GPS/INS超紧组合系统载波相位跟踪误差研究

载波跟踪环(PLL)设计是GPS接收机设计中的关键问题,PLL的相位误差源包括相位抖动和动态应力误差.随着接收机工作平台动态性的增加,较大的动态应力误差将导致环路失锁.为适应高动态环境,GPS接收机通常采取INS辅助GPS跟踪环路的超紧组合方式来降低动态应力误差.组合系统提供的外界辅助信息不可能完全精确,所以跟踪环路在减小动态应力误差时,也会引入其他测量误差源.对GPS/INS超紧组合系统PLL跟踪误差进行了详细推导并且得出两个解析公式.仿真结果表明,对超紧组合系统的PLL跟踪误差公式推导是准确的,为PLL环路参数的最优设计提供理论参考.     

基于频谱分析的GPS/INS组合导航系统性能探讨

分析了GPS跟踪环路的动态特性,从频域角度建立了GPS载波相位锁相环的数学建模,讨论了INS的速度估计误差,通过数学仿真验证INS的速度信息辅助GPS载波相位锁相环路的有效性。     

强跟踪滤波器在高动态GPS信号跟踪中的应用

为解决在高动态环境下GPS接收机跟踪环路中频信号失锁的问题,提出了一种基于线性强跟踪卡尔曼滤波器(STKF)理论的GPS信号跟踪环路.此跟踪环路以码鉴相器和载波鉴相器输出作为观测量,利用线性强跟踪卡尔曼滤波器对高动态环境下的码相位误差、载波相位误差、多普勒频率误差以及多普勒频率变化率误差进行估计,并将估计结果反馈给跟踪环路的数控振荡器,从而产生准确的本地载波和本地码.仿真结果表明,在GPS信号载噪比为45 dBHz时,线性强跟踪卡尔曼滤波器跟踪环路在多普勒频率变化率为5.0 kHz/s时仍能可靠跟踪,而传统的基于PLL/DLL和环路滤波器的跟踪环路在1.8 kHz/s时已经失锁.     

一种用于高动态全球定位系统信号跟踪的新模型

针对传统全球定位系统(GPS)信号跟踪方法在高动态环境下跟踪精度不够理想且容易失锁等缺陷,提出了一种新的跟踪模型.采用包含多普勒频移与码相位误差的二维观测相关器组,并通过基于列文伯格-马夸尔特方法优化的迭代扩展卡尔曼滤波算法,使跟踪环路在码相位与载波频率初始捕获误差较大的情况下,依然能够快速而准确地收敛,成功解调出导航信息.仿真结果显示,利用新的GPS信号跟踪模型能够高质量地完成加速度为150g的高动态GPS信号跟踪.     

时滞滤波超紧耦合跟踪环路设计

针对惯性导航系统(INS)的引入导致超紧耦合跟踪环路的响应时间常数增大的问题,提出了基于时滞滤波的跟踪环路.介绍INS辅助锁相环环路的数学模型;对INS辅助全球定位系统跟踪环路的误差进行了建模分析,明确了环路跟踪误差与更新时间的相关性;将时滞滤波引入跟踪环路的结构设计中,降低了时间相关性.理论与计算表明,时滞滤波的引入能够明显改善超紧耦合系统中跟踪环路的时间常数,提高跟踪环路的性能.     

一种用于高动态环境的GPS信号跟踪方法

针对全球定位系统（GPS）在高动态环境下信号跟踪精度不高以及容易失锁的问题,提出一种新的跟踪方法.采用锁频环（FLL）和锁相环（PLL）相融合的跟踪方式,利用判决因子对当前的跟踪状态进行判定,根据判决值对FLL和PLL输出赋予相应的权值,调整其相对作用的大小,从而将FLL和PLL在同一跟踪过程中更好地融合.仿真结果表明,该方法在环路噪声带宽较小的情况下能够成功地跟踪加速度为150 g的超高动态GPS信号.     

基于载波辅助的GPS相对动态跟踪算法研究

针对高动态GPS信号接收问题,深入研究了相对动态跟踪的环路算法,分析了伪码双环跟踪结构,与国外采用的近似最大似然估计(AMLE)和扩展卡尔曼滤波(EKF)算法相比,该算法采用载波辅助伪码方法将绝对动态跟踪转换为相对动态跟踪,采用低阶窄带锁相环提高伪码环路的跟踪精度,简化了技术实现复杂度.经过系统仿真验证,性能满足高动态GPS信号跟踪要求.     

