扩频接收机的载波捕获跟踪算法的优化与实现

提出一种基于现场可编程门阵列的数字化扩频接收机的设计方案,并针对接收机中的捕获跟踪算法进行优化和实现;捕获过程分析采用基于快速傅里叶变换并行相关的方案;跟踪环路中采用二阶锁频环(FLL)辅助三阶锁相环(PLL)的载波跟踪环路,以实现在高动态环境下的载波同步;引入判决因子,调整FLL的断开时机,提出带宽调整的策略优化跟踪环路以提高跟踪环路的准确性。结果表明,在信号的信噪比为5 d B,码速率为1 kbps,多普勒频偏为±2 MHz,加速度为±800 Hz/s时,频率估计误差小于1 Hz,实现了高动态的微弱信号精确捕获跟踪。     

GPS L1C信号的仿真分析

GPS L1C信号采用数据和导频双通道结构.基于Matlab仿真产生L1C信号并分析了数据、导频通道的自相关和频谱特性,两通道有类似的相关函数包络,导频通道自相关函数的旁峰相比数据通道向外偏移0.06个码片,相同的码相位范围内峰值变化更加剧烈,其相关峰的斜率比数据通道自相关函数高2.56dB,中心主峰更窄.比较了不同前端带宽下BPSK(1),BOC(1,1),BOC(6,1),TMBOC(6,1,4/33)调制信号的均方根带宽,理论上TMBOC(6,1,4/33)信号的跟踪精度相比L1C/A信号提高了57%.分析了次级码的相关特性.它具有强自相关性,有效降低卫星信号互相关函数的旁瓣,旁瓣比为27.4dB.研究表明L1C信号具有优良的跟踪精度和减少互相关干扰的潜能.     

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.     

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.     

GPS软件接收机信号处理算法

为了在通用处理器上实现GPS软件接收机功能,提出了一套适用于GPS软件接收机的信号处理算法。考虑到GPS软件接收机与传统的GPS接收机的信号处理算法在捕获、跟踪、观测量提取等诸多方面的不同,该算法以本地预存的载波表与码表来产生跟踪中需要的本地载波与伪码,增加了软件接收机的信号处理效率。基于该算法,在M ATLAB平台上实现了一个非实时的GPS软件接收机,并利用实际卫星信号进行了测试。测试结果表明,其定位结果的误差标准差为6.3m。该研究为实时GPS软件接收机的实现打下了基础。     

GPS软件接收机信号处理算法

为了在通用处理器上实现GPS软件接收机功能,提出了一套适用于GPS软件接收机的信号处理算法。考虑到GPS软件接收机与传统的GPS接收机的信号处理算法在捕获、跟踪、观测量提取等诸多方面的不同,该算法以本地预存的载波表与码表来产生跟踪中需要的本地载波与伪码,增加了软件接收机的信号处理效率。基于该算法,在MATLAB平台上实现了一个非实时的GPS软件接收机,并利用实际卫星信号进行了测试。测试结果表明,其定位结果的误差标准差为6.3m。该研究为实时GPS软件接收机的实现打下了基础。     

基于FPGA的数字式GPS接收机载波环设计与实现

同步系统工作的好坏,在很大程度上决定了通信系统的质量。GPS接收机将天线接收到的卫星信号经射频前端处理后变成了数字中频信号,接收机对GPS卫星的信号处理过程,可依次分为捕获、跟踪、位同步和帧同步4个阶段。针对GPS信号的BPSK调制和强度微弱等特点,模拟GPS接收机基带数字信号处理过程,首先介绍了科斯塔斯(Costas)接收机的工作原理,分析研究了基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)的软件无线电载波同步技术的实现方法,并采用Costas环实现了载波同步,性能测试验证了设计的正确性和可行性。     

旋转条件GPS接收信号频率和相位变化分析

针对高旋转弹丸GPS接收机无法正常工作的问题,通过计算和分析高旋转条件GPS接收信号的频率和相位变化,为设计高旋转条件GPS接收机基带算法提供依据. 根据弹丸旋转运动特点和GPS信号的传播特性建立数学模型,对由于旋转引起的GPS接收信号的多普勒频率和相位变化进行计算. 结果表明,在转速为200r/s时,产生的载波最大多普勒频移为300Hz,相位变化为0.6π,这对载波环路跟踪会产生很大影响. 而码多普勒频移和相位变化不大. 计算结果对高旋转条件GPS信号捕获和跟踪算法设计具有重要参考价值.     

