Studies on the Software-Based GPS Receiver and Navigation Algorithms
- 발행기관 Graduate School Ajou University
- 지도교수 Lee, Ja-Sung
- 발행년도 2004
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 공학계열
- 본문언어 영어
초록/요약
This thesis presents the results of the studies on the software-based GPS receiver and precision navigation algorithms. The GPS receiver functions are modeled and implemented in a software manner. Design of the software-based GPS receiver is focused on the tracking over broad dynamic range and its implementation. The GPS observables are utilized for obtaining precise position and attitude parameters by using a CDGPS technique. The software-based GPS receiver is designed to have twelve L1 CA channels which generate the GPS observables including code delay times, carrier Doppler frequency shifts and initial carrier phases. A FFT-IFFT based acquisition method is used to acquire initial coarse estimates of the carrier Doppler frequencies and code delay times. A third order PLL combined with a second order FLL is designed for carrier tracking while a carrier-aided first order DLL is designed for code tracking. The performances of the designed signal tracking loops are analyzed for optimizing the loop filter parameters through the trade-off between the tracking errors due to receiver dynamics and input noise. A practical MLE algorithm for carrier Doppler tracking is designed and tested for high dynamic signals. In order to extract GPS observables, bit and frame synchronization modules are included in the designed software. An efficient pseudorange generation scheme using external aiding data such as satellite ephemerides, approximate user position and current GPS time is designed to improve the TTFF performance. The use of the external aiding data reduces the TTFF dramatically to less than 1.0 sec after the signal acquisition. The designed software-based GPS receiver algorithms are implemented in a conventional PC. In order to test various tracking methods and evaluate their performances prior to developing a GPS receiver, the GPS RF signal components at a receiver’s RF font-end must be generated and stored. This thesis includes an analytical IF level GPS signal simulation software to evaluate various signal tracking methodologies without acquiring actual GPS signals. The receiver trajectory, satellite ephemerides, noise effect based on signal-to-noise ratio, intermediate frequency, sampling frequency, quantization level of analog-to-digital converter, and other environment parameters are integrated into mathematical models to create valid IF level GPS signal components for all the satellites. Based on user dynamic specifications, the update rates of a GPS signal parameters, such as amplitude, carrier phase, Doppler frequency shift and code delay time are determined. The performance of the designed software-based GPS receiver algorithms are evaluated using both the generated GPS signals from the developed simulator and the real GPS signals from an RF front-end. For the point positioning with code pseudorange measurements, this thesis proposes two new direct solution algorithms. They are obtained by generalizing Koch’s four-satellite deterministic solution algorithm to N-satellite case by using deterministic and statistical methods. The deterministic algorithm is shown to require less computational time compared to other existing methods while maintaining a reasonable accuracy. The statistical algorithm, which utilizes noise statistics of the measurements as a weighting factor, exhibits excellent performance with computational time comparable to other similar methods. A practical CDGPS algorithm is proposed for real-time precision positioning with single frequency CA code GPS signals. The proposed algorithm includes an OTF integer ambiguity resolution algorithm based on a reconfigurable Kalman filter which is designed to generate minimal search space from correlated measurements. An efficient state reconfiguration scheme is used to deal with the variation of integer ambiguity states caused by varying sets of the visible GPS satellites. An alternative form of attitude determination algorithm based on vector observations from GPS antenna array is presented in this thesis. This method is based on a simple iterative least-squares estimation technique. The quaternion parameterization is adopted for the practical reason that the quaternion representation for attitude is free from singularity problem. It is shown that the cost function used in the method is equivalent to that of Wahba’s problem in a special case.
