紧耦合GPS/INS组合导航技术仿真研究

提出了一种改进的惯性导航系统(inertial navigation system, INS)辅助GPS载波跟踪算法,设计了一种基于伪距/伪距率组合的信息融合算法,并对相应的算法进行了仿真验证。仿真结果表明：在紧耦合GPS/INS组合导航系统中,惯导对GPS跟踪环路的辅助,可以保证接收机环路滤波器在窄带宽下仍能正常工作;基于伪距/伪距率的GPS/INS信息融合方法,使组合导航系统在GPS接收机接收的卫星少于4颗的时候仍能有效地利用GPS导航信息,同时利用组合滤波器的输出对INS系统的误差进行修正,提高了整个组合导航系统的导航精度。     

高动态GPS载波跟踪算法研究

为了寻求更好的高动态GPS载波跟踪解决方案,设计了适于高动态环境的基于参数估计的载波跟踪环路,分析了高动态GPS载波跟踪系统模型,比较了EKF、UKF和PF三种滤波算法的参数估计性能。在此基础上,完成了基于EKF、UKF和PF的载波跟踪环路的设计,并以JPL提出的高动态模型为例进行仿真验证。仿真结果表明,虽然这三种算法均能实现对高动态信号的精确跟踪,但总体而言,基于PF的载波跟踪环路具有更好的动态适应能力。另外,鉴于高动态GPS接收机应用场合的特殊性,又对PF滤波算法在非线性、非高斯GPS载波系统的假设下进行了仿真验证,结果显示了应用粒子滤波算法解决非高斯噪声干扰载波跟踪问题的可行性。     

微波雷达高精度跟踪环路建模与仿真技术研究

针对在微弱信号(低载噪比信号)动态环境为需求背景下某测量雷达中高精度跟踪环路设计的关键问题,重点研究了载波跟踪环路和码跟踪环路的设计及优化方法。提出以单载波作为导频的信号结构,研究了锁频环与锁相环联合工作的环路结构,通过对两种结构的建模分析和仿真验证,指出在微弱信号高动态环境下,锁频串行辅助锁相环的环路组合结构具有更好的性能。对于码跟踪环路,给出了宽、窄相关间距相结合的方案。通过建模解算得出了最小跟踪误差原则下码环的最优环路带宽。仿真验证了上述算法和参数设计的有效性和可靠性。     

GPS接收机跟踪环的多径误差分析

基于典型的GPS接收机跟踪环 ,研究了多径效应导致的码相跟踪误差和载波相位跟踪误差 ,得出了码相跟踪误差和载波相位跟踪误差与多径参数的解析表达式。计算机仿真表明 ,码相跟踪误差和载波相位跟踪误差随多径信号的幅度的增大而增加 ;码相跟踪误差和载波相位跟踪误差与多径信号的相位呈周期性变化 ;载波相位跟踪误差随多径延迟的增加而减少。     

高动态跳频载波跟踪技术

在无人机或导弹等高速运动目标间建立稳定、可靠的通信链路, 需要突破高动态下的载波跟踪技术, 考虑跳频通信系统的突发传输模式, 本文提出基于开环最大似然估计(maximum likelihood estimation, MLE)和扩展卡尔曼滤波跟踪算法的高动态载波信号跟踪技术。通过理论和仿真分析证实了该算法可有效克服传统环路的缺点, 能够在低载噪比下稳定工作且跟踪频率误差小, 可快速实现高动态环境下载波跟踪。尤其对于初速度为300 m/s, 初始加速度为15g, 加加速度为每秒60g的高动态场景, 本算法在低载噪比为35 dB-Hz时锁定不同跳频频率的锁定时间缩短到传统算法的1%~20%, 效果显著。     

