一种高动态环境下卫星扩频信号的快速捕获方法研究

现代卫星导航及测控应用对接收机在高动态环境下实现测量通信提出了迫切需求。为了解决大多普勒频偏扩频信号的快速捕获问题,提出了一种在频域并行搜索码相位及多普勒频偏的双频域快速捕获方法。采用双块补零算法将长的相关积分操作分割为多个短的相关积分操作,然后采用快速傅里叶变换进行圆周相关,大大节约了处理时间,利用频域圆周移位与时域载波剥离等价的原理,大幅提高了频率搜索效率。与时域相关算法和单频域计算方法相比,在捕获灵敏度不变的条件下,该方法将计算量减少90%,显著提高了运算速度,适合高动态环境下扩频信号的快速捕获。该方案应用于星载接收机平台FPGA实现,测试结果表明该方案可以在0.1s内完成±500kHz频偏下扩频信号捕获。     

卫星扩频应答机的伪码快捕方法

在低地球轨道通信系统中,由于系统的高动态,使扩频应答机接收的信号附加了几十千赫兹的多普勒频移,传统的伪码捕获方法很难完成捕获.对此提出了一种部分相关和FFT(Fast Fourier Transform)相结合的捕获方法,利用FFT补偿多普勒造成的相关峰损失,在搜索码相位的同时得到多普勒频移的估计,减少了捕获时间.给出了捕获系统的结构,分析了FFT对相关峰的补偿性能,给出了部分相关和FFT的参数设计方法,使用了自适应门限技术,以满足输入信号载噪比大幅变化的情况下实现伪码的捕获判决.理论分析和仿真结果表明:该方法可以在高多普勒频移和低载噪比环境下实现伪码的快速捕获,比其他快捕方法占用更少的FPGA(Field Programmable Gate Arrays)资源.     

时频域并行捕获算法

针对DS/FH(Direct Sequence/Frequency Hopping)混合扩频测控信号的快速捕获,经典的时域并行方法或频域并行方法已不能满足需求.为了进一步提高载波捕获精度,在PMF-FFT(Partial Match Filter-Fast Fourier Transform)算法基础上,提出了一种反馈式结构的时频域并行捕获算法,通过PMF-FFT算法粗估载波频偏,利用一种Quinn频率插值算法提高频偏估计精度,并使用估计结果调整本地载波,再次进行捕获.理论分析和仿真结果表明,该算法与PMF-FFT算法相比,提高了载波捕获精度,在大频偏低信噪比条件下增加了频率分析带宽、减少了平均捕获时间.     

时频域并行捕获算法

针对DS/FH(Direct Sequence/Frequency Hopping)混合扩频测控信号的快速捕获,经典的时域并行方法或频域并行方法已不能满足需求.为了进一步提高载波捕获精度,在PMF-FFT(Partial Match Filter-Fast Fourier Transform)算法基础上,提出了一种反馈式结构的时频域并行捕获算法,通过PMF-FFT算法粗估载波频偏,利用一种Quinn频率插值算法提高频偏估计精度,并使用估计结果调整本地载波,再次进行捕获.理论分析和仿真结果表明,该算法与PMF-FFT算法相比,提高了载波捕获精度,在大频偏低信噪比条件下增加了频率分析带宽、减少了平均捕获时间.     

高动态环境扩频系统伪码延时的精确估计方法

针对在高动态环境直接扩频系统伪码延时测量所遇到的问题,分析了多普勒频移对伪码延时的影响.利用扩展卡尔曼算法(EKF)对高动态直接扩频信号的载波相位和频率进行了估计,并利用载波辅助技术测量载波相位的变化值来校正伪码延时环,减小多普勒频移对伪码延时的影响,得到了精确的延时估计值,提高了伪码延时锁定环的动态跟踪性能.     

基于多伪码周期的直扩快速捕获新方法

一般高动态扩频接收系统中用于快速捕获的FFT运算主要是在频域或者码域中的一个域进行,在另一个域中步进搜索,而步进造成捕获时间成倍增加。通过在一个数据周期内嵌入一定数量的伪码周期,提出一种能同时在频域和码域中应用FFT进行并行捕获的新方法。仿真表明该方法捕获时间短、精度高。     

基于混沌振子阵列的扩频信号捕获方法

在低信噪比下提出了结合混沌振子阵列及相干相关实现对扩频信号的捕获方法．针对混沌振子的数学模型,用混沌系统的相轨迹特性来分析对扩频信号的捕获过程,以Lyapunov指数（LE）作为实现捕获及提取载波多普勒频率的判断依据,再由跟踪环路完成对扩频码相位的跟踪．对DSSS／BPSK仿真结果表明,本方法可以实现扩频信号快速捕获,同时提高了捕获概率及检测灵敏度。     

