GNSS接收机在探月三期中的应用研究

探月工程对飞行器导航系统的性能提出了更高要求,因而有必要研究GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)接收机在探月任务中的应用。以探月工程三期为应用需求,开展地-月-地转移过程中的GNSS接收机可用性分析、GNSS信号特性分析;并针对低信噪比环境下的高灵敏度接收机系统应用进行设计,采用弱信号捕获算法和弱信号跟踪算法实现-175dBW的灵敏度;最终采用基于轨道动力学模型的卡尔曼滤波方法实现了GNSS自主定轨算法。仿真表明:GNSS接收机在60 000km以下的地-月转移和月-地转移弧段能够为探月飞行器提供100m以内位置精度的导航服务。     

基于UKF准开环结构的高动态载波跟踪环路

 对高动态环境下的全球卫星导航系统（GNSS）载波信号跟踪方法进行了研究。在分析高动态载波信号模型的基础上,提出了一种基于无迹卡尔曼滤波（UKF）的准开环载波跟踪方法。此方法能够消除导航数据二进制相移键控(BPSK)调制的影响,并采用四维UKF相位估计模型提高跟踪精度,同时对估计值进行补偿以减少滤波器的滞后性。通过模拟接收机的高动态运动轨迹,从跟踪误差、跟踪结果和补偿效果3个方面,与基于卡尔曼滤波（KF）的锁频环(FLL)辅助锁相环(PLL)结构的传统跟踪方法进行比较,结果表明基于UKF的准开环跟踪方法能够有效地完成高动态环境下的载波跟踪。     

基于矢量跟踪的MEMS-SINS/GNSS深组合导航系统

针对在载体高动态运动时,由Doppler频移剧烈变化而导致的MEMS-SINS/GNSS组合导航系统精度降低的问题,修正了GNSS卫星信号模型,设计了一种深组合导航通道滤波器,并形成了完整的深组合导航方案。基于矢量跟踪结构的深组合导航方案,通过滤波器对载体的导航参数进行估计,将相互独立的各通道信息结合起来,并利用各卫星位置之间的关系,提高了高动态环境中的跟踪能力。仿真结果表明,基于矢量跟踪结构的深组合导航方案可以有效减少高动态对导航精度的影响,提高组合导航系统的输出精度。     

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。     

基于铱星/INS组合定位技术在船舶中的应用研究

GNSS拒止环境下惯性/GNSS组合导航系统的性能会严重恶化,通过利用并提取机会信号中的有用观测量,可以实现机会信号和惯性系统的联合动态定位。提出了利用铱星/INS组合定位技术实现船舶的动态定位。首先深入研究了铱星的信号体制,建立了利用铱星瞬时多普勒频移进行定位的算法模型;然后,提出了利用基于扩展卡尔曼滤波(EKF)技术的铱星机会信号与INS组合定位算法;最后,通过船舶航行实测数据对所提算法进行了试验验证。结果表明,提出的利用铱星机会信号和INS组合定位方法可以有效改善无GNSS信号条件下的INS定位精度,在GNSS信号拒止环境下解决了船舶定位问题,具有重要的研究意义和实用价值。     

轨道预测辅助GPS载波跟踪技术用于低轨道卫星定位研究

针对低轨道卫星及其特定的运动环境,研究了星载GPS接收机载波跟踪问题。基于卫星轨道可模化、可预测的特性,提出了利用预测卫星轨道计算多普勒频移,并用于辅助载波环路跟踪的新方法。该方法有效地降低了低轨道卫星GPS信号跟踪中的动态,从而在跟踪过程中可以采取降低环路阶数、减小环路带宽、增加预检测积分时间这几种措施来提高环路跟踪弱信号的能力,有助于提高低轨道卫星的定位性能。     

北斗导航接收机频率稳定度传递算法

为了提高北斗导航接收机的灵敏度,提升其弱信号跟踪能力,通常需要利用长时间的相干积分来提高环路信噪比。但是,当相干积分时间加长到一定程度时,环路性能反而有所下降,信噪比提升也不能达到理论值。针对由剩余频率误差和晶振误差引起的相干积分能量损失问题,主要研究了频率偏差对环路跟踪性能的影响,并提出了利用频率稳定度传递策略辅助弱信号跟踪的方法,解决了北斗导航接收机弱信号跟踪性能提升的问题,最大程度地改善了相干积分的效果,实现了对弱信号的跟踪。利用软件接收机平台对提出的频率稳定度传递算法进行验证,仿真结果表明该算法可使环路信噪比提升4dB ~5dB,充分说明了其可行性及有效性。     

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。     

基于检测前跟踪的超视距雷达微弱目标检测方法

天波超视距雷达（over-the-horizonradar,OTHR）通过快速傅立叶变换（FFr）实现相干积累,再利用常规的方法进行目标检测。但这种方法在弱目标、低信噪比的情况下效果并不好。本文提出了一种基于检测前跟踪（track-before-detect,TBD）的OTHR弱目标检测方法,利用数学形态学对每帧弱目标回波信号进行滤波,再通过动态规划方法进行检测。仿真结果表明,该方法能够有效地提高OTHR对弱目标的检测能力,运算效率高,实用性强。     

