基于UKF的高动态GPS信号参数估计研究

为了更好地适应高动态环境给GPS信号接收模型带来的非线性特性,提出了一种基于Unscented卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,简称为UKF)技术的高动态GPS信号参数估计方法。在分析高动态GPS载波相位模型和UKF原理的基础上,设计了高动态UKF估计器,对高动态GPS信号的相位、多普勒频率、频率变化率和频率二阶导数等参数进行了估计。通过仿真分析了该估计器的估计性能,仿真结果表明该方法在高动态环境中可以很好地跟踪GPS接收机动态信号。     

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.     

GPS接收机伪码跟踪技术研究及仿真

高动态的接收机指在接收信号的载波附有较高的随时间变化的多普勒频移时仍能正常工作的接收机。GPS接收机主要通过载波叉积自动频率跟踪技术以及载波辅助技术等方法来应对高多普勒频移。本次重点研究了高动态GPS接收机扩频接收核心技术中与载波叉积自动频率跟踪技术相匹配的GOLD码跟踪技术，在此基础上建立了仿真的系统模型，并根据此模型应用Matlab simulink进行了具体的实现。     

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。     

基于Kalman滤波理论的高动态GPS信号跟踪系统仿真研究

高动态意味着载波多普勒频移变化率较大,实际中真实的高动态信号通常难以采集到,比如在弹载、星载环境下.为了研究高动态GPS信号跟踪问题,首先设计了一种高动态GPS中频数字信号仿真模型,并在此基础上研究了一种基于Kalman滤波理论的高动态信号跟踪技术.信号的模拟和跟踪都是基于Matlab的Simulink环境,仿真结果显示高动态信号模拟理想,应用Kalman滤波理论的高动态跟踪技术跟踪稳定,精度满足要求.     

基于周期图的瞬时GPS信号测速仿真研究

在某些特定的应用情况下,GPS接收机接收到的信号是非连续,或者是间段瞬时的.如何合理有效地利用间段的瞬时GPS信号进行定位、测速是个很有意义的课题.考虑在瞬时信号情况下GPS的测速问题,针对片段信号的特点提出了基于经典谱估计方法测量载体速度的方法.首先应用周期图法估计片段GPS信号的多普勒频移,计算视距变化率,然后建立视距变化率方程,进而求得接收机的速度.通过Matlab模拟的信号和GPS仿真器模拟产生的高动态信号仿真验证了多普勒频移的估计精度和用户速度的测量精度.     

多径干扰下扩频导航信号伪码跟踪性能仿真研究

分析了多径环境下扩频导航接收机伪码信号跟踪性能.主要分析了时延绝对值小于一个码片的多径信号对导航信号伪码相位跟踪误差的影响,给出了接收机伪码跟踪环的结构框图,并建立了环路的数学模型,在考虑多径信号的基础上分析了混合信号相位跟踪的数学模型,分析了混合信号下伪码跟踪环相位跟踪的性能.在数学模型分析的基础上对存在单路多径信号时伪码相位跟踪性能进行了计算机仿真,并运用Matlab中的Simulink进行了具体的实现.     

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。     

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。     

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。     

Digital implementation and analysis of a high dynamic frequency tracking loop

In the wireless guidance system,the signals that receiver received has obvious Doppler shift for the high dynamic characteristic of the carrier.A new solution of carrier frequency tracking loop with frequency modifying system is put forward.The characteristic of cross product auto frequency control and the second order loop filter in this loop are analyzed.The simulation shows that this loop can accomplish frequency tracking well in high dynamic circumstance.     

