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。     

多径干扰下一种新的有效的弱GPS信号处理算法

为了提高全球定位系统(GPS)接收机的增益,有必要进行长时间的累积积分.针对累积最重要的限制:导航电文的变化、多谱勒频偏的影响以及非相干累积的平方损失,该文指出在弱信号条件下快速傅立叶变换捕获较传统算法更具有优势.该算法通过采用差分累积,增加累积时间,减轻非相干累积平方带来的增益损失.另外,全比特搜索算法能够估计出导航数据的最佳组合,实现长时间的相干积分.结合这两种算法,提出一套完整的GPS弱信号处理方案.最后进行了Monte-Carlo仿真,仿真试验结果验证了该算法的有效性.     

新一代全球导航定位系统(GNSS)信号的载噪比联合估计

载噪比是全球导航定位系统(GNSS)接收机跟踪过程中的重要参量。为了合理利用新一代GNSS信号中的导频和数据通道对载噪比进行估计,从两种经典的单通道载噪比估计算法(方差求和算法和能量比例算法)出发,分别使用相干和非相干的融合方式设计了导频和数据通道融合的载噪比估计算法。仿真结果表明:融合的载噪比估计算法相对单通道算法有较小的估计偏差;基于非相干融合的能量比例算法在弱导航信号的情况下性能较优;在实际应用中,在接收机完成电文同步前,基于相干融合的方差求和算法是较好的选择。     

GPS弱信号的高灵敏度捕获算法

为提高弱信号环境下全球定位系统（global positioning system,GPS）捕获的灵敏度,需进行累积提高增益。在分析传统相干累积和非相干累积算法的基础上,研究了一种基于快速傅里叶变换（fast fourier transformation,FFT）的差分相干累积方法。并采用蒙特卡罗仿真,分析了载噪比（carrier to noise ratio,C/N0）、累加次数、相干累积时间的选择对非相干算法和差分相干算法性能的影响。仿真结果表明,较传统非相干法,研究的差分相干法用于检测弱信号时具有明显的性能优势,信号检测增益最多可增加约1.8 dB,充分说明了差分相干在高灵敏度捕获中的优势。     

一种GPS信号的快速捕获算法研究

利用快速傅立叶变换和反变换（FFT/iFFT）在频域实现循环相关是一种GPSC/A码快速捕获的有效方法,可以将时烦二维的联合滑动相关搜索转化为一维频域搜索,实现了伪码的并行搜索,可以有效地缩短GPS信号的捕获时间.同时,本文针对弱信号捕获提出了相干累积和非相干累积的方法,并给出了试验结果.     

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。     

基于批处理的微弱GPS信号捕获

针对传统方法难以实现微弱GPS信号的精确捕获,继而影响后续的信号跟踪及导航电文解码,提出了一种新的捕获方法解决这一基础性问题,采用基于批处理的手段来捕获低信噪比的GPS信号并提高运算速度,为高灵敏度GPS接收机的实现提供保证.仿真结果表明,在捕获过程处理的数据长度不超过4个导航电文数据位(80 ms)的情况下,此方法能够较好地捕获到载噪比低至21 dB的GPS信号,同时确保较短的捕获时间和较高的灵敏度.     

锁相环的改进及仿真

提出了一种改进锁相环线性性能的方法,即在基本锁相环的基础上增加一个常数增益元件C和一个低通滤波器L(s),同时使用鉴频鉴相器(PFD)代替鉴相器(PD).这可使锁相环具有大的捕捉范围并能快速锁定,尤其是在锁定时间方面远优于基本锁相环.通过对锁相环路进行增益补偿,扩大了锁相环路的线性分析范围,改善了锁相环路的线性工作性能;通过介绍Simulink环境下的锁相环仿真方法,直观地得出了频率捕捉时间、捕捉范围等锁相环参数,验证了在噪声环境下改进方法的可行性.     

