一种高动态频率跟踪环路的数字实现与分析

在弹载无线制导系统中,由于导弹的高动态特性,导致接收机所接收信号具有显著的多普勒频移。围绕载波频率跟踪环路的研究多在低动态环境下开展。针对高动态、低信噪比环境下接收信号的载波捕获与跟踪问题,提出了一种结合频率修正环节的载波频率跟踪环路,并重点分析了环路中叉积自动频率跟踪算法和高阶环路滤波器的特点。实验结果表明了该环路能够完成高动态环境下的频率跟踪。     

一种高动态频率跟踪环路的数字实现与分析

在弹载无线制导系统中,由于导弹的高动态特性,导致接收机所接收信号具有显著的多普勒频移。通常围绕载波频率跟踪环路的研究多在低动态环境下开展。针对高动态、低信噪比环境下接收信号的载波捕获与跟踪问题,提出了一种结合频率修正环节的载波频率跟踪环路,并重点分析了环路中叉积自动频率跟踪算法和高阶环路滤波器的特点。实验结果表明该环路能够完成高动态环境下的频率跟踪。     

GPS软件接收机原理样机设计与实现

为了满足GPS/INS(Global Positioning System/Inertial Navigation System)超紧组合导航系统研究的需要,克服硬件接收机参数固定,适应性差的弱点,设计了一种参数可调、灵活控制的GPS软件接收机.采用GPS L1频率的中频采样信号,运用FFT(Fast Fourier Transform)频域捕获算法和锁相环与锁频环相互辅助的载波环路,实现了信号捕获、码环和载波环路跟踪、导航电文提取与解码、伪距及导航定位解算,并与NovAtel公司的FlexPax型硬件接收机进行了比较.跑车测试结果表明,该GPS软件接收机捕获迅速、跟踪准确,导航定位精度小于10m,动态抗干扰能力明显优于一般GPS硬件接收机,适合于GPS/INS超紧组合导航系统的应用.     

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。     

扩频信号捕获过程中信息比特跳变对载波频率估计的影响

扩频信号捕获过程中,信息比特跳变会使积分增益下降,载波频率估计出现偏差,导致捕获概率降低,捕获时间增长。分析了在码相位对齐的情况下,信息跳变发生在不同位置时,积分结果最大点处对应的载波频率与实际载波频率的差值。分析结果表明,信息跳变位置确定后,频率的差值与积分时间T成反比,最大可以达到0.75/T Hz,可能超出载波跟踪环路的牵引范围,进而导致环路不能入锁。针对此问题,提出了一种简便的解决方法。     

跳频对DS／FH接收机载波跟踪精度影响分析

面对日益复杂的电磁环境,将DS/FH混合扩频技术引入航天测控领域是一种尝试.针对DS/FH信号的特点,推导了航天测控背景下的DS/FH混合扩频系统接收机关键节点的数学模型,分析了航天测控应用中由于DS/FH混合扩频信号的相邻跳频频率不同导致附加在载波上的多普勒频率跳变和载波初始相位跳变对混合扩频接收机捕获跟踪的影响,重点分析了载波多普勒频率跳变和载波初始相位跳变对接收机载波跟踪精度的影响;提出了一种减小由于跳频载波初始相位不确定造成相关累积能量损失的方法,并利用跳频图案辅助降低了跳频对混合扩频接收机载波跟踪精度影响,仿真验证了该方法的有效性.     

导频脉冲载波频率的快速捕获与跟踪

针对短时导频脉冲载波频率的同步问题,提出一种快速捕获和跟踪方法.该方法采用相位推算法进行快速载波频率初估计,完成频率的捕获.相位推算法首先利用最小二乘法估计实采样点的相位,再应用相位解卷、一元线性回归和最小二乘法拟合求取信号频率的估值,其测频精度优于常用的Prony算法,在高信噪比情况下逼近实正弦信号的Cramer-Rao界.应用数字下变频和Kay算法实现频率的跟踪,通过建立仿真模型,验证其跟踪精度优于叉积自动频率控制环.在给出的设计实例中,对于脉宽为1ms的导频脉冲,在信噪比大于13dB的情况下,环路频率跟踪的最大误差小于3Hz.      