改进的强跟踪平方根UKF在卫星导航中应用

针对应用于受不确定性干扰和噪声影响的卫星自主导航系统中的无迹卡尔曼滤波（unscented Kalman filter,UKF）存在估计精度低、跟踪性能差和鲁棒性弱等缺陷,提出一种改进的强跟踪平方根UKF(strong tracking square-root UKF, STSRUKF)导航方法。该方法中利用星敏感器和光学导航相机设计出导航方案,并通过转换方程将间接量测量转换为观测量。针对平方根UKF（square-root UKF, SRUKF）在高阶系统中因为sigma点的零权值系数是负的或者数值计算误差太大时而可能造成滤波器发散问题,采用一种改良的平方根分解方法,改善了滤波器的稳定性。同时,基于强跟踪滤波器理论（strong tracking filters, STF）,引入多重自适应衰减因子调节协方差矩阵,使得滤波器具有强跟踪能力和克服系统模型不确定的鲁棒性,改善了滤波器的估计精度。将该方法应用于卫星自主导航系统中,实验仿真结果表明,相对于平方根UKF和STF,该方法不仅保证了系统的可靠性,还提高系统的导航精度和改善系统的鲁棒性及跟踪能力。     

高动态GPS/INS组合导航算法研究

首先介绍了新型深组合GPS/INS系统原理图及组合导航滤波算法。在该算法中，组合卡尔曼滤波器除完成INS误差及GPS接收机时钟误差的估计外，还参与了GPS码跟踪，即完成传统码跟踪环中环路滤波器的功能。采用自适应码跟踪误差估计器补偿组合卡尔曼滤波器测量值中的相关分量，从而消除了传统组合中不稳定的主要根源。然后进行了计算机仿真计算，仿真结果表明，新型深组合GPS/INS导航算法适用于机动性较高的载体。     

基于导频的OFDM信道估计小波核SVM算法

针对传统多径衰落下的OFDM导频信道估计性能低下,地板效应的缺陷,提出了基于导频的小波递归最小二乘支持向量机(WRLS-SVM)时变信道频率估计算法。首先讨论了小波成为核函数的条件,构造了小波核。然后将根据结构风险递归二乘最小化准则回归估计支持向量机原理,把导频训练序列映射到高维空间,并在高维空间采用结构小波核函数,达到了将低维空间的非线性估计转化为高维空间的线性估计的目的。仿真结果表明,在快衰落信道条件下,小波递归最小二乘支持向量机导频信道估计方法可以获得较好误码性能。该方法优于传统的信道插值方法。     

引入测速信息的雷达导引头无偏转换跟踪方法

为了满足先进地空导弹对精确弹目交会信息的需求,基于自适应卡尔曼滤波算法,提出了一种引入测速信息的雷达导引头无偏转换跟踪方法。在当前统计模型的基础上,利用递推遗忘最小二乘法估计当前加速度,得到了状态方程。在雷达测量模型的基础上,分析了极坐标系下与笛卡尔坐标系下位置、速度信息的无偏转换关系,推导了无偏转换量测误差协方差矩阵真实值和利用量测信息估计真实值的表达式,得到了量测方程。通过滤波得到的状态和误差估计信息,改进了真实无偏转换量测协方差矩阵的估计算法。仿真结果验证了所提跟踪方法在滤波精度和跟踪速度上的良好性能。     

GNSS接收机射频前端电路相位噪声评估方法

相位噪声是影响全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)接收机性能的一个重要因素,在高性能的接收机设计中,射频前端电路的相位噪声评测是不可忽略的。传统观测相位噪声的方法主要是利用频谱分析仪等专业仪器来实现,其无法观测GNSS接收机射频前端电路(包含模数(analog-digital，AD)转换器)的相位噪声。分析了接收机相位噪声和热噪声在信号复平面域的表现特征,提出了在信号复平面域评估GNSS接收机射频前端电路相位噪声的方法,并对该方法进行了仿真验证和实测验证。利用相位噪声对信号在复平面实部和虚部影响不同的特点,对采集到的信号数字中频数据进行相干积分处理,定量估算接收机射频系统的相位噪声。结果表明,该方法具有较高的评估准确度,可以用于测量与评估GNSS接收机射频前端电路(包含AD转换器)的设计质量,预测接收机性能。