一种基于频率补偿的GPS位同步方法

针对GPS接收机在跟踪过程中由频率误差引起的位同步概率下降问题,提出了一种基于频率补偿的GPS位同步方法.分析了环路中频率误差引起相干积分累加值衰减的机理,利用不同频率的复信号分别对相干积分结果进行补偿,计算出20个候选位置的值,最大值对应的位置即为数据边界位置.该方法有效减少了由频率误差导致的相干累加损耗,提高了位同步的概率.在弱信号情况下,使用非相干积分方法可进一步提高信号增益和位同步概率.与其他位同步方法相比,所提方法可容忍更大的频率误差,即使跟踪环路处于失锁状态也能准确实现位同步,且在频率误差小于25 Hz的情况下表现出更优的位同步性能.     

一种克服比特跳变的北斗B1弱信号捕获技术

比特跳变是限制弱信号环境下卫星信号捕获性能的一个重要因素.比特跳变会导致检测变量峰值分裂,在降低峰值的同时,导致多普勒频率估计精度降低,从而影响捕获性能.为克服这一影响,本文结合非相干积分法,提出了一种基于分段傅里叶变换的分块补零弱信号捕获方法.该方法利用傅里叶变换的线性性质,首先,通过对本地扩频码进行拆分和补零以剔除循环卷积内潜在的比特跳变问题;其次,通过对分块捕获结果进行组合以重构完整的捕获结果;最后,采用非相干积分法提升弱信号环境下的捕获灵敏度.仿真结果表明,文中提出的方法很好地解决了比特跳变造成的峰值分裂问题.同时,蒙特卡洛实验表明,该方法能在载噪比为22的弱信号环境下实现90%的检测概率,高于传统非相干积分法约50%.     

基于平淡卡尔曼滤波的微弱GPS信号跟踪算法

在接收信号很微弱的情况下,全球定位系统(GPS)的传统方法不能很好地跟踪信号.采用非线性卡尔曼滤波算法取代传统的延迟锁定环和相位锁定环,用于高灵敏度GPS接收机的微弱信号处理环节.针对所提出的微弱信号系统模型中相关运算的特点,运用平淡卡尔曼滤波器进行信号跟踪.仿真结果表明,新方法能够较好地跟踪到载噪比低至27 dB-Hz的微弱信号,确保了跟踪精度;同时具有较高的灵敏度.     

一种归一化点积功率型伪码跟踪鉴相算法

具有点积功率型鉴相算法的非相干伪码跟踪环克服了增益不平衡的影响,但没有线性范围,不具有相干码环的优点,且跟踪速度比传统的码跟踪环低.为了解决这些问题,作者提出了一种非相干的归一化点积功率型鉴相算法.该算法采用非相干码环结构,而本质上是相干的,其既对载波的依赖程度不高又有较大的线性范围.仿真实验表明,采用新算法的码环具有较快的跟踪速度,在性能上优于已有的鉴相算法.     

基于基站辅助技术的IMA架构GNSS信号捕获算法研究

基于性能的导航（PBN）技术要求GNSS信号的快速捕获和全时覆盖,这对传统的GNSS接收机提出了新的挑战。文章研究了在复杂干扰环境下的GNSS信号快速捕获技术。提出了一种基于固定台辅助技术的IMA架构GNSS信号捕获算法,该算法通过研究不同固定台距离范围内的Doppler频率预估算法,缩小Doppler的搜索范围,进而减少GNSS信号的捕获时间和捕获能力。试验证明,该算法可以提高对信号的捕获速度,有效的提高对弱信号的捕获能力。     

基于码多普勒补偿的微弱GNSS长码快速直接捕获算法

为提高全球导航卫星系统（GNSS）的抗干扰能力,要求在不借助于短码辅助的情况下对长码进行直接捕获.传统长码直接捕获算法针对的是正常接收信号.当信号被遮挡或干扰以后将变得十分微弱,此时已有算法将面临严峻挑战.为此,本文提出了一种基于码多普勒补偿的长码捕获算法.该算法根据所搜索的载波频率格进行码多普勒补偿,可以大大延长预检测积分时间从而改善捕获性能.仿真结果表明,新算法能有效减小码多普勒影响,在相干积分时间为1ms非相干累加次数为300情况下,捕获灵敏度可达-183dBW.     

