基于FPGA的BOC(1,1)信号捕获技术

BOC调制是新一代卫星导航系统中广泛采用的调制方式,在时域上具有多峰值特性,副峰的存在增加了捕获的难度。采用自相关副峰消除技术(ASPeCT)在原有的BOC码相关支路的基础上增加一条伪码相关支路,可以有效削弱码相位检测函数的副峰,避免误捕获,是一种性能良好的BOC信号捕获技术。提出一种采用二维并行快速搜索的在FPGA芯片中实现ASPeCT捕获技术的方案,可以显著缩短捕获时间。在理论分析和仿真验证的基础上,采用Verilog硬件描述语言在接收机FPGA+DSP平台上编程实现,在露天测试中,成功捕获到Galileo E1B卫星导航信号,并对ChipScope采集的数字中频信号的多普勒频率和码相位静态捕获结果进行验证,与同一段信号的Matlab仿真结果一致,证明所提出的技术方案正确合理可行。     

Galileo卫星星钟故障前后信号质量分析

星载原子钟是卫星导航系统的核心器件,是影响导航信号质量的重要因素。2016年11月,Galileo系统利用一箭四星发射升空4颗新一代Galileo卫星。根据观测显示,截至2017年7月,仅能接收到其中1颗卫星发射的导航信号。在2017年1月,欧洲航天局通告称多颗卫星原子钟大规模故障。针对此,40m 大口径高增益天线系统设备对不同批次和星钟故障情况的3颗Galileo卫星E5频点信号进行了数据采集处理,对各信号分量的功率谱、星座图、码片波形、相关损失、相关峰、S曲线偏差等信号质量指标进行了分析评估。结果表明,此次星载原子钟的大面积故障并未影响Galileo卫星信号的可用性,足够的星载备份钟避免了信号质量的严重恶化。     

BOC信号合成相关函数通用无模糊跟踪方法

针对全球导航卫星系统(GNSS)所使用的二进制偏移载波(BOC)调制信号存在跟踪模糊的问题,提出了一种能够应用于多种BOC类型信号的通用无模糊跟踪方法。首先基于调制形状码向量的概念提出了BOC信号通用表示方式。然后,推导了BOC信号互相关函数的调制形状码向量表达式。最后,在BOC通用模型的基础上,基于合成相关函数思想,设计了一种通用无模糊跟踪方法。仿真结果表明,该方法可以适用于各种相位和阶数以及复合和包含复信号的BOC调制信号,得到无模糊的窄单峰相关函数。通过分析该方法的抗噪声性能和多径抑制性能,证明其相对于传统的BOC无模糊跟踪方法具有更好的抗噪声性能。     

一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法

利用卫星导航系统对高轨航天器进行自主导航与高精度定轨,对接收机的捕获灵敏度要求极高,双块补零(DBZP)算法是无辅助下卫星导航弱信号捕获的理想方案,然而受限于数据处理量大,DBZP实际应用难度大。在深入分析双块补零机理的基础上,结合矩阵重构的思想,提出了一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法。该方法对参与块内相关运算的基带信号和本地测距码分别进行重构,解决了块内点数与快速傅里叶变换输入点数之间的矛盾,提高了北斗导航接收机弱信号捕获性能。仿真实验结果分析表明,改进双块补零算法对信噪比没有损失,可以保证对低至15dB·Hz的弱信号进行有效捕获,能够满足高轨航天器定轨、室内外无缝导航等对接收机高灵敏度的需求。本方法是在块内运算层面对DBZP进行优化,具备良好的通用性和可移植性,与优化相干积分策略的各种改进DBZP算法可以无缝对接,进一步提高北斗导航接收机信号处理的效能。同时,重构的思想也适用于其他采用码分多址信号的卫星导航系统的弱信号检测和捕获,对提升多星座卫星导航系统的基带信号处理性能具有参考意义。     

GPS软件接收机的捕获与跟踪算法

研究了GPS软件接收机的捕获与跟踪算法。分析了时域串行滑动相关捕获算法和频域基于FFT的并行相关捕获算法,设计了适合GPS软件接收机的并行算法,实现了对空中可见卫星的捕获。针对GPS信号的特点,设计了基于DLL与PLL相结合方法的GPS跟踪算法。利用实测中频信号对上述捕获与跟踪算法进行了验证分析,测试结果表明,基于FFT的并行相关捕获算法能够有效增强软件接收机的捕获能力,采用DLL与PLL相结合的方法能够实现对GPS信号的有效跟踪。     

BOC(2n,n)信号同步方法研究

分析了BOC信号的特性,BOC信号同步的难点在于其自相关函数的副峰会引起错误捕获和歧异跟踪。现有算法中只有单边带处理法适用于自相关函数峰值较多的信号,但算法中的滤波器实现复杂。对原算法进行改进,省去了复数滤波器,更便于软件实现。采用二维码相位估计来解决歧异跟踪的问题,但次载波的存在使载波频率跟踪范围减小,对跟踪策略进行改进,使跟踪范围满足需求。仿真结果表明,改进算法可在不损失跟踪精度的条件下,有效解决BOC信号的同步问题。     

基于通用无线电外设的北斗信号仿真系统

研究了基于通用软件无线电外设(USRP)的北斗信号仿真系统。给出了北斗卫星电文的生成方式,使用Matlab读取星历信息并定义编码产生北斗卫星信号,并利用USRP实现北斗卫星电文的调制发射,利用接收机对该信号进行捕获接收,并对信号附加的多普勒频移进行仿真。最后通过接收机对仿真系统产生的信号进行接收验证。通过此仿真系统可更直观地研究北斗卫星信号,对研究北斗卫星导航系统具有一定的参考意义。     

