高动态GPS卫星信号混合载波跟踪算法设计

高动态运动环境会给GPS卫星信号带来很大的多普勒频移及其变化率,甚至产生频率的突变,单一的锁相环、锁频环、四象限鉴频器无法进行稳定跟踪。在对传统锁相环、锁频环原理及性能分析的基础上,设计了一种基于Costas锁相环(Costas-PLL)、叉积锁频环(CP-FLL)及四相鉴频器(FQFD)并能够智能切换的混合载波跟踪算法,该算法基于二阶FLL辅助三阶PLL的跟踪环路实现,依据不同的动态环境使FLL和PLL交替工作,以提高载波跟踪环路的动态适应性。通过固定频率、频率一次斜升、频率二次斜升和频率突变等4种不同动态条件下的实验,证明了该算法在高动态环境下的有效性和可靠性。     

基于自适应EKF的高动态载波跟踪算法

针对载波跟踪算法在大频偏或动态剧烈变化时易失锁的问题,提出一种无数据辅助情况下基于自适应R/Q扩展卡尔曼滤波(AEKF)的高动态载波跟踪算法。该算法在AEKF代替鉴相器和滤波器的环路结构基础上,引入两倍相位转换来消除数据位跳变的影响,并利用载噪比估计方法和基于加加速度的信号动态监测方法来修正观测噪声协方差(R)和系统状态噪声方差(Q),进而兼顾环路的跟踪精度和动态稳定性。实验结果表明:利用该算法的GPS软件接收机能够在加速度200 g,瞬间加加速度10 000 g/s的动态指标下正常工作。     

适用于GPU处理的长更新周期卫星导航信号载波相位跟踪环路

针对短环路更新间隔下GPU处理效率受限而长更新间隔下传统跟踪环路在高动态场景下不稳健的这一矛盾,提出一种可适应高动态场景的长更新间隔载波相位跟踪算法,该算法设计了一种低复杂度线性调频信号参数估计方法,实现跟踪初始阶段多普勒及变化率的精确估计进而消除大部分信号动态,在跟踪过程中采用4阶卡尔曼滤波对残余信号相位及动态进行精细跟踪。经仿真验证,200 ms更新间隔下,可实现多普勒一次/二次变化率分别达800 Hz/s、64 Hz/s²正弦运动场景下载波相位的快速稳定跟踪,1次更新即可收敛,跟踪灵敏度低至23 d B-Hz,相位跟踪精度远优于传统3阶锁相环路。     

自适应强跟踪卡尔曼滤波器载波环设计

针对自适应Q_k/R_k卡尔曼滤波算法在大频偏或运动场景切换时存在收敛速度慢、易失锁问题,提出了一种自适应强跟踪滤波算法,该算法从自适应Q_k/R_k卡尔曼滤波算法出发,引入强跟踪技术。在稳态场景下,采用自适应Q_k/R_k算法保证跟踪环路有较好的跟踪精度;当场景变化时,自适应强跟踪算法保证跟踪环路有更稳健的动态性能。仿真结果表明,所提出的设计方法能够有效提高载波跟踪环路的跟踪精度和鲁棒性。     

两种相位鉴别器下的导航接收机跟踪环路性能分析及比较

Costas环路是导航接收机中常用的载波跟踪环路,目前关于环路性能的分析很多,传统的分析方法以及结论均是基于信号功率归一化的乘法鉴别器,且一般认为环路带宽在输入信号信噪比变化过程中是不变的。本文通过对目前数字跟踪环路实现中常用的两种鉴别器(基于总功率归一化的乘法鉴别器和反正切鉴别器)进行精确建模和分析,据此得到了两种鉴别器精确的热噪声跟踪误差表达式,并进行了仿真验证。通过比较可知,在输入信噪比小于4dB时,反正切鉴别器和归一化的乘法鉴别器的性能基本相同,两种鉴别器所能达到的跟踪门限信噪比基本相同。本文的结论可用于精确指导导航接收机的设计。     

INS辅助的北斗二代用户机跟踪算法分析

在高动态环境下,由于飞机、导弹等载体运动的速度非常快,其产生的多普勒频率非常大,利用传统方法进行信号跟踪容易引起环路失锁。针对该问题,采用INS(惯性导航设备)辅助环路跟踪,INS能够实时提供载体运动的速度,从而消除多普勒频率的影响,使环路保持稳定。对INS辅助的北斗二代用户机跟踪算法进行了研究,仿真分析表明,在高动态环境下,INS辅助的跟踪算法能够实时跟踪到卫星信号,提高了跟踪性能。     

利用GPS载波相位测量快速确定动态载体姿态及精度分析

本文针对高动态飞行器的姿态测量中,采用 Ｇ Ｐ Ｓ载波相位测量来确定姿态的原理,以及相关关键技术问题作了深入研究,提出了利用空间几何约束原理来实现高动态飞行器等载体的姿态快速测量,从而达到实时定姿的目的。同时本文针对动态仿真数据进行了大量的仿真计算及精度分析。     

基于FLL+PLL的载波跟踪环路设计

载体的高动态所引入的多普勒频移给载波跟踪带来了很大的困难,研究了采用锁频环(FLL)+锁相环(PLL)相结合的方式进行载波信号跟踪,利用FLL对信号的动态适应能力较强的特点和PLL对信号有较好跟踪精度的特点,实现了动态信号的快速、精确跟踪。同时,分析热噪声和动态对环路的影响,得到了环路最优带宽。理论分析以及仿真结果表明,该方法可以实现载波的精确跟踪。     