岸基多星多参数北斗GEO反射信号海面风速反演

开展北斗GEO卫星B3I信号岸基近岸海域海面风速反演研究.在GNSS反射信号相干时间和归一化时延波形面积两个观测量的基础上,本文提出了主成分分析和线性无偏最小方差的多星多参数海面风速反演方法.为了验证北斗GEO卫星B3I信号反演海面风速以及所提方法的有效性,在山东东营青东五验潮站开展了外场试验.试验结果表明反射信号的相干时间能够提供比波形面积更好的反演性能;多星多参数的反演结果比单星单参数的更好;线性无偏最小方差能够提供精度为1.15 m/s的最佳反演结果.      

基于联合调频傅里叶变换的步进频雷达目标运动的补偿

针对频率步进雷达目标成像过程中运动参数精确估计及补偿问题,提出了基于脉间和脉内联合调频傅里叶变换的参数估计方法. 目标回波信号与本振信号混频后看作线性调频信号,将其作调频傅里叶变换,并在脉组间进行相干累积. 通过对调频率的搜索得到目标速度的精确估计,从而实现了低信噪比下目标运动的补偿. 由于该方法在调频傅里叶变换过程中,频率维采用了IFFT操作,运算效率较高. 计算机仿真结果进一步表明了该方法的有效性和实用性.      

基于时频分析的GNSS连续波干扰检测

GNSS(Global Navigation Satellite System)信号在传播的过程中会受到各种连续波的干扰,以至于接收机很难根据GNSS信号进行准确的导航和定位。GNSS接收机接收到的信号是近平稳或者非平稳的,其统计量是时变函数。因此只了解信号在时域或频域的全局特性是远远不够的,还需要知道信号频谱随时间变化的情况。为了分析和处理非平稳信号,文章引入了时频分析的方法,利用其可以同时描述信号在时间和频率的能量密度和强度;通过短时傅里叶变换和Wigner-Ville分布分别处理被连续波干扰的GNSS信号,它们都能够捕获GNSS信号中连续波干扰的频率,再通过滤波器滤除连续波的干扰;利用Wigner-Ville分布和短时傅里叶变换,通过Matlab仿真分别检测GNSS信号中连续波干扰的频率,并比较两者性能的差异。     

一种低复杂度高精度多路GNSS多径信号模拟方法

为了对GNSS信号多径抑制算法进行研究,需要采用GNSS信号模拟器对各种多路多径环境进行高精度的模拟。传统多径生成方法信号通道数量和控制复杂度会随多径路数线性增加,限制了模拟器对复杂多径场景的模拟能力。在对多径信号建模分析的基础上,提出一种基于固定阶数复数滤波器的低复杂度多路多径信号高精度模拟生成方法。理论上,利用该方法仅以单个通道就可生成上百路多径信号,从而克服传统多径实现方法在生成方式上的缺点,有利于实现对复杂多径环境的模拟。并从几种典型相干早迟码间隔跟踪环路输出S曲线和过零点偏差的角度对两者的一致性进行定量分析。仿真验证结果表明:所提方法产生的多路多径信号对信号时域波形和码相关峰产生的畸变效果与仿真产生的参考多径信号的畸变效果相一致。     

一种基于伪相关函数的CBOC信号跟踪方法

针对下一代卫星导航系统的设计逐渐完善,卫星导航基带信号处理对环路跟踪灵敏度和抗多径性能要求不断提升的情况,本文基于Galileo E1频点公开的CBOC信号,设计一种构建CBOC信号伪相关函数（PCF）的伪码跟踪方法,并基于该方法,设计了相位锁定环与延迟锁定环路的跟踪策略,实现了环路的高速锁定和稳定跟踪. 并通过仿真实验验证了该方法在灵敏度和有限带宽下抗多径两分面提升了CBOC跟踪环路抗多径性能和跟踪灵敏度,改善了跟踪环路在复杂环境下的跟踪性能.      

3阶锁相环路接收机的设计与实现

低阶锁相环跟踪频率斜升信号时产生的稳态相差致使环路失锁,接收机无法锁定载波信号.针对这一问题提出一种具有3个零极点的3阶锁相环路,其产生零稳态相差,对含有多普勒频移的载波信号具有较好的锁定效果.给出3阶锁相环参数设计公式.使用频率预测预置锁相环中心频率使环路快速捕获信号,利用FFT及卡尔曼滤波方法提高频率预测的精度,采用FPGA实现3阶载波接收机.结果显示,3阶PLL可稳定跟踪载波信号.