适用于BOC(m,n)信号的无模糊捕获技术

针对二进制偏移载波(BOC)调制信号自相关多峰特性引起的信号捕获模糊性问题,提出了一种子相关相乘边峰消除技术(CMSCT)。根据BOC子相关函数的特性,通过将不同子相关函数相乘获得边峰消除能力,并且为了充分利用接收信号,进一步提高捕获性能,提出了相应的优化算法。分析对比了提出算法的实现复杂度和基于恒虚警率准则的峰值发现概率,对Galileo E1C中频采样信号的处理结果表明:提出的边峰消除方法有效解决了捕获模糊性问题。     

惯性卫星紧组合导航系统仿真分析

针对SINS/Satellites进行松组合的不足,直接利用卫星信号接收机原始测量信息(伪距、伪距率),实现紧组合,来提高组合导航系统的精度和抗干扰性。文中详细推导了紧组合导航系统的伪距、伪距率误差模型,以伪距、伪距率差作为输入进行反馈,不仅当可见星数目小于4颗的时候,可以进行反馈,保证了一定的导航精度,而且可以用INS提供导航信息辅助接收机快速捕获卫星信号,这就提高了组合导航系统的容错能力。设计了SINS卫星紧组合导航系统的Kalman滤波器,并进行仿真验证,结果表明,SINS卫星紧组合较松组合有明显优势。     

基于I、Q信号的北斗接收机跟踪环路设计

传统的北斗接收机一般采用标量跟踪环,每个通道的卫星相互独立,在此 基础上,又发展起来了基于矢量跟踪的接收机,使每个通道的卫星跟踪不再相互独立。 提出的基于I、Q 信号观测的接收机跟踪环路,保留矢量跟踪的特点,并且采用EKF 作 为跟踪环路预处理滤波器,代替传统跟踪环路的鉴别器,可以在高动态的环境下对卫星 信号进行跟踪,提高环路的稳定性,从而可以有效地提高BDS/INS 深组合导航滤波器观 测量的估计精度。主要对高动态信号跟踪进行仿真,并与传统的标量跟踪方法和矢量跟 踪方法的跟踪能力进行比较。实验表明, 改进的矢量跟踪环能够在高动态的环境下运 行,比起传统环路有更小的跟踪误差。     

BOC信号自适应门限判决捕获方法

BOC信号是一种分离频谱的调制方式,与传统的导航扩频信号相比,具有更强的抗干扰能力和更高的测量精度。但BOC信号自相关函数具有多峰值的特点,如何从接收端找出最大峰值并正确恢复BOC信号是技术难点。本文给出了一种BOC信号的捕获方案和具体的实现算法。     

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。     

The White Sands Range and Range-Rate System

This paper discusses the concept, design, and design verification of the White Sands Range and Range-Rate System. Development of the system has been completed only through the design phase. The system is designed to meet requirements for high-accuracy midcourse tracking under severe target dynamics at the White Sands Missile Range. It is a multistatic Doppler and range tracker which operates at X band and incorporates transmitter, transponder, receiver, and baseline subsystems. The transmitter includes specially designed digital circuitry to synthesize test signals for target simulation during checkout of the system. The transponder signal is processed by a receiver which has been established theoretically to be the optimum realizable processor of continuous tracking data. The receiver incorporates specially designed carrier acquisition circuitry and digital VCO, and directly provides digital Doppler and tone phase data to facilitate real-time processing. The system utilizes data from other tracking systems at the Range for spatial acquisition, for aiding carrier acquisition in the receiver, and for resolving range ambiguities.     

Galileo AltBOC signal multiresolution acquisition strategy

Herein, some critical aspects related to the acquisition of the future Galileo signals are discussed. In particular, the Alternative Binary Offset Carrier (AItBOC) modulation that will be used by the Galileo satellites to broadcast navigation signals on the E5 band is considered, addressing acquisition issues only partially analyzed in previous works. The implementation of an acquisition section for the AltBOC signals is not straightforward, since several different receiver architectures can be used and remarkable differences are required with respect to the conventional signal processing used in GPS receivers. The main problems that must be handled (risk of false lock, resolution of the search space, and computational burden) are outlined in the following. An innovative technique, called multiresolution acquisition and tailored to the AltBOC signals, is then proposed as an effective solution to previous problems. As demonstrated by means of simulations, this novel strategy can be successfully used in coherent dual-band AltBOC receiver architectures with a feasible implementation complexity and it leads to remarkable advantages in terms of acquisition time.     

Galileo系统完好性处理的方法研究

对于卫星导航系统而言,系统所能提供的完好性指标和导航定位精度是同样重要的。欧洲的Galileo系统将在2008年建成,届时它将与美国的GPS系统相互补充。本文在对GMileo系统导航定位指标分析的基础上,结合系统完好性监测的设计特点,推导了系统地面完好性信道(GIC)监测算法和用户自主完好性(RAIM)监测算法,建立了数据完好性播发体制。     

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。     

GPS/SINS超紧组合导航的性能分析

GPS接收机在高动态环境下很容易失锁,特别是载体的高动态造成的应力对接收机载波跟踪环影响很大。为了解决高动态环境下的组合导航,分析了GPS接收机载波跟踪环的测量误差和跟踪门限,采用惯导速度辅助GPS接收机跟踪环路的超紧组合结构。超紧组合需要涉及到GPS接收机跟踪环内部编排及高动态环境下的实验数据,难度较大。针对超紧组合仿真专门开发了GPS实时软件接收机、高动态GPS中频信号仿真器和惯导模拟器并构建了一个完整的GPS/SINS超紧组合仿真系统。仿真结果表明,该超紧组合导航系统可以跟踪50g的加速度和10倍音速。