GPS信号快速捕获方案研究

设计在高动态环境下工作的GPS接收机,其难点之一在于对卫星伪码的快速捕获。针对缩短GPS接收机捕获伪随机码时间的问题,本文在对GPS信号结构作出分析的前提下,介绍了时域滑动相关的常规捕获方法;提出了基于FFT的快速捕获技术,并在matlab环境下做了系统仿真,仿真结果显示捕获速度可以得到显著提高。     

微弱GPS信号避开比特跳变的捕获算法

为了提高全球定位系统(Global Positioning System,GPS)接收机的灵敏度,信号捕获过程需要加长积分时间。分析了比特跳变对加长相干积分时间的限制,从而提出一种能够完全避免比特符号跳变的捕获算法。该算法通过对多组数据采用相干积分和非相干积分相结合的方法,比较各组积分结果并选取积分最大值,用来判决是否捕获。算法中相干积分时间为19ms,目的是使积分最大值组完全避开数据位跳变,避免导航数据符号跳变对相干积分值的影响。该算法在避开比特跳变的基础上最大程度地提高相干积分时间,提高GPS接收机的捕获灵敏度。仿真结果表明,该算法能有效地捕获到载噪比(Carrier to Noise Rate,CNR)低至26dB·Hz的信号,可有效提高GPS接收机的捕获灵敏度。     

基于MAX2769B的多系统兼容GNSS中频采样器设计与实现

GNSS软件接收机具有算法灵活性高、更新方便等特点,逐步发展为一种较为流行的卫星导航研究与应用平台。从处理多频多系统的角度出发,介绍射频前端的基本结构,对比了几款单芯片GNSS射频解决方案,详细介绍一套基于MAX2769B的多频多系统兼容中频采集系统的设计与实现过程,给出了多系统兼容的参数配置方法。对于采样器研制过程中与性能关系较为密切的部分,提供了设计参考建议与测试流程。针对设计的采样器,测试了其采集GPS系统L1频点信号的性能,并通过后端的软件接收机处理得到了信号捕获、跟踪、测量与定位结果,基于这些结果对中频采样系统的基本功能、多频处理能力等进行了分析和评估。     

北斗B1 QPSK调制信号的高灵敏度捕获算法

卫星信号在复杂环境中功率存在衰减,导致其低于接收机正常捕获范围,给信号捕获带来较大困难。在分析北斗B1频点信号体制及研究码并行捕获算法基础上,提出了针对北斗B1 QPSK调制信号的双通道并行搜索捕获算法,设计了优化的相干、非相干码并行捕获算法,解决了信噪比较低环境中北斗卫星信号捕获困难的问题。利用卫星信号模拟器产生的仿真信号对双通道并行捕获算法和相干、非相干累加捕获算法进行验证与分析,结果表明,前者性能明显优于单通道捕获,后者较普通捕获算法具有更理想的捕获灵敏度。     

一种基于参数控制的低轨星载接收机载波跟踪算法CSCD

低轨星座接收机面临大多普勒频移及频繁快速换星等设计约束,对其载波跟踪环路设计提出了较高的动态适应性与跟踪精度要求。针对以上问题,提出了一种基于参数控制的载波跟踪算法。该算法引入环路控制因子参数,将环路滤波器分为牵引和跟踪两阶段。基于理论建模推导环路控制因子的最优参数配置原则,指导实现牵引和跟踪两种状态滤波器的协同配合,在牵引阶段有效引导大多普勒信号快速入锁,在跟踪阶段精确估计载波频移参数,实现基于低轨星载平台的GNSS信号快速准确跟踪。理论与仿真结果均表明基于参数控制的载波跟踪算法能够有效提升环路的动态适应性与跟踪精度,满足低轨星载接收机的设计需求。与传统算法相比,该算法在保证信号跟踪精度的同时,能够将收敛时间缩短78%,且环路设计简单,易于硬件实现。     

基于嵌入式GPU的三天线GNSS基带信号处理加速技术

GNSS软件接收机因其可移植性及灵活性等优点,持续受到业内关注。但传统的软件接收机存在计算量大、耗时长的捕获和跟踪基带信号处理过程,使得软件接收机往往跟踪通道较少,且难以在嵌入式系统上运行。利用嵌入式图形处理器(GPU)的高浮点性能和并行运算能力,对GNSS软件接收机中耗时长且并行性明显的模块进行加速,实现采用CUDA流的数据读取,以及多采样点并行的捕获和多采样点、多卫星并行的跟踪。采用嵌入式GPU进行加速后,可将数据读取速度提高3.43倍,卫星搜捕速度提高16.83倍,卫星跟踪速度提高11.28倍。实验结果表明,在嵌入式Jetson TX2平台上可以支持超过90个62MHz采样的GNSS卫星信号处理。研制了三天线GNSS信号的定位和测姿接收机,为未来小型嵌入式PNT系统的研制提供新思路。     