more초록/요약
본 논문에서는 GPS 수신기의 신호처리 및 항법부분을 수학적으로 모델링하고 분석한 후 소프트웨어적 기법만을 사용하여 소프트웨어 기반 GPS 수신기를 설계 구현하고, GPS 수신기의 측정치를 이용하는 새로운 정밀측위 및 자세각 결정알고리듬을 제안하고 분석한다. 설계된 소프트웨어 기반 GPS 수신기는 코드 지연 시간, 반송파 도플러 주파수 편이, 초기 반송파 위상차를 생성하여 이용하는 12채널 L1 CA 코드 수신기 형태이다. 반송파 도플러 주파수 편이와 코드 지연 시간값에 대한 초기 추정을 위하여 FFT-IFFT 기반 신호획득기법을 이용하였다. 3차 PLL과 2차 FLL을 상호보완적으로 결합하여 반송파 추적루프를 설계하였고, 반송파 도움방식의 1차 DLL을 설계하여 코드 추적루프에 이용하였다. 루프필터 파라미터들을 최적화하기 위하여 수신기 기동과 입력 잡음으로부터 기인하는 추적 오차들 사이의 관계로부터 설계된 신호추적루프의 성능을 분석하였다. 또한 고기동 신호추적을 위한 반송파 도플러 추적용 MLE 기법을 설계하고 시험하였다. 비트 및 프레임 동기 모듈을 설계 구현하여 GPS 측정치 추출에 이용하였다. 위성 ephemeris 데이터, 대충의 사용자 위치, 현재 GPS 시각 등과 같은 외부 보정정보를 효율적으로 사용하는 의사거리 생성기법을 설계하여 TTFF 성능 개선에 이용하였다. 의사거리 생성시 이와 같은 외부 보정정보의 효율적 사용은 TTFF를 신호획득 이후 1초 미만까지 획기적으로 줄인다. 설계한 소프트웨어 기반 수신기 알고리듬을 일반적인 PC를 이용하여 구현하였으며, RF부와 IF 데이터 저장기를 이용하여 정지 및 고기동 환경에서 실제 신호 데이터를 수집한 후 설계한 소프트웨어 기반 GPS 수신기 알고리듬의 성능을 평가하는데 이용하였다. GPS 수신기 하드웨어를 개발하기 앞서 다양한 신호추적기법과 그 성능을 시험하기 위해서는 GPS 수신기 RF단에서의 신호를 수집하고 저장하는 과정이 필수이다. 본 논문에서는 실제 GPS 신호를 수집하는 과정 없이도 다양한 신호처리 기법들을 평가하기 위한 해석적인 IF 수준 GPS 신호 시뮬레이터 소프트웨어를 설계한다. 모든 가시위성에 대한 타당한 IF 수준 GPS 신호 성분 생성을 위하여 수신기 이동 궤적, 위성 ephemeris, 신호대잡음비에 기인하는 잡음효과, 중간 주파수, 샘플링 주파수, ADC의 양자화 레벨 그리고 이밖의 다양한 환경적 파라미터들을 수학적 모델링에 첨가하였다. 사용자 기동환경에 대한 수신기 설계요구조건에 기반하여 신호크기, 반송파 위상, 도플러 주파수 편이 그리고 코드 지연 시간 등과 같은 GPS 신호 파라미터의 경신시간을 결정하였다. 코드 의사거리 측정치를 이용한 단독측위 알고리듬을 위하여 본 논문에서는 N개 위성에 대한 Koch의 직접계산법을 일반화하여 두가지 새로운 결정론적 직접계산법과 확률론적 직접계산법을 제안한다. 결정론적 직접계산법은 적은 계산시간안에 기존 여타 기법들에 상응하는 정확도를 유지하며, 측정치의 확률적 특성을 가중값으로 이용하는 확률론적 직접계산법은 기존 여타 유사한 기법들과 비교하여 적은 계산 시간안에 최적의 성능 특성을 갖는다. 또한 본 논문에서는 일반적인 L1 단일주파수 CA 코드 GPS 수신기용 실용적인 실시간 처리 CDGPS 기법을 제안한다. 제안된 기법은 칼만필터에 기반하여 최소의 검색공간을 생성하도록 하는 이동중 미지정수결정기법을 포함하며, 가시위성군의 변화에 따른 미지정수 상태벡터의 변화에 대응하기 위하여 효율적인 상태벡터 재구성기법을 포함하도록 설계되었다. 끝으로 본 논문에서는 GPS 안테나 배열로부터 들어오는 벡터형태 측정치를 기반으로 하는 새로운 자세각 결정기법을 제안한다. 제안된 자세각 결정기법은 간단한 형태의 최소제곱추정기이며, Singularity 문제에 구애받지 않는 자세각 파라미터를 위하여 쿼터니언을 이용하는 형태이다. 제안된 기법에서 사용된 비용함수는 특정한 조건하에서의 Wahba 문제의 비용함수와 등가임을 밝혔다.