惯导辅助GNSS整周模糊度快速固定

为了实现高精度全球定位系统(global positioning system,GPS)动态相对定位,文章根据惯性导航系统(inertial navigation system,INS)短时间内精度较高,不易受到外界干扰的特点,提出使用INS输出的位置信息辅助确定整周模糊度算法。在分析INS精度的基础上,利用INS辅助确定模糊度,比较恢复整周模糊度所需要的时间,评估加入INS对固定整周模糊度的帮助。实验结果表明,如果出现短时间的信号失锁,在INS的辅助下,固定模糊度所需要的时间可以被大幅度缩短;当信号失锁持续2s内时,整周模糊度可以被瞬时恢复。     

一种改进的复合型弱信号载波跟踪方法研究

论述了使用FFT跟踪载波的方法。在标准锁相环(PLL)的基础上引入平方检测器,形成了一种更先进的跟踪结构——非相干模块处理跟踪环路(NCBP)。并对此环路进行改进,提出了使用FFT和非相干模块处理跟踪环相结合的复合软环跟踪GPS微弱信号的方法。通过模拟微弱GPS接收信号,从跟踪精度、环路锁定速度和环路的动态应力性能等方面比较了几种载波跟踪环的性能。仿真结果表明:该复合软环可以提高环路跟踪精度和锁定速度,它的等效噪声带宽可以设得更小,减小引入到环路的噪声,提高环路稳定性。     

基于DSP+FPGA的高动态GPS信号载波环路设计

为了提高动态环境下捕获、跟踪GPS信号的环路性能,通过分析环路逻辑时序、参数和高动态下多普勒频移的变化特性,使用高阶、宽带宽的跟踪环路,设计了一种基于DSP+FPGA的载波捕获、跟踪方法。利用现场可编程门阵列(FPGA)对信号进行傅里叶变换,实现载波的快速初捕和二次精捕,同时利用数字信号处理器(DSP)实现具有自动调整功能的二阶频率锁定环路的辅助三阶Costas-PLL载波跟踪环,使得环路具有抗高动态性能的同时仍拥有较高的跟踪精度。仿真实验表明:该方案能实现高动态下载波信号的快速捕获与精确跟踪。     

电离层闪烁下4路信号处理的载波锁相环

针对电离层闪烁导致的卫星导航接收机载波锁相环失锁问题,提出一种基于Kalman滤波器的4路信号处理载波锁相环. 该环路通过增加两路信号处理对锁相结果进行纠正,扩大了锁相环的相位牵引范围,同时根据信号实时载噪比自适应调节滤波系数,有效避免电离层闪烁时信号振幅衰落和相位突变引起的环路失锁. 通过仿真表明,这种锁相环可以在持续中强度和瞬时高强度的电离层闪烁下保持跟踪.      

高动态环境下高灵敏度GPS跟踪环路算法的研究

随着用户对接收机性能要求的不断提高,GNSS接收机在高动态环境下实现高灵敏度、高定位精度的定位性能成为研究的热点。在GNSS接收机中,传统跟踪环路在高动态情况下难以满足用户对定位精度的要求。针对复杂环境下GNSS接收机定位精度不高的问题,提出了高灵敏度GPS跟踪环路算法以改善GPS接收器的定位精度,通过经典超前—滞后延迟锁定环对码延时跟踪,并结合三阶PLL对载波相位跟踪。仿真实验表明:通过对中频信号码相位和载波相位估计,避免了使用传统FLL进行频率估计引起的码延迟效应和近似误差。与传统跟踪环路相比,在动态环境下码跟踪误差明显小于传统跟踪环路。     

基于RHT斜率抑制法和自适应载波信号跟踪的多径抑制算法研究

从传统的接收机环路多径抑制方法出发，通过纠正码环相关曲线畸变和自适应载波信号更新机制跟踪弱动态载波信号两个层次，并行减缓多径效应对接收机跟踪捕获带来的延迟影响。首先，针对码环内部函数畸变带来的自相关迭代误差问题，利用机器学习领域中的随机霍夫变换(RHT)斜率检测法辅助减小窄相关器的误差；其次，设计了一种自适应阈值载波跟踪信号状态模型，用于解决高遮挡低载噪比(CNR)条件下的信号跟踪受限问题。从不同的角度将该方法与现有方法做了对比和分析，结果表明：应用RHT斜率抑制法辅助自适应增强载波信号跟踪的定位模型性能相较于传统的高分辨率技术(HRC)和卡尔曼滤波(KF)载波跟踪方法均有明显的提升，其中本文提出的方法可以在1.8 s左右的信号延迟时及时恢复载波信号失锁。此外，从最终的定位结果可知，实验场景中多径(MP)效应较强的D区域，定位误差的均方根误差(RMSE)降低了6.3 m.     

高动态场景下GNSS信号自适应载波跟踪算法

相对于城市应用场景,在高速飞行器上搭载的GNSS导航接收机需要承受更大的载波频率动态范围,且测量实时性要求较高,对载波环路的高精度跟踪提出了更高挑战.为此,本文提出了一种自适应载波跟踪算法,在载波跟踪环路中引入模糊控制器,随载波的频率变化自适应调整环路参数,在保证动态适应性的同时提高了测速精度.所提算法利用载波跟踪环路测量值计算模糊控制器的输入变量,采用单输入单输出的Takagi-Sugeno模糊控制模型,实时计算环路滤波器调节系数,具有结构简单且易于实现的特点.本文分别在固定多普勒频率、线性多普勒频率和正弦多普勒频率的场景下进行了分析和仿真.结果表明,所提算法能够在飞行器和接收机间径向运动速度范围±10 km/s,加速度范围±30g,输入载噪比40 dB Hz的条件下,以1 kHz的频率输出径向速度测量值,且测量误差小于3 m/s(1σ).     