智能GPS软件接收机载波跟踪环路设计

传统的GPS接收机设计较为固定,用户不能改变接收机各类参数以适应不同导航信号处理的需要.而软件接收机只需做较小改动就可以适应不同信号,能够迅速分析、仿真、实现各类算法.在GPS软件接收机的基础上,利用鉴频器辅助鉴相器的输出,引入一个模糊逻辑控制器,使得环路能够智能跟踪GPS信号的动态变化.实验结果证明所提出的设计方法与传统环路相比可大幅度缩短跟踪时间,减小环路滤波器带宽,并能消除周跳.      

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.      

SINS辅助GPS跟踪环误差分析与最优带宽设计

SINS(Strapdown Inertial Navigation System)辅助GPS(Global Positioning System)跟踪环路的结构设计是SINS/GPS超紧组合系统实现的主要环节,而环路带宽是决定不同误差源作用下GPS跟踪环路性能的关键.首先对SINS/GPS超紧组合系统中影响载波锁相环(PLL,Phase Lock Loop)跟踪性能的各误差源进行了详细的建模与分析,进而设计了一种最优环路带宽的调节方法.该方法基于最小化跟踪误差的准则,根据接收机检测到的信号载噪比实时调节PLL带宽,以使环路保持最优跟踪状态.结果表明,所设计的最优环路带宽调节方法能够有效提高SINS辅助PLL的抗干扰性能与跟踪精度.     

高动态GPS信号C/A码捕获方案及实现

为检测高动态GPS(Global Positioning System)信号,需要设计码环及载波环捕获与跟踪数字系统.尽量缩短盲捕时间,快速捕获到信号,是研制高动态GPS接收机技术的关键,而GPS信号C/A码的快速捕获是码跟踪和载波捕获与跟踪的基础.主要讨论了在高动态GPS信号C/A码捕获中,并行搜索法和串行搜索法的原理与实现,并结合GEC公司的十二通道相关器GP2021,给出基于DSP(数字信号处理器)技术用串行搜索法捕获高动态GPS信号C/A码的算法实现.     

GPS/INS超紧组合载波跟踪环路最优带宽在线设计

在全球定位系统和惯性导航系统组成的超紧耦合系统中,卫星信号的跟踪性能直接取决于载波跟踪环路的带宽。为提高最优带宽的计算精度,在对惯导辅助下载波跟踪环路跟踪特性进行分析的基础上,详细推导了载波多普勒频率估计误差、多普勒频率变化率估计误差的计算方式,建立了惯导辅助下的环路跟踪误差模型;在实时估计跟踪载噪比的基础上,应用离散牛顿二阶梯度法迭代解算最优带宽,并进行实时调整。仿真结果表明,所设计最优带宽迭代解算方法的计算精度能够在11次迭代内达到99.6%,以此作为环路的带宽,能够在弱信号、辅助信息精度较低的情况下有效提高环路的跟踪精度。     

GALILEO接收机中BOC(1,1)信号的捕获

BOC(1,1)(Binary-Offset-Carrier)信号相关函数中的零值会使接收机判定没有捕获到信号.为了完全捕获到BOC(1,1)信号,从副载波相位和码相位角度出发,提出了一种3路并行捕获方法.通过数字仿真得到了BOC(1,1)和扩频码的相关函数图,比较了二者相关函数的峰值.推导了BOC(1,1)相关函数的解析式,给出了相关函数中的零点位置和峰值位置,比较了BOC(1,1)和扩频码的相关函数数值及捕获.3路本地BOC信号以其中一路相位为基准,另外2路相位分别超前、滞后该路.给出了3路本地信号的生成方法及捕获的结构框图.仿真结果表明,捕获码相位差在半个码片内时,BOC(1,1)信号的捕获率从33.3%提高到100％,码相位捕获范围从1/6码片增大到1/2码片.该方法可为跟踪环路提供相位信息,适用于BOC(n,n)信号的捕获.      