more목차
목차
표목차 = ⅰ
Table of contents
Acknowledgements = ⅱ
Abstract = ⅲ
Tables of Contents = ⅴ
List of Tables = ⅹ
List of Figures = xi
Chapter 1. Introduction = 1
1.1 Background = 1
1.2 Objectives = 5
1.3 Thesis Outline = 8
PART Ⅰ. SOFTWARE-BASED GPS RECEIVERS = 10
Chapter 2. Fundamentals of GPS Receivers = 11
2.1 Signal Model = 11
2.2 Receiver Functions = 14
2.2.1 RF Front-End = 15
2.2.2 Baseband Processor = 18
2.2.2.1 Signal Acquisition = 19
2.2.2.2 Signal Tracking = 22
2.2.3 Navigation Processor = 26
Chapter 3. Signal Processing of Software-based GPS Receivers = 27
3.1 FFT-IFFT Based Signal Acquisition = 28
3.1.1 Correlation with Circular Convolution Method = 28
3.1.2 FFT-IFFT Signal Acquisition = 30
3.1.3 Comparison of Acquisition Methods = 33
3.2 Signal Tracking with Conventional Loop Filters = 35
3.2.1 Tracking Loop Filter Design = 35
3.2.1.1 Design of Phase Lock Loop Filter = 36
3.2.1.2 Design of Frequency Lock Loop Filter = 39
3.2.1.3 Design of Code Delay Lock Loop Filter = 42
3.2.2 Analysis of Signal Tracking Loop Filters = 45
3.2.2.1 Analysis of the Third Order PLL = 45
3.2.2.2 Analysis of the Second Order FLL = 50
3.2.2.3 Analysis of the DLL = 51
3.3 Conclusions = 53
Chapter 4. Signal Tracking with Maximum Likelihood Estimator = 54
4.1 MLE Cost Functions = 54
4.2 Processing Algorithms = 57
4.2.1 Gauss Method = 58
4.2.2 Levenberg-Marquardt Method = 59
4.3 Estimator Performance = 61
4.4 Conclusions = 64
Chapter 5. IF Level GPS Signal Simulator = 65
5.1 Signal Model = 65
5.2 Dynamic Specification of IF Level GPS Signal Simulator = 68
5.3 RF Front-End Modeling = 68
5.3.1 Direct Conversion Method = 69
5.3.2 Multi Stage Down Conversion Method = 73
5.4 Modeling of Signal and Noise Powers = 76
5.4.1 Signal Power = 76
5.4.2 Noise Analysis = 77
5.4.3 Design of Bandlimited Noise Generator = 82
5.4.4 Modeling of Analog-to-Digital Converter and Automatic Gain Controller = 83
5.5 Details on Software Blocks = 85
5.5.1 Navigation Profile Generator = 85
5.5.2 CA Code Signal Generator = 86
5.5.3 Carrier Signal Generator = 88
5.6 Verification of IF Level GPS Signal Simulator = 89
5.6.1 Experiment Setup = 89
5.6.2 Signal Level Verification = 89
5.6.3 Positioning Level Verification = 94
5.7 Conclusions = 95
Chapter 6. Implementation and Verification of Designed Software-based GPS Receiver = 97
6.1 Implementation of Signal Tracking Software = 97
6.1.1 PLL-plus-FLL Combined with Carrier Aided DLL = 97
6.1.2 MLE Combined with DLL = 106
6.1.3 IF Data Controller = 108
6.2 Time Synchronization = 109
6.2.1 Bit Synchronization = 109
6.2.2 Frame Synchronization = 111
6.3 Measurement Extraction = 113
6.3.1 Positioning Concepts = 113
6.3.2 Pseudorange Extraction = 116
6.3.3 New Pseudorange Generation Method = 118
6.4 Positioning Tests = 120
6.4.1 Static Test = 122
6.4.2 High Dynamic Test = 124
6.5 Conclusions = 130
PART Ⅱ. PRECISION NAVIGATION ALGORITHMS = 131
Chapter 7. GPS Navigation = 132
7.1 Navigation Equation = 132
7.2 Iterative Least-Squares Solution Algorithm = 133
7.3 Generalized Koch Algorithms = 134
7.3.1 Deterministic Solution Algorithm = 134
7.3.2 Statistical Solution Algorithm = 137
7.4 Performance Analysis = 139
7.5 Conclusions = 140
Chapter 8. Precision Positioning with GPS = 142
8.1 Mathematical Descriptions = 143
8.1.1 GPS Observables = 143
8.1.2 Observation Equations = 145
8.1.3 Conditions for Positioning = 147
8.2 Integer Ambiguity Resolution = 148
8.3 Kalman Filter for Integer Ambiguity Resolution = 151
8.3.1 Kalman Filter Design = 152
8.3.2 Reconfiguration Scheme = 154
8.3.3 Comparison of Search Space Generation Scheme = 157
8.4 Hypothesis Tests and Interval Estimation = 160
8.5 Simulation Studies = 164
8.6 Field Test Results = 168
8.7 Conclusions = 174
Chapter 9. Attitude Determination with GPS = 175
9.1 Attitude Determination Problem = 175
9.1.1 Wahba’s Problem = 176
9.1.2 Review on Attitude Determination Algorithms = 177
9.1.2.1 Vector Orientation Method(VOM) = 177
9.1.2.2 Transformation Method(TM) = 178
9.1.2.3 TRIAD = 178
9.1.2.4 Quaternion Estimation Method = 178
9.1.2.5 Singular Value Decomposition Method = 179
9.2 Quaternion-Based Least-Squares Method = 181
9.2.1 Derivation of Quaternion-Based Least-Squares for Attitude Determination = 182
9.2.2 Least-Squares with Quaternion Constraint = 184
9.2.3 Cost Function of Least-Squares = 185
9.3 Simulation Studies = 186
9.4 Conclusions = 193
Chapter 10. Conclusions and Future Works = 194
References = 199
Appendix A. Modified Koch Algorithm for Three Measurements = 209
A.1 Altitude Setting Method = 209
A.2 Clock Bias Setting Method = 211
Abstract in Korean = 213