MC-CDMA信号包络特性的研究

基于CDMA和正交频分复用(OFDM)相组合的多载波码分多址系统(MC—CDMA)作为一种新兴的多载波多址通信方式,在高速数据传输时,其抗符号间干扰的性能明显优于传统的单载波CDMA。但MC—CDMA系统也继承了OFDM信号具有高峰平功率比(PAPR)的问题,这会引起高功率放大器(HPA)出现非线性失真。针对减小MC—CDMA信号PAPR问题,分析了MC—CDMA系统模型以及MC—CDMA信号包络功率与扩频码序列部分自相关函数和部分互相关函数之间的关系,并基于正交Gold码序列和Golay互补序列对16位用户的MC—CDMA信号包络特性进行了仿真。仿真结果表明：当选择Golay互补码作为MC—CDMA系统的扩频码时,系统的信号包络变化较小。因此,对MC—CDMA系统,选择扩频码序列应侧重考虑码字的相关性。     

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.     

GPS软件接收机结构与仿真实现

介绍了GPS软件接收机的基本结构与原理;分析了软件接收机捕获要求,使用频域并行算法作为信号捕获算法;介绍了信号追踪中码同步与载波同步原理与实现。使用Matlab6.5和Simulink进行了GPS软件接收机的仿真。     

面向掩星观测的软件接收机设计

目前,掩星接收机主要采用硬件构造。随着计算机与电子技术的发展,软件接收机以其可重配置、可扩展性强等优点,显现出对掩星观测数据提取,特别是闭环跟踪失锁情况下的开环跟踪算法研究方面的优势。设计了一种应用于获取载波相位观测值的软件接收机,包括软件接收机的设计及掩星观测量的提取。在高度为1.5 km的湖北省九宫山进行了现场验证实验,完成了信号的捕获、闭环跟踪、开环跟踪及载波相位观测值的提取,并与硬件接收机输出的结果进行比对,验证了本软件接收机设计的可行性。     

Positioning accuracy and reliability of GALILEO, integrated GPS-GALILEO system based on single positioning model

A kind of uniform reliability index suitable for the code and phase observations is presented and used in reliability evaluation of satellite systems. Then, based on 25 stations of Crustal Movement Observation Network of China, satellite visibility, positioning availability and observation reliability of GPS, GALILEO and integrated GPSGALILEO are calculated and analyzed in detail. Simulation results reveal that the satellite visibility of GALILEO is superior to that of GPS. Given positioning accuracy, horizontal positioning availability of GALILEO is consistent with that of GPS, but its vertical positioning availability is superior to that of GPS. However, the integrated GPS-GALILEO is shown to be superior to each of the single systems in the aspects of positioning accuracy and availability. The reliability of code and phase observations based on GALILEO and integrated GPS-GALILEO system is superior to that of GPS both in spatial and temporal domains on the whole. The new reliability index presented is simple to calculate and reflects reliability differences of different satellite systems.     

多径干扰下GPS弱信号跟踪算法研究

在带有多径干扰的、并且低载噪比的GPS信号下,分析了多径带来的码环误差以及因此引起的伪距误差的原理.在此基础上,考虑在码环跟踪的Strobe鉴相算法中,引入一个修正因子σ,使得码环跟踪时,对一定范围内的短多径起到抑制的作用.由于改进后的跟踪算法没有用到Q路输出,并且原信号为弱信号,因此需要跟踪环路提供好的载波跟踪性能.为此,考虑使用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法来替代原有的载波跟踪环路,提高跟踪环路的噪声抑制性能.在此基础上,将EKF载波环跟踪与修正后的码环跟踪结合起来使用,共同进行多径干扰下GPS弱信号的跟踪.     