改进频率鉴别的载波跟踪环路及性能分析

为了适应高动态环境,导航接收机常采取锁频环和锁相环联合工作实现载波跟踪。对其中较常用的的叉积自动频率跟踪环提出改进,利用两种方法切换实现频率鉴别。改进后算法克服了数据位模糊,并且使鉴频范围扩大了4倍,同时保持跟踪精度不变。影响跟踪精度的因素主要包括热噪声误差和动态应力误差,经研究发现其中热噪声误差的传统理论分析结果与实际有较大差距。利用环路线性化近似处理,并且考虑鉴别噪声间的相关性,经重新推导得到锁频环路的热噪声跟踪误差低于传统理论分析结果的1/5。通过仿真对锁频环鉴频范围和热噪声跟踪误差分析的正确性进行了验证。     

符号速率采样条件下的新型复合载波跟踪环

针对低信噪比和符号速率采样条件下的载波同步问题,提出了一种新型的复合载波跟踪环,同时也给出了一种较直观的环路参数确定方法。该载波同步环改进了原有的符号硬判决算法,并通过引入采样速率变换模块使得数字锁频环(frequency-locked loop, FLL)和数字锁相环(phase-locked loop, PLL)工作在不同采样速率条件下,来提高在低信噪比环境中载波频偏和相偏的估计精度。该参数确定方法是在z域中,直接根据闭环系统的稳定性和单位阶跃响应特性来选择最优的参数。仿真结果表明,该参数确定方法具有很好的可行性,且所提出的载波跟踪环在较低信噪比条件下能获得良好的同步性能。     

应用ARMA模型的辅助载波多普勒精确估计

在GPS和捷联式惯性导航系统（strapdown inertial navigation system, SINS）的超紧组合结构中,惯性测量单元（inertial measurement unit, IMU）和星历信息等估计得到的载波多普勒辅助值是影响跟踪环路性能的主要因素,因此提出一种应用自回归滑动平均（auto-regressive moving average, ARMA）模型对估计过程中存在的随机多普勒误差建模,精确估计载波多普勒方法。通过判定随机多普勒误差序列的平稳性,采用时间序列分析的方法建立数学模型;根据随机误差序列的自相关函数和偏相关函数特性,确定模型类型和阶数;利用Yule Walker方法估计模型参数,得到符合该随机序列的数学模型。仿真结果表明,该模型具有很好的适用性,能准确拟合随机多普勒误差,为超紧组合系统中的辅助环路提供精确的载波估计。     

一种脉冲信号载波频率同步环及FPGA实现

针对脉冲信号载波频率的同步问题,提出一种快速高精度的数字锁频环路.该环路采用改进的相位差分频率估计算法进行快速载波频率粗估计,其信噪比阈值低于Kay法,在信噪比偏低时也能达到Cramer-Rao界.应用数字下变频技术和Kay算法实现载波频率的精确估计.设计实例的仿真结果表明了该环路的有效性,环路可在短时间内完成高精度的载波频率同步.     

基于载噪比模型加权的GNSS双频载波和差联合跟踪算法优化与分析

前期发展的全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)双频载波和差联合跟踪算法存在双频信号载噪比不一致情况下双频信号跟踪稳定度和跟踪精度较差问题,对此提出了优化改进的算法。针对实际应用中共星双频信号存在的信号载噪比不同情况,优化原有双频载波和差联合跟踪环路结构,基于载噪比模型计算GNSS双频信号在双频载波和差联合跟踪环路中的加权值,利用该加权值实现共星双频信号的载波和差联合跟踪。算法理论分析和仿真结果表明,优化后的基于载噪比模型加权的GNSS双频载波联合跟踪算法更加适用于实际应用条件,能够提高原有算法在双频信号载噪比不一致情况下共星双频信号跟踪稳定性和跟踪精度。     

GPS软件基带信号处理与定位实现

在GPS软件接收机架构下,基于计算机MATLAB软件平台,利用实际采集的GPS中频信号,在普通计算机上实现了一个硬件接收机的所有基带信号处理以及导航解算功能：详细介绍了FFT相关捕获方法,经典载波、伪码跟踪环设计;对于接收机中最重要的伪距计算环节,给出一种完全不需要本地时间,而仅利用采样数据,根据由捕获和跟踪得到的观测量,提取出各卫星帧头到达天线的时延差,从而计算伪距的方法,最终实现了定位解算。实验结果表明,利用真实GPS中频数据,可以在GPS软件接收机架构下,完成全部基带信号处理以及定位解算等完整过程,完全实现一个接收机功能,并适合精密单点定位、多模接收机等算法开发。     

