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。     

惯性加速度辅助卫星接收机跟踪环路算法

针对卫星接收机在强干扰高动态环境难以定位导航的问题,提出了基于惯性加速度辅助卫星跟踪环路算法,通过惯性加速度估算环路多普勒频移变化率,压缩了环路需承载的动态性,从而减少环路等效噪声带宽,降低了跟踪环路带内干扰,提高卫星接收机抗干扰能力.对所提算法的普适性、动态性、抗干扰性以及惯导估算误差影响等方面进行了仿真评估,仿真结果验证了算法的正确性,同时证明所提算法相比传统算法动态性大大提升,抗干扰能力提升5~8,d B,可以容忍较大惯导辅助信息误差,为算法工程化奠定了基础.     

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).     

高灵敏度GPS接收机载波跟踪环路的设计优化与实现

基于高灵敏度GPS基带信号处理器, 设计优化并实现了GPS载波跟踪环路。为了提高跟踪灵敏度, 对鉴相器的性能、环路误差、环路参数进行了分析优化, 并采用锁频环辅助锁相环结构, 同时对于需要多个乘法器、除法器的模块采用分时共享技术, 降低了资源消耗减小芯片面积。用Verilog硬件描述语言实现了所设计的载波跟踪环路, 在ModelSim中完成了RTL级代码的逻辑和功能仿真, 搭建了FPGA开发板验证平台, 并使用GPS L1波段信号源进行性能测试。测试结果表明所设计的载波跟踪环路可达到25 dB-Hz的跟踪灵敏度。单通道载波跟踪环路基于SMIC 0.18μm工艺, Design Complier的逻辑综合面积为425555μm²。     

新一代GNSS信号的自适应Kalman跟踪算法

为了提高导航服务的质量,要求新一代全球导航卫星系统(GNSS)信号的自适应跟踪算法在稳态场景下具有较好的定位精度的同时,当场景发生变化时也能保持稳健的性能。原有的自适应Kalman滤波算法应用于自适应跟踪时,在优化稳态跟踪精度或者动态稳定性方面有所不足。该文提出了一种自适应因子的Kalman滤波算法,并与双更新率的锁频辅助锁相技术结合,用于自适应跟踪环路的设计。仿真结果表明:相比原有的自适应技术,该算法具有较小的相位跟踪误差,在场景变化时的稳定性也更好。     

欺骗干扰对GNSS矢量跟踪环路的影响

矢量跟踪技术是卫星导航领域的关键技术之一。随着欺骗干扰对卫星导航安全的威胁日益严峻,研究欺骗干扰对矢量接收机的影响对于提高矢量跟踪技术抗欺骗干扰能力有重要意义。该文研究了欺骗干扰对3种典型矢量跟踪环路的影响,推导了欺骗干扰引起的跟踪误差均值,建立了环路失锁条件的表达式,并利用信号源模拟器和软件接收机对分析结果进行了验证。研究结果表明,欺骗干扰能够导致非零均值的信号跟踪误差,降低环路的跟踪性能,甚至引起环路失锁。矢量接收机可以根据该特性进行反欺骗。     

基于双码时延间隔的GNSS矢量跟踪环路

针对传统GNSS接收机在弱信号下工作性能不理想的特点,分析了传统接收机和矢量接收机的工作原理,归纳总结了传统接收机在弱信号下的性能缺陷;在弱信号下对比传统标量接收机与矢量接收机的跟踪性能,提出用设置双码时延间隔的方法来优化矢量跟踪性能。用矢量跟踪来弥补传统接收机在弱信号下的缺陷。仿真结果表明:在载噪比15～22 dB情况下,采用双码时延间隔EKF算法的矢量接收机跟踪性能要优于传统标量接收机,且比采用单码时延间隔的矢量接收机码跟踪误差还要小约20 ns。     

导弹自旋条件下GPS信号跟踪环路设计

根据实际中自旋导弹GPS接收天线相位中心与导弹自旋几何中心的不一致性,建立弹载天线坐标系。推导弹体自旋条件下接收的GPS卫星信号的附加多普勒频移变化规律,验证弹体自旋对接收信号的影响。提出一种新的GPS信号跟踪环路设计方法,以消除附加多普勒频率对跟踪的影响。该设计在传统环路基础上加入旋转跟踪环,实现对弹体自旋转速的估计,利用转速信息辅助环路跟踪。经过计算机仿真验证,新环路载波相位跟踪误差较传统环路显著减小,表明该设计能够获得更佳的信号跟踪性能。     

弹载高动态卫星接收机环路设计及参数优选

通过对某155 mm炮射高动态旋转榴弹飞行动态应力变化规律及其对接收机基带信号处理的影响分析,提出一种适用于此类特殊环境下的高动态接收机环路跟踪策略. 从接收机环路跟踪性能角度出发,分析不同跟踪环路信号跟踪性能随噪声带宽变化规律,为合理选取噪声带宽提供理论依据. 实验表明,改进后环路设计方案不仅能较好地实现对弹道的检测,同时显著改善了检测信号的信噪比,提高了接收机的跟踪性能和抗干扰能力.      