基于PD处理技术的雷达弱信号检测方法

针对脉冲跟踪测量雷达普遍存在的远距离弱信号检测能力不足的问题,基于PD（PulseDoppler,脉冲多普勒）雷达的杂波抑制与信号处理技术,提出脉冲雷达中的弱信号检测方法;详细分析了在脉冲跟踪测量雷达中应用PD处理技术的可行性,得出在一定约束条件下,可将PD处理技术运用于脉冲跟踪测量雷达,并提出了具体实现方法;最后,通过数据仿真和脉冲雷达实际测量数据进行验证,结果表明该方法能有效提高信噪比。     

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.     

Multi-objective approach in GNSS code discriminator design

In spread spectrum ranging system receivers such as the Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers, a discriminator is used in the code tracking loop to provide an error signal for the tracking of incoming signals. Typically, the discriminator manipulates several correlator outputs to form the correction signal. A multi-objective approach is adopted here to design the coefficients associated with a multi-correlator-based discriminator to lead to a better performance tradeoff in large tracking range, acceptable multipath-induced bias, high sensitivity, free of ambiguity, and small variance. It is shown that the multiple-objective problem can be tackled via a quadratic/linear programming method, rendering the optimal coefficient vector for the implementation of the discriminator. In addition, as the discriminator design is often subject to conflicting requirements, it is shown that the proposed design approach is capable of establishing bounds on achievable performance. Examples with respect to BPSK (binary phase-shift keying) NRZ (nonreturn-to-zero), and BOC (binary-offset carrier) signals are given to illustrate the design approach.     

A high dynamics algorithm based on steepest ascent method for GNSS receiver

High dynamic conditions impose critical challenges on Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers, leading to large tracking errors or even loss of tracking. Current methods that intend to improve receivers’ adaptability for high dynamics require either complicated structures or prior statistical information of noises. This paper proposes a high dynamics algorithm based on steepest ascent method that can circumvent the deficiencies of existing methods. First, the relationship between the error of carrier tracking and the maximum of Fast Fourier Transform (FFT) outputs is established, and a performance function based on the steepest ascent method is designed. It can keep stable in high dynamics. Second, a new carrier-tracking loop is constructed by deploying the performance function. When the variation of GPS receiver acceleration ranges from 10 g to 100 g, compared with the PLL that either loses lock or keeps tracking accuracy less than 33.89 Hz, the experimental results show that the proposed method can not only keep tracking, but also achieve tracking accuracy more than 2.77 Hz.     

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。     

基于鉴相器的矢量跟踪环设计

基于鉴相器的矢量跟踪环是锁定导航卫星码和载波的一种跟踪算法,这种算法适合于在弱信号环境下进行跟踪。矢量环不仅充分利用信号跟踪和导航状态解算之间的内在耦合关系,而且每一通道中采用鉴相器和锁频环结合的方式,系统一步内完成信号跟踪和导航解算任务。反馈控制量NCO是由导航滤波器和环路内部滤波器共同产生。实验表明,矢量跟踪环具有快速重捕获特性,能够在弱信号的环境下运行,比起传统环路有更小的跟踪误差。     

加速度冲击对卫星接收机性能影响

基于加速度对晶体振荡器输出频率的影响,研究了加速度冲击对卫星接收机性能的影响。首先,利用ANSYS软件仿真分析了加速度冲击作用对石英晶体形变的影响过程,在此基础上建立加速度冲击环境下卫星接收机参考源晶振的频率偏差数学模型;接着,分析在加速度冲击下由参考晶振频率偏差对接收机射频前端输出中频信号的影响,并结合卫星接收机的工作原理阐述了加速度冲击对其跟踪性能的影响。仿真结果表明,加速度冲击会使接收机跟踪环路的性能恶化,时间较长会引起跟踪环路失锁。     

406 MHz ELT signal spectra for SARSAT

The signal format and spectral properties of the 406-MHz emergency locator transmitter (ELT) used in the search and rescue satellite aided tracking (SARSAT) system are examined. The ELT improves location estimate accuracies and can relay information about the particular aircraft and its problem, by means of the digitally modulated message fields. It is shown that due to the RF signal frequency characteristics and the Doppler shift, processing must be performed over a frequency band of approximately 25 kHz. Through the use of the fast Fourier transformation (FFT), the frequency spectrum of the ELT is analyzed, taking account of effects due to noise, multiple simultaneously received signals, and Doppler shift. It is demonstrated that the FFT provides an effective means for detecting and recognizing the presence of one or more ELT signals over this 25-kHz frequency band. Some recommendations are made to improve the spectral characteristics and the performance of the ELT     

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。