基于FPGA的GPS接收机跟踪环路设计与实现

为提高GPS基带芯片跟踪环路的性能,提出一种基于FPGA跟踪环路的具体设计与实现方案.研究了GPS接收机跟踪环路的基本原理,在分析现有算法的基础上,采用锁频环辅助锁相环、动态码环和载波环辅助码环策略,利用Xilinx公司FPGA软硬交互工作方式的优点,在一片FPGA芯片上实现整体方案.该设计方案可提高系统的运行效率,节省系统资源,降低硬件成本.试验结果验证了其可行性与有效性.     

动态GPS接收机载波多普勒分析及环路跟踪性能实验研究

针对普通GPS接收机在炮射制导弹药动态条件下难以正常定位的问题,用SPIRENT卫星信号模拟器分析了几种动态条件下的载波多普勒频移及其变化率,进而产生载体不同动态条件下的卫星接收信号,用软件接收机对载波跟踪环路采用2、3阶锁相环(PLL)、1阶锁频环(FLL)辅助2阶PLL、2阶FLL辅助3阶PLL时的跟踪性能进行实验.结果表明,当载体加速度达到40 g时,仅用PLL无法正常跟踪,FLL辅助PLL跟踪正常;而对于弹道环境,1阶FLL辅助2阶PLL仅有一路跟踪正常,2阶FLL辅助3阶PLL有两路跟踪正常,据此给出了载波跟踪环路改进方案.     

一种GPS/MIMU深组合滤波器算法

研究一种GPS/MIMU超紧组合下的矢量跟踪算法.引入惯导信息计算载波延时来建立中频信号模型,计算C/A码、载波频率和载波相位与伪距、伪距率的关系,构建预滤波器动态模型.引入惯导状态信息和量测信息构建主滤波器模型,形成闭合矢量跟踪环路.仿真结果表明:GPS/MIMU超紧组合下的矢量跟踪算法能够增加同向即时支路数据信号的功率,缩小初始载波相位误差和码相位误差,从而提高载波相位和码相位的鉴别精度;当信号载噪比低至26 dB·Hz时,矢量跟踪环所能跟踪到的码相位和载波相位比标量跟踪环路分别提高了0.14码片和0.15 rad,同向即时支路信号的幅值也提高了2～3倍.     

导航接收机跟踪环路在电磁干扰下的效应律研究

针对在多源电磁干扰下导航接收机跟踪环路失锁规律研究不足的问题，对跟踪环路在双源电磁干扰下的失锁效应模型进行了研究.通过对电磁干扰下相关器输出的等效载噪比数学模型分析，建立了双源电磁干扰下导航接收机跟踪环路失锁的效应模型；然后搭建单源和双源电磁干扰的效应试验平台，对某型北斗导航接收机开展注入效应试验，试验过程中选取了4种不同的干扰信号组合，每种组合下又试验得到了不同的信号功率组合；最后利用试验数据验证了效应模型误差都在1.5 dB以内.该模型揭示了在导航接收机跟踪环路中，双源干扰与单源干扰之间的内在联系，对导航接收机效应规律的进一步研究具有指导意义.      

基于跟踪回路误差限制的惯导辅助载波跟踪回路模式研究

惯导(INS)对接收机载波跟踪回路的辅助,能够减弱或抵消载体动态影响,降低回路带宽,减少回路跟踪误差,也是实施超紧耦合技术的主要特点。具体分析了FLL和PLL的各组成误差,推导了稳态载波相位误差、载波多普勒频移误差与INS速度误差之间的关系,基于跟踪回路误差的限制和稳定回路的门限,具体给出了在相位辅助和频率辅助两种不同模式下对INS速度误差的限制条件。分析表明,考虑INS辅助精度的影响,采用INS对载波跟踪的频率辅助更具可行性,最后仿真验证了频率辅助的有效性。     

基于跟踪回路误差限制的INS辅助载波跟踪回路模式研究

INS对接收机载波跟踪回路的辅助,能够减弱或抵消载体动态影响,降低回路带宽,减少回路跟踪误差,也是实施超紧耦合技术的主要特点。具体分析了FLL和PLL的各组成误差,推导了稳态载波相位误差、载波多普勒频移误差与INS速度误差之间的关系,基于跟踪回路误差的限制和稳定回路的门限,具体给出了在相位辅助和频率辅助两种不同模式下对INS速度误差的限制条件,分析表明考虑到INS辅助精度的影响,采用INS对载波跟踪的频率辅助更具可行性,最后仿真验证了频率辅助的有效性。