GNSS弱信号两级快速傅里叶变换捕获方法

高动态弱信号条件下,为了提高捕获过程实现的灵活性,提出了两级快速傅里叶变换(FFT)多普勒频率捕获方法,第一级FFT使用较短的相干积分时间将多普勒频率搜索范围划分为多个粗分格,第二级FFT在每一个分格内对多普勒频率进行更精细的搜索.采用文章提出的捕获方法,可以降低FFT点数,简化实现复杂度;另一方面,计算第一级FFT时可通过流水线操作提高资源利用率.为了验证所提方法的正确性,仿真实现了两级FFT捕获方法.结果表明,两级FFT方法能在高动态弱信号条件下正确捕获多普勒频率.     

基于频偏校正的频率估计算法误差分析

介绍了基于频偏校正的频率估计算法原理,给出了算法在高斯白噪声背景下进行复正弦信号频率估计的标准差计算公式.在采样点数为N的情况下,对m的取值进行优化,得到当m取最接近N/3的整数时,算法的标准差达到最小值.Monte Carlo仿真试验结果表明:m取最接近N/3的整数时,频偏校正算法的标准差小于比值法(加汉宁窗)和相位差法,且在偏离FFT(Fast Fourier Transforms)离散谱线的频率变化范围内比较平缓.当信噪比较大时,优化取值后的算法标准差比m取最接近N/2的整数时小,且更加逼近克拉美-劳下限.     

基于自相关及相位差法的高精度频率估计算法

为提高高斯白噪声背景中正弦信号的频率估计精度,对基于自相关运算的频率估计算法的相关长度m进行了推导,得到了m的优化值与信噪比的关系式.当信噪比较高时,m的最优值为N/3(N为信号采样点数);信噪比较低时,m的最优值为N/2.通过对自相关法及分段FFT(Fast Fourier Transforms)相位差法特性的分析,提出了一种性能更优的频率估计综合算法. Monte Carlo仿真实验表明:新算法吸收了两种算法的优点,克服了其不足,在更大的信噪比范围内具有较高的频率估计精度,且计算量也较小.      

一种低信噪比条件下的深空探测载波捕获算法

针对深空测控通信系统中,接收端收到的载波信号信噪比极低的特点,提出了一种时分复用的二维FFT载波捕获方法。该方法在降低资源消耗的情况下,能够有效实现低信噪比条件下的载波捕获。仿真实验表明,使用此种方法,能够在载噪比为17 dBHz的条件下,完成对载波频偏最大为100 kHz、载波频率变化率最大为100 Hz/s的载波信号的快速捕获,是一种兼顾性能和工程应用的捕获方法。     

一种高动态直扩接收机快速码捕获方法

对于工作在高动态环境下的扩频接收机,在基于数字匹配滤波器的基础上,提出了一种高折叠倍数匹配滤波器和FFT相结合的捕获方法,将传统的基于信号载波频率和码相位的二维搜索过程变为基于码相位的一维搜索过程.给出了32折叠匹配滤波器在FPGA中的实现框架,通过对折叠倍数和占用系统资源的关系的仿真,可以看出,折叠倍数越大,占用系统资源越少.当输入信号的信噪比在-20 dB时,比传统采用二维搜索捕获方法的捕获速度有很大的提高.由于该方法具有捕获速度快和占用系统资源少的特点,经实际验证适用于高动态环境下的快速码捕获.      

高动态环境下GPS信号捕获研究

高动态环境信号的捕获是GPS接收机的关键技术,接收机处于高速运动的状态使GPS信号产生相位延迟和多普勒频移,增加了信号的捕获难度。分析了滑动相关捕获和基于FFT捕获两种算法,给出了基于FFT捕获算法的FPGA实现架构,并采用GPS信号仿真器对该设计的可行性进行了捕获验证。结果表明：在导航星相对载体的速度为1 000m/s,加速度为5g的情况下,基于FFT捕获算法可以实现信号的可靠捕获。     

利用GPS实现高轨卫星定位的抗远近效应算法

针对GPS应用于高轨卫星定位面临的远近效应问题, 提出利用正交相关的联合极大似然估计算法来对GPS信号进行二维搜索, 可以得到正确的码延时及多普勒估计. 极大似然估计算法首先利用滑行相关法对仿真信号中的强信号进行搜索, 得到强信号模型, 然后利用正交相关去掉强信号, 最终实现对弱信号的正确捕获. 本文对高轨卫星接收到的GPS信号进行了功率分析, 并建立了信号模型, 进行了算法仿真. 结果表明, 这种估计算法能够提高二维搜索性能, 有效解决远近效应问题.      