基于滑动DFT和插值DFT算法的GPS信号载波跟踪方法

 在分析GPS接收机跟踪环路信号特征的基础上,将滑动离散傅里叶变换（DFT）算法和插值DFT频率估计算法相结合,提出一种在频域进行的载波跟踪方法。该方法首先根据捕获时得到的粗略载波频率估计值确定计算DFT值点的范围,然后利用滑动DFT算法计算这部分点的DFT值,最后利用插值DFT频率估计算法估计载波频率,进行跟踪环路中载波频率的更新。该方法计算复杂度低,便于实际应用。仿真结果显示,该方法能够对载波频率正确跟踪,验证了算法的可行性。     

脉冲干扰对软件接收机的影响分析

卫星信号经过长距离传播,信号能量损耗严重,到达地面的功率很弱,容易受到各种干扰的影响。脉冲干扰为常见的干扰类型,所以针对不同功率、不同周期,以及不同占空比的脉冲干扰信号,通过接收前端采集受脉冲干扰的GPS L1信号,利用软件接收机及多相关器生成技术,详细分析了脉冲干扰对接收机信号捕获与跟踪性能的影响。分析结果表明,周期为1ms的脉冲干扰信号,能对接收机产生强烈的干扰效果,捕获图中的噪声明显增大;跟踪过程中,载噪比和相关值突发性减小,造成跟踪数据异常。而长周期的脉冲信号仅在脉冲到达时影响接收机的捕获和跟踪,但由于信号跟踪不能连续进行,导致伪距观测量的不连续与导航数据不能正常解码,从而干扰接收机。     

一种高动态低信噪比卫星导航信号捕获方法

为提升高动态低信噪比环境下卫星导航信号的捕获性能,提出了一种基于分数阶傅里叶变换(FrFT)及部分匹配滤波(PMF)的捕获方法。在该方法中,接收机首先利用PMF对接收信号做分段相干积分,随后借助快速傅里叶变换(FFT)对分段积分结果做离散快速FrFT,最后通过检测FrFT输出的峰值完成信号的捕获。由于具有多普勒频率变化率的卫星导航信号在FrFT后呈现能量聚焦特性,所提方法能够显著提高信号的长时间相干积分增益。同时对所提算法的捕获概率、平均捕获时间以及算法复杂度等性能指标进行了理论分析及计算机仿真验证。仿真表明,与传统的PMF-FFT方法相比,所提方法能够通过延长相干积分时间的方式有效提升高动态低信噪比卫星导航信号的捕获概率、降低捕获时间。     

基于FPGA的北斗B1频点接收机 基带信号处理器设计

针对北斗二代B1频点信号比特翻转频繁的问题,设计并实现了基于FPGA的北斗B1频点导航接收机基带处理器.该处理器在信号捕获过程中设计了频率精细搜索的精捕获算法,避免了假捕获并且提高了捕获频率的精度;在载波跟踪环路中设计2阶锁频环辅助3阶锁相环的方案,以提高环路跟踪的动态性能.其中,锁频环和锁相环均设计了对比特翻转敏感的鉴别器,保证环路跟踪的准确性.试验结果表明,该基带处理器设计具有较高精度的捕获频率和良好的高动态跟踪能力.     

Low-Level Signal Detection Using a New Transform Class

A system is developed to detect tracks crossing two-dimensional noise fields. This is accomplished by filtering and integration of signal power in the frequency domain of a new class of generalized transforms which include the FFT and FBT as limiting forms. If the track is essentially parallel to a transform axis and if filters are derived from hard-limited linear approximations to tracks, the FBT offers considerable hardware economy over the FFT in the mechanization algorithm.     

Low C/N_0 Carrier Tracking Loop Based on Optimal Estimation Algorithm in GPS Software Receivers

Suppressing jitter noises in a phase locked loop(PLL) is of great importance in order to keep precise and continuous track of global positioning system(GPS) signals characterized by low carrier-to-noise ratio(C/N0).This article proposes and analyzes an improved Kalman-filter-based PLL to process weak carrier signals in GPS software receivers.After reviewing the optimal-bandwidth-based traditional second-order PLL,a Kalman-filter-based estimation algorithm is implemented for the new PLL by decorrelating the model error noises and the measurement noises.Finally,the efficiency of this new Kalman-filter-based PLL is verified by experimental data.Compared to the traditional second-order PLL,this new PLL is in position to make correct estimation of the carrier phase differences and Doppler shifts with less overshoots and noise disturbances and keeps an effective check on the disturbances out of jitter noises in PLL.The results show that during processing normal signals,this improved PLL reduces the standard deviation from 0.010 69 cycle to 0.007 63 cycle,and for weak signal processing,the phase jitter range and the Doppler shifts can be controlled within ±17° and ±5Hz as against ±25° and ±15 Hz by the traditional PLL.     

