈及其內(nèi)部ＧＰＳ接收機ｍ逡逑隨著ＧＰＳ現(xiàn)代化進程的不斷推進，ＧＰＳ系統(tǒng)得到不斷的發(fā)展和完善，新增加的逡逑軍用信號Ｍ碼，將使ＧＰＳ制導(dǎo)彈藥的性能得到進一步提高。與此同時，其他衛(wèi)星導(dǎo)逡逑航系統(tǒng)也在組網(wǎng)或現(xiàn)代化改造當(dāng)中。俄羅斯的格洛納斯（ＧＬＯＮＡＳＳ）系統(tǒng)是與ＧＰＳ逡逑同時期發(fā)展的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，并在１９９６年初建成。早在１９９３年９月，，俄羅斯總逡逑統(tǒng)就宣布，ＧＬＯＮＡＳＳ將是俄羅斯武庫的一部分。歐洲的伽利略（Ｇａｌｉｌｅｏ）系統(tǒng)是歐逡逑盟研制的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)�；冢牵幔欤椋欤澹铮瑲W洲可建立自己的軍事體系，從而擺脫逡逑對ＧＰＳ的依賴。我國的北斗（ＢＤＳ）系統(tǒng)目前己實現(xiàn)亞太地區(qū)的覆蓋，正處于全球逡逑組網(wǎng)進程當(dāng)中

飛行過程中高動態(tài)、低載噪比和信號中斷等惡劣條件均會使跟蹤誤差增大，因此增強逡逑環(huán)路跟蹤性能對于提高彈丸命中精度極為關(guān)鍵。逡逑此外，如圖１．２所示，振蕩器為射頻前端模塊提供頻率源，同時為基帶信號處理逡逑模塊提供驅(qū)動時鐘，可見振蕩器的性能直接影響信號的捕獲與跟蹤性能。然而，彈丸逡逑提供的空間有限，彈載接收機通常使用體積較小的溫補晶振（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，邋ＴＣＸＯ）。溫補晶振受外界因素（溫度、壓力等）影響逡逑較大［１２］，其輸出信號的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度性能也較差［１３］，后續(xù)的基帶信號處理勢逡逑必受到影響。逡逑在傳統(tǒng)的硬件接收機中，基帶信號算法通常由專用集成電路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋Ｓｐｅｃｉｆｉｃ逡逑Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ邋Ｃｉｒｃｕｉｔ，邋ＡＳＩＣ）實現(xiàn)，如圖１．１（ｂ）所示。盡管ＡＳＩＣ具有強大、高速的運算逡逑能力，但它沒有可編程性，缺乏靈活性，對于研究和開發(fā)不同功能的基帶信號算法不逡逑利。軟件接收機的出現(xiàn)則打破了以硬件為核心的傳統(tǒng)接收機功能單一、可擴展性差的逡逑設(shè)計局限。所謂軟件接收機
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TJ410.3

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本文編號：2675389