一种数字化DS/BPSK扩频接收机

介绍一种新型数字化DS/BPSK(Direct Spread/Binary Phase Shife Keying)扩频接收机的设计.该接收机采用专用数字相关器为核心的硬件设计,并结合数字处理算法完成扩频信号的解调.技术上采用串并组合的伪码捕获、科斯特环载波跟踪、延迟锁定环伪码跟踪等方式,可通过软件算法灵活实现.该接收机具有综合性能强,及软件接口灵活的特点,可有效地应用于基于码分多址的多目标测控系统中.     

GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现

为了检测GPS(Global Positioning System)信号,设计了码环及载波环捕获与跟踪数字系统.序贯搜索与窄间隔超前-滞后型数字延迟锁相环的采用,保证了码相位的可靠捕获与精确跟踪,四相鉴频器、叉积自动频率跟踪算法及科思塔环载波相位跟踪算法的结合,既保证了载波频率(多普勒频移)的捕获速度,又使环路能有效地跟踪频率/相位变化,获得较好的动态性能与噪声性能.控制算法及参数确定的软化实现使系统具有较好的灵活性.基于扩频相关器与数字信号处理器的数字系统验证了上述方案的正确性及有效性.      

中国全球卫星导航信号基本框架设计

中国的全球卫星导航信号设计必须遵循许多约束条件,具备国际可协调性,导航信号的服务类型、载波中心频率、调制方式和伪随机码序列均需参加与GPS、Galileo进行的频率协调。依据参加与GPS频率协调的参考假设文件,描述了中国的全球卫星导航信号结构、基本参数、公开导航信号的伪随机扩频码序列和二次编码序列,计算表明伪随机扩频序列的性能与GPS信号伪随机扩频序列性能相当。     

航天GPS接收机信号搜索捕获策略

航天GPS接收机的无辅助冷启动时间是一项重要指标,研究近地轨道应用的12通道C/A码导航型接收机减小冷启动时间的方法.分析GPS信号的多普勒频率和伪码相位搜索方法、捕获检测器及其参数选择、多普勒频率搜索步长和伪码搜索速率, 得到多普勒频率搜索步长为500?Hz,伪码搜索速率为475码元/s.研究轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率等因素对多普勒频率搜索范围的影响.阐述根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法.分析和仿真结果表明,根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法,可将冷启动时间减少25%~30%,影响多普勒频率搜索范围的因素按程度依次为:轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率,再考虑这些因素时可将冷启动时间减少25%~40%.     

低轨星座短报文通信中的扩频信号二维快捕优化与实现

极弱信号、大多普勒动态变化条件下的接收机抗干扰、快速捕获同步技术是低轨卫星短报文数据通信的研究难点.本文首先分析了多普勒特性对低轨卫星扩频信号快捕的影响,讨论了现有各种捕获策略的优缺点.在此基础上提出双倍采样、补零的部分匹配滤波与快速傅里叶变换相结合的二维并行快速捕获优化设计方案,并进行了性能仿真分析,最后结合面向判决的同步技术,给出接收机原理样机捕获时间的实现结果.在给定前导码条件下,优化后的二维并行捕获平均时间为10 ms,远低于常规扩频码并行捕获的秒量级捕获时间,可以较好地满足低轨卫星星座全球短报文数据突发通信及随遇接入需求.     

低轨星座短报文通信中的扩频信号二维快捕优化与实现

极弱信号、大多普勒动态变化条件下的接收机抗干扰、快速捕获同步技术是低轨卫星短报文数据通信的研究难点.本文首先分析了多普勒特性对低轨卫星扩频信号快捕的影响,讨论了现有各种捕获策略的优缺点.在此基础上提出双倍采样、补零的部分匹配滤波与快速傅里叶变换相结合的二维并行快速捕获优化设计方案,并进行了性能仿真分析,最后结合面向判决的同步技术,给出接收机原理样机捕获时间的实现结果.在给定前导码条件下,优化后的二维并行捕获平均时间为10 ms,远低于常规扩频码并行捕获的秒量级捕获时间,可以较好地满足低轨卫星星座全球短报文数据突发通信及随遇接入需求.