一种改进的数字GPS接收机基带环路设计

针对GPS接收机设计中,接收机信号跟踪精度同信号处理的实时性不能兼顾的特点,设计了一种基于DSP+FPGA的数字GPS接收机实时高精度基带环路。阐述了基带信号处理原理及原有方法的不足,提出了一种改进的GPS信号快速、高精度捕获、跟踪方法。利用信号粗捕后先进行精捕,在提高了信号的捕获精度后再结合二阶锁频环路辅助,最终利用三阶载波科斯塔斯锁相环完成GPS载波信号的高精度稳定闭环跟踪,同时使用载波来实时的辅助码环跟踪,从而完成整个GPS信号的实时高精度跟踪。实验结果表明该基带环路能够实现对GPS信号的快速捕获、实时稳定的高精度跟踪,并具有良好的动态性能。     

振荡器相位噪声对GNSS接收机载波跟踪数字锁相环性能的影响

关于振荡器相位噪声引起的GNSS接收机载波跟踪数字锁相环相位抖动,目前的解析结论仍是基于模拟锁相环的,不能说明相位抖动大小与中频积累时间的关系,因此不能有效指导高灵敏度、高精度载波跟踪锁相环参数设计.本文首先推导中频积累输出的频率白噪声、频率游走噪声序列的功率谱,然后基于数字二阶锁相环离散线性模型导出了环路相位抖动公式并进行了仿真验证,最后对公式进行了解析和数值分析.分析结果表明:频率白噪声、频率游走噪声引起的二阶载波跟踪锁相环相位抖动,均随中频积累时间单调递增,随环路带宽先递减后递增.本文推得的相位抖动公式及其随参数变化特征的分析结论,可用于具体指导GNSS载波跟踪锁相环参数设计.     

基于接收机跟踪性能的GPS压制干扰效果分析

随着抗干扰技术的发展,为了更准确地分析P(Y)码与C/A码GPS接收机的压制干扰效果,在分析现有GPS接收机压制干扰效果研究方法和评价指标的基础上,提出了一种基于接收机跟踪性能的可用于同时分析P(Y)码与C/A码GPS接收机压制干扰效果的方法.与传统的压制干扰效果研究方法相比,该方法更接近于实际试验结果.     

宽带、多体制兼容引信仿真平台载波提取

针对不同引信发射信号载波频率分布范围大,且各引信体制、载波频率、调制脉冲宽度、脉冲重复周期及伪码调制周期不同等特点,对通用化引信复杂调制信号相干载波提取技术进行了研究,提出了一种宽带、多体制兼容引信相干载波提取方法。该方法采用高速鉴频、大范围自动锁频环及特殊的同相-正交锁相环相结合,可快速精确锁定引信的工作频率,实现相干载波提取及稳定跟踪。系统调试表明,采用该方法可满足系统要求。     

卫星导航弱信号的变维卡尔曼滤波跟踪算法

复杂环境下的多普勒频移变化及信号功率衰减均会造成载波跟踪偏差较大甚至失锁,针对标准卡尔曼滤波算法跟踪机动目标时不能同时满足高动态及高灵敏度要求的问题,提出一种基于变维卡尔曼滤波的载波跟踪算法。引入机动和非机动两种载波跟踪模型,通过机动检测因子监视载波动态变化,实时高效地切换载波跟踪模型,从而实现对载波机动和非机动状态的自适应跟踪,抑制机动改变引起的较大误差突跳。理论分析和仿真结果表明,该算法在低至30d BHz弱信号环境下,相比基于标准卡尔曼滤波的跟踪算法,其在目标动态突变时相位跟踪误差减小约37.5%,频率跟踪误差减小约77%。     

微波脉冲对导航接收机跟踪环路载噪比的影响

为了明确微波脉冲对导航接收机的最佳干扰参数,通过对微波脉冲干扰下导航接收机跟踪环路相关处理的理论分析,根据微波脉冲谱线、扩频码谱线以及相干积分时间三者之间的关系,提出一种微波脉冲干扰分类方法,推导了不同参数微波脉冲干扰下相关输出功率和载噪比,并进行了试验验证。理论分析与试验结果表明,当微波脉冲宽度大于等于扩频码周期且小于相干积分时间时,进入相干积分器带宽内的多条微波脉冲谱线干扰某一条扩频码谱线,该微波脉冲参数对导航接收机的干扰效果最佳,且优于连续波干扰;随着干扰谱线数量增多,跟踪环路相关输出功率值增加,载噪比减小,干扰效果增强。     

自旋载体中的超紧组合GNSS接收机跟踪环路设计

自旋载体是全球导航卫星系统接收机的一种典型应用。当全球导航卫星系统载体自旋时,旋转产生的高阶动态将导致传统跟踪环路失锁;全球导航卫星系统与惯性导航系统组合可以有效补偿信号的高阶动态。因此,提出了一种利用惯性导航信息辅助卫星导航信号跟踪的超紧组合导航接收机环路设计方法,并分析了惯性导航信息辅助速率、自旋载体转速和信号载波相位误差之间的关系。通过仿真验证了所提接收机环路结构可以有效解决自旋载体接收机的信号跟踪问题,且相比于卫星导航单系统三阶环路而言,所提超紧组合环路结构可以显著提升自旋载体接收机的定位精度。     

锁相环在电流隔离测量中的应用研究

探讨了采用锁相环频率跟踪,通过环路补偿达到磁平衡的方法,隔离测量直流和低频、中频交流电流,利用磁性材料自身特性,进行温度补偿,用低成本达到较高的稳定度和测量精度.