GPS软件接收的关键技术

目的讨论GPS软件接收机中核心模块的实现算法,重点研究捕获算法。方法在捕获模块中采用基于DFT的频域快速相乘相关算法,通过相位关系计算出精确的载波频率,同时优化计算;跟踪算法采用软件锁相环路(PLL)实现。结果用MATLAB仿真实现了捕获跟踪过程,相关点峰值高于预设的阈值,成功捕获了GPS信息。结论所采用的基于DFT的频域相关优化算法不仅实现了准确的相关捕获,且可适应实时性需要,为软件接收机的设计实现提供了一种有效的算法。     

基于小波滤波及载噪比估计的GPS接收机多径抑制

为了抑制城市环境GPS(global positioning system)导航应用中由复杂信号反射引起的多径效应,提出了一种基于假设检验小波阈值滤波处理并联合载噪比估计的GPS接收机多径抑制方法.这种方法作用于GPS导航接收机的码和载波跟踪环路,通过估计由多径引起的跟踪误差,补偿伪距估计量,进而消除多径效应引起的定位误差.仿真实验结果表明,对于城市环境典型导航应用的多径场景,所提出的方法显著改善用户定位精度,能够将定位误差从标准接收机处理下的15.95 m降至1.75 m,而计算量无明显增加.     

FFT and PLL based GPS signal processing for Software GPS Receiver

This paper presents FFT and PLL based GPS signal acquisition and tracking algorithms for a software GPS receiver. Conventional hardware based acquisition and tracking have some restrictions in processing signal with poor signal to noise ratio. The FFT of digitized local signals of multiple carrier frequencies for a specified Doppler band are pre-computed and are circular correlated with the digitized incoming signal from RF-front-end in an organized computational order. The global maximum of the correlation is associated with the closest estimates of the Doppler shift and the code shift. PLL refines the estimates to track the signal. Doppler information from an external source can readily be integrated to narrow down the frequency band for correlation and is especially useful for tracking in a high dynamic navigation situation. The performance of the proposed algorithms is evaluated through post processing of the IF signals acquired from a commercial hardware GPS receiver.     

基于重构子互相关的BOC无模糊度跟踪方法

针对BOC体制信号的自相关函数具有多峰性质导致BOC存在的模糊跟踪问题,提出了子互相关函数概念及基于重构子互相关函数的无模糊度跟踪方法.通过分析对比各子互相关函数,重构生成仅具有单一相关峰并保持BOC窄相关特性的相关函数.以BOC（1,1）和BOC（10,5）为例进行仿真与分析,模糊度有效性表明本文方法相比ASPeCT与BPSK-like能够更好地去除副峰且保持窄相关,鉴相曲线表明对于BOC（1,1）与BOC（10,5）,本文方法相对BPSK-like的线性区域斜率增益分别为5.2 dB与7.2 dB,抗多径性能表明本文方法相比ASPeCT与BPSK-like的多径误差最小,抗噪声性能表明对于BOC（1,1）与BOC（10,5）本文方法相比BPSK-like的码跟踪误差标准差分别减少了0.046 Tc与0.030 Tc.      

Shaping相关器在BOC信号中的抗多径性能分析

为了克服原有抗多径算法在偏移二进制载波(BOC)信号上性能不如粗捕码(coarse/acquisition code,C/A码)的缺点,并消除BOC信号在跟踪时特有的多峰模糊特性,将一种新的参考码应用在BOC信号的跟踪中,并与窄相关器以及高分辨相关器(HRC)技术进行了比较,分别给出了多径误差包络,从仿真结果中得出了最佳参考码码型,并根据最佳参考码分析了成形(Shaping)相关器的噪声性能。Shaping相关器消除了多峰模糊的特点,并在多径误差包络上要优于窄相关器以及HRC算法,也很容易在原有基础上修改实现。该研究为未来的导航接收机中Shaping相关器的应用打下了坚实的基础。