船载卫星通信天线伺服跟踪环路设计

以船载A-E两轴座架天线为例,分析了天线跟踪精度和隔离度分配,对单脉冲跟踪的陀螺环路和跟踪环路进行了设计,为工程实践提供了理论设计依据。     

GNSS高动态导航终端检定系统设计及实现

随着特种装备对高精度、高动态性能及姿态测试的新需要,现有检测计量系统已不满足当前的测试需求。本文设计并构建了GNSS高动态导航终端检定系统,创新性地提出利用高精度转台模拟真实运动场景,通过角度编码器、高精度授时接收机保证控制及测试精度,运用转台状态显示及测试评估软件对测试数据进行处理,完成对被测对象的评估,并对建成后系统的关键指标进行了验证试验。结果证明,该系统可实现对导航终端进行高动态、高精度的测试。     

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.     

用于自动跟踪NMR磁强计的跟踪环路分析与设计

本文所述的自动跟踪环路是自动跟踪核磁共振(NMR)磁强计电路的重要部分。磁强计的跟踪速率大于0.18T/min,测量范围为0.09—1.3T高斯。文中分析了跟踪环路的数学模型,详细陈述了主要指标与设计流程。实践证明理论分析与实验结果基本一致。     

基于Kay加权的高动态载波跟踪环路初始频差估计方法

在高动态环境下,过大的载波跟踪环路初始频差会导致环路失锁或误锁。针对该情况已有学者通过增强环路跟踪稳定性和鉴频能力来解决,但仍存在鉴频范围小,精度低和运算量大等问题。为解决上述问题,提出了一种基于Kay加权的载波跟踪环路初始频差估计方法,该算法首先对跟踪环路中I、Q两路的短时积分结果进行二倍角处理,然后,再对其使用四象限反正切鉴频器鉴频,最后借鉴Kay算法对鉴频结果加权得到频差估计值。通过与传统方法做计算机仿真对比,结果表明：在信噪比为-26 dB及以上时,在相同运算采样点数的前提下,本文方法估计精度相较于最大似然估计和三阶锁频辅助四阶锁相环路方法分别提升8.72 dB和19.59 dB或更高。在达到相同估计精度情况下,本文算法运算采样点数为最大似然估计方法的6.25%,算法运算量中加法与乘法次数仅为其1.7%和5.6%,计算时长为其1.56%。     

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。     

用于光盘径向伺服系统的精密位置跟踪环路设计

本文提出一种用于光盘径向伺服系统的带有快速数字锁相环的精密位置跟踪环路的设计方案。由于采用了变结构式粗、精配合装置以及快速数字锁相环,系统良好地兼容了高精度与高速度的要求。通过理论分析、计算机仿真及部分实验调试,对本方案进行了论证。结果表明,本方案是可行的。     

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.     

目标跟踪下的Kalman算法与IMM算法性能比较

介绍了Kalman滤波算法原理和IMM滤波算法原理,并进行了两种算法的仿真与性能比较。     

一种稳健的高动态GNSS干扰抑制算法

为了解决在高动态环境下干扰信号来向迅速变化并移出波束零陷,导致抗干扰算法性能下降的问题,提出了一种基于零陷展宽并加深的稳健波束形成算法。首先在干扰区间内设置多个虚拟干扰代替单个干扰,然后通过协方差矩阵前后向空间平滑技术对协方差矩阵进行数据修正。仿真结果表明,新算法不但可以有效加宽并加深干扰信号来向上的零陷,使得阵列有较好的输出信干噪比,而且当干扰来向快速变化时能保持较强的稳健性。在高动态环境下,当干扰快速运动时仍然具有较高的阵列输出。因此所提算法与其他算法相比具有更好的性能,并具有良好的稳健性,可为高动态环境下的强干扰抑制提供理论参考。