一种基于FFT的GPS信号快捕算法

提出了一种利用1024点的FFT模块来实现快速捕获GPS卫星信号的具体实现方法;并利用这种快速捕获方法,对真实采集的GPS信号进行捕获,验证了该方法的可行性。在硬件中采用这种方法,可以利用较少的硬件资源来对GPS信号实现快速捕获。     

GPS多径信号的自适应滤波估计方法

 研究全球定位系统(GPS)多径信号估计的问题。通过分析自适应滤波器的原理,建立了数字中频信号处理的数学模型,提出一种用自适应滤波实现GPS多径幅度、码相位和载波相位估计的方法。该方法采用不同延迟的伪随机序列对信号进行解扩、解调和累加,得到了作为期望信号的系列自适应滤波相关值。对该方法与其他3种方法进行了理论上的分析比较,得出本方法具有信噪比高、自适应滤波性能好、带有码相位信息和不存在载波模糊度问题等优点。根据各种滤波器算法的特点和本应用的需求,给出了选用递归最小二乘算法实现的方法。通过计算机仿真,验证了提出的方法能够在14 dB的信噪比下,以1个采样间隔的时间延迟分辨率和0.005周的载波相位估计精度估计出GPS L1的多径信号。     

基于阵列天线的一种GPS多径抑制方法

为了抑制多径效应对GPS的严重影响，在分析了多径效应对伪码跟踪环路影响的基础上，提出了一种基于空间平滑的改进稳健波束形成算法来抑制GPS多径效应。以直线阵为基础，采用前后向空间平滑算法对阵列接收信号进行预处理，针对各种失配，采用改进的稳健波束形成算法进行处理。该方法既可以有效地抑制GPS多径效应，又可以有效地改善伪码跟踪环路的跟踪精度。仿真实验结果验证了所提方法的正确性和有效性，具有较高的工程实践价值。     

一种高动态低信噪比下载波快速捕获跟踪方法

针对高动态、低信噪比的接收信号,首先对整个多普勒频率范围进行分段,并在每一段内利用本地产生的带有多普勒频率变化率的复信号来抵消接收信号中多普勒频率变化率的影响,然后在每一段内利用FFT（FastFourierTransform,快速傅里叶变换）进行载波频率并行捕获,从而同时完成载波多普勒频率及其变化率的初步估计。利用载波多普勒频率及其变化率估计信息辅助锁频环快速入锁,进而利用锁频环辅助三阶锁相环完成载波信号的锁频锁相跟踪。使用这种方法,可以快速获取信号的多普勒频率及其变化率信息,并且在极短时间内完成载波的稳定跟踪,使接收设备具备快速捕获跟踪大动态弱信号的能力。     

一种新颖的超高分辨率SAR频率域反投影成像算法

超高分辨率条件下,机载合成孔径雷达（SAR）发射信号带宽大,合成孔径时间比较长,对成像处理算法的精度和效率要求较高。现有近似频率域处理和时间域滤波反投影（FBP）算法聚焦SAR数据时均存在诸多问题。基于微局部分析方法,提出了一种新颖的频率域滤波反投影（FD-FBP）成像处理方案。首先,利用Keystone变换简化了数据距离多普勒（RD）域徙动表达式。然后,在RD域进行反投影操作,对参考位置处反投影数据进行移位、相位补偿和FFT等操作即可以得到图像,从而在保证算法精确性的前提下有效降低了运算效率,实现了频率域方法的高效率和时间域方法的精确性特点的结合。最后,点目标仿真和实测数据处理以及与FBP等算法的对比验证了该方法的有效性。     

基于调制域增强副载波剥离的 GPS M码授权码流提取方法

针对 GPS M码授权码流获取问题,提出 1种新的基于调制域增强副载波剥离的方法。该方法利用 GPS C/A码和 M码码片起始位的相关性,在调制域上利用 BOC调制短码信息对 GPS M码信号进行累加增强,获取授权码流。首先,利用公开的 GPS C/A码辅助获取 GPS信号载波相位和 C/A码码相位;然后,分别利用获得的 GPS信号载波相位和 C/A码码相位,完成 GPS C/A码与交调量的剥离以及 M码授权码的初始相位对准;进一步,利用 BOC调制短码信息在调制域上实现累加增强,完成副载波剥离,获得 GPS M码授权码流;最后,利用实际采集信号对所提方法有效性进行了验证,并与现有方法进行了对比。结果表明,所提方法能够克服带宽内 P(Y)信号旁瓣能量对 M码授权码提 取的影响,可带来 3.5 dB左右的性能改善。