26053

بهبود عملكرد گيرنده‌هاي GPS در شرايط حركت با ديناميك بالا

دكترا

مهندسي برق

1394-1400

1400/09/29

سيد محمد رضا موسوي ميركلايي

مهندسي برق

امروزه با توجه به گسترش عمده استفاده از سامانه موقعيت¬ياب جهاني (GPS) و نياز به كسب دقت¬هاي بالا در كاربردهاي گوناگون، ضروري است تلاش‌هايي در جهت حذف خطاهاي موجود در فرآيند تعيين موقعيت ماهواره¬اي و افزايش دقت آن انجام شود. با افزايش سرعت حركت گيرنده در كاربردهايي مانند حركت هواپيما، جستجوگر و يا ماهواره، دقت به شدت كاهش مي‌يابد؛ درحاليكه محاسبه دقيق موقعيت در اين سرعت‌ها بسيار حائز اهميت مي‌باشد. عوامل عمده‌اي كه در شرايط ديناميك بالا، عملكرد گيرنده را متأثر مي‌كنند، عبارتند از: سطح سيگنال به نويز پايين سيگنال ورودي، فركانس داپلر زياد و افت كيفيت مشاهدات. بنابراين، با سه رويكرد زير مي‌توان به بررسي گيرنده‌هاي ديناميك بالا و بهبود عملكرد آن‌ها پرداخت: (1) يافتن روش‌هاي اكتساب و رديابي سيگنال‌هاي ضعيف، (2) يافتن روش‌هاي محاسبه فركانس داپلر زياد و (3) بهبود روش‌هاي حل معادلات ناوبري جهت افزايش دقت موقعيت‌يابي در شرايط استفاده از داده‌هاي با كيفيت پايين. با توجه به اينكه روش‌هاي سنتي قادر به تامين سطوح مورد نياز دقت در موقعيت‌يابي در شرايط ديناميك بالا با استفاده از گيرنده‌هاي تك فركانسه GPS نيستند، نياز به روش‌هاي جديدي است كه عملكرد گيرنده در اين شرايط را بهبود بخشند. هدف از انجام اين رساله، توسعه الگوريتم‌هاي به كار رفته در گيرنده GPS به نحوي است كه حاصل، الگوريتمي با دقت مناسب گردد كه با استفاده از آن بتوان اثرات حركت با ديناميك بالا را كاهش داده و منجر به بهبود عملكرد گيرنده شد. روش‌هاي ارائه شده در اين رساله مبتني بر رويكردهاي اول و سوم بوده و سعي شده تا حد امكان هزينه پياده‌سازي پاييني داشته باشند. با توجه به اينكه گيرنده GPS از سه بلوك اساسي اكتساب، رديابي و موقعيت‌يابي تشكيل مي‌شود، در اين رساله، با تمركز بيشتر بر بلوك‌هاي اكتساب و موقعيت‌يابي، براي هر سه بلوك الگوريتم‌هايي پيشنهاد شده است؛ از جمله اين روش‌ها مي‌توان به استفاده از تبديل موجك در مرحله اكتساب جهت افزايش توان گيرنده در مواجهه با سيگنال‌هاي ضعيف و در نتيجه استفاده از ماهواره‌هاي بيشتر در مراحل بعدي بدون نياز به افزايش مدت زمان جمع‌آوري داده‌ها، استفاده از تبديل فوريه كسري به همراه فيلتر كالمن فازي در بخش رديابي براي افزايش محدوده ديناميكي قابل رديابي گيرنده و استفاده از روش‌هاي افزايش دقت موقعيت‌يابي مانند فيلتر كالمن توسعه يافته به همراه وزن‌دهي به داده‌ها بر اساس كيفيت آن‌ها، تعيين واريانس با در نظر گرفتن همبستگي بين مشاهدات و استفاده از مدل مناسب براي توصيف ديناميك حركت در بخش ناوبري اشاره كرد. نتايج شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهند روش‌هاي پيشنهادي حداقل 30 درصد در بخش اكتساب، 25 درصد در بخش رديابي و 30 درصد در بخش موقعيت‌يابي بهبود ايجاد كرده و نهايتاً موجب ارتقاء عملكرد كلي گيرنده شده‌اند.

1400/11/23

Improving Performance of GPS Receivers in High Dynamic Conditions

12/20/2022 12:00:00 AM

Nowadays, with the increasing use of GPS in various fields, many efforts are being made to improve its performance. By increasing the speed of the receiver, the accuracy of the positioning decreases; While accurate position calculation at these speeds is very important. The main factors that affect the receiver performance in high dynamic conditions are the signal-to-noise ratio of the input signal, the high Doppler frequency and the poor quality of the observations. Therefore, the following three approaches can be used to study high dynamic receivers and improve their performance: (1) finding weak signal acquisition and tracking methods, (2) finding high Doppler frequency estimation methods, and (3) improving methods of solving the navigation equations to increase positioning accuracy with the use of low-quality data. Given that traditional methods can not provide the required levels of accuracy in positioning of high dynamic single-frequency GPS receivers, new methods are needed to improve receiver performance in these conditions. The purpose of this dissertation is to develop the algorithms used in GPS receivers in such a way that the result is an algorithm with appropriate accuracy that can be used to reduce the effects of high dynamic motion and lead to improved receiver performance. The methods presented in this dissertation are primarily based on the first and third approaches and try to have as low implementation costs as possible. Given that the GPS receiver consists of three basic blocks of acquisition, tracking, and positioning, this dissertation proposes algorithms for all three blocks with a greater focus on the acquisition and positioning blocks. The proposed methods are as follows: The use of wavelet transform in the acquisition section to increase the sensitivity of the receiver in confronting weak GPS signals without the need to increase the data collection time, the use of fractional Fourier transform with fuzzy Kalman filter in the tracking section that increases the detectable Doppler frequency range, and the use of methods for improving positioning accuracy such as the weighting of observations based on their quality in the extended Kalman filter algorithm and the use of a suitable model to describe motion dynamics in the navigation section. The results of the simulations show that the proposed methods lead to an improvement of at least 30% in the acquisition section, 25% in the tracking section and 30% in the positioning section, and ultimately improve the overall performance of the receiver.

سيستم موقعيت ياب جهاني , ديناميك بالا , سيگنال به نويز , اكتساب , رديابي , موقعيت يابي

GPS , High Dynamic , Signal to Noise Ratio , Acquisition , Tracking , Positioning