MAGIC CARPET着舰技术分析

舰载机精密进近与着舰的增强引导综合控制技术(maritime augmented guidance with integrated controls for carrier approach and recovery precision enabling technology,MAGIC CARPET)是美国最新的人工着舰控制技术。在综述MAGIC CARPET的基础上,进一步深入分析了MAGIC CARPET的内在机理。一是介绍MAGIC CARPET的发展情况;二是分析其设计思想和关键技术;三是研究其控制结构;四是介绍其试飞情况和试飞结论;五是分析MAGIC CARPET存在几方面不足,并提出改进建议;六是总结MAGIC CARPET的思想方法,以及展望其应用前景。MAGIC CARPET的理念和技术应该是今后人工着舰的必然趋势,而MAGIC CARPET技术与舰上相对差分全球定位系统技术的结合应该是今后自动着舰的一个趋势。     

动态环境下GPS软件接收机研究

载体的动态性所引入的多普勒频移给GPS接收机的载波跟踪带来了很大的困难。首先介绍了GPS软件接收机捕获与跟踪策略,提出了一种新的基于模糊逻辑控制器和三阶锁相环的动态载波跟踪方案,分析了模糊逻辑控制器的设计原理,推导了适合软件实现的三阶锁相环的数字形式。实验结果证明提出的设计方法与传统环路相比可大幅度缩短载波跟踪时间,减小环路滤波器带宽,并能消除周跳。     

GPS接收机载波跟踪技术研究及仿真

MATLAB/Simulink对研究高动态GPS接收机的基带信号处理算法极为有效。通过采用载波辅助码跟踪环技术后,GPS接收机高动态性能的关键是通过载波自动频率跟踪环来实现的。在利用Simulink建立载体高动态模型,重点研究高动态GPS接收机三种载波自动频率跟踪技术的基础上,采用带符号的叉积点积自动频率跟踪环,仿真实现了该算法的跟踪误差、失锁概率与环路带宽、载噪比之间的关系。仿真结果表明,带符号的叉积点积自动频率跟踪环算法解决了叉积自动频率跟踪环受符号位影响及叉积点积自动频率跟踪环鉴频范围减半的问题,并能适用于加速度为10g,加加速度为10g/s的高动态环境。

Abstract：

It is very efficient for studying the baseband signal processing algorithms of the high dynamic GPS receiver with MATLAB/Simulink.The key performance of the high dynamic GPS receiver is achieved by the technology of carrier automatic frequency control after taking carrier assistant code tracking loop.By making use of Simulink to set up the high dynamic model and applying signed cross-product and dot-product automatic control based on the key research about thee kinds of carrier automatic tracking technology of the high dynamic GPS receiver,the simulation on the relationship among the tracking error,the lock-loss probability,loop bandwidth and the carrier noise ratio was achieved.The results show that the signed cross-product and dot-product automatic frequency control has solved the problems that cross-product automatic frequency control is affected by the signed bit and the frequency discrimination range of cross-product and dot-product automatic frequency control could reduce to half,and it can also be applied to the high dynamic environment with the acceleration of 10g and the jerk of 10g/s.     

卫星导航信号设计中调制方式的新选择

针对在拥挤的L频段设计更高性能卫星导航信号体制的问题,提出该频段部分信号采用最小频移键控(minimum shift keying, MSK)调制。首先建立最小频移键控-二进制偏移载波（minimum shift keying binary offset carrier, MSK-BOC）调制的通用数学模型,然后以典型的GPS L1-CA、GPS L1-P(Y)和GPS L1-M信号为例,仿真并对比讨论了这3种信号分别采用MSK调制和二相移相键控（binary phase shift keying, BPSK)调制时的码跟踪误差、多径误差包络、自相关函数和功率谱密度。分析结果表明,当卫星导航信号满足一定条件时,采用MSK调制能够获得比BPSK调制更好的性能,论证了在卫星导航系统L频段采用MSK调制的可能性。