电离层不规则结构对GPS性能的影响

电离层不规则结构的存在可引起无线电信号的幅度和相位发生随机起伏, 这 种电离层闪烁现象会影响全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的 性能, 降低定位精度, 严重时导致信号失锁. 电离层不规则结构对GPS性能的 影响涉及电离层物理、接收机设计和表征卫星几何分布的精度衰减因子(Dilution of Positioning, DOP)等多方面因素. 本文通过对表征电离层不规则结构参数 的分析, 根据GPS接收机跟踪环路和闪烁信号模型, 综合研究了电离层闪烁对 GPS接收机载波跟踪环和码跟踪环跟踪误差的影响; 结合实际观测, 评述 了电离层不规则结构对单频和双频GPS接收机定位性能的影响, 在此基础上 提出了有待深入研究的问题及具体建议.      

DS/FH混合系统快速同步的研究

对于DS(Direct Sequence)/FH(Frequency Hopping)混合系统,提出了一种快速同步方案.同步包括捕获和跟踪两个阶段,在捕获阶段,利用快速频率识别方法对接收信号频率进行估计,实现混合系统的快速捕获;在跟踪阶段,根据获得的接收信号频率信息,等待在某一个特定的频率,通过直扩信号的捕获、跟踪、解调过程,获取接收信号的跳频同步信息,从而实现混合系统的快速同步.建立了DS/FH混合系统同步过程的数学模型,推导出采用该方案平均捕获时间表达式以及等待搜索同步法平均捕获时间计算公式.在高斯白噪声环境下,仿真结果证明了方案的有效性,在E_c/N₀=-15?dB时,通过合适的门限选取,混合系统的最小平均捕获时间可以缩短为一般常用等待搜索同步法的1/4.     

软件GPS接收机架构与捕获算法实现

为了将软件无线电技术应用于全球定位系统GPS (Global Positioning System)接收机,提出了一种符合目前硬件技术水平的软件GPS接收机设计架构;分析了软件GPS接收机信号捕获方法的要求;采用循环相关算法作为软件GPS接收机的信号捕获算法,在Matlab仿真环境下实现了相应的捕获程序,并使用GPS卫星C/A码信号采集数据进行了初步验证;初步验证结果表明这种捕获算法能够为软件GPS接收机提供快速捕获能力,同时不损失信号搜索的灵敏度,是一种适用而高效的软件GPS接收机捕获方法.      

基于副载波跟踪的BOC信号跟踪环路设计

针对二进制偏移载波(BOC,Binary Offset Carrier)调制信号跟踪的模糊性问题,提出了一种新的基于副载波跟踪的环路结构.通过增加副载波跟踪模块,对副载波和扩频码进行分离跟踪,解决了BOC信号跟踪的模糊性问题;针对副载波信号周期性的特点,以正弦波作为本地信号,利用锁相环实现对副载波的稳定跟踪.通过软件仿真,分析对比了该环路的码跟踪误差、跟踪门限和平均失锁时间 (MTLL,Mean Time to Lose Lock)等性能指标.结果表明,新的环路结构能在保证跟踪精度的前提下,提高对弱信号的跟踪性能,具有较高的环路稳定性.      

基于圆周相关扩频信号的快速捕获改进方法

针对大多普勒频偏、低信噪比条件下长周期伪码的扩频信号捕获问题,提出了一种基于圆周相关扩频信号的快速捕获改进方法。该算法对圆周相关后的结果利用快速傅里叶变换(FFT)进行频率估计,扩大了传统圆周相关法的扫频步进,使扫频步进不再受跟踪环路带宽的限制。理论分析及仿真结果表明,在信噪比为-34 dB、多普勒频率为500 kHz条件下算法可以正确地估计出伪码相位和多普勒频偏。在达到相同的灵敏度条件下,所提算法的平均捕获时间与传统的圆周相关法相比缩短了约47%,与基于FFT的并行频率搜索法相比缩短了约88%。另外,用于频率估计的FFT点数仅占圆周相关点数的1%,故额外增加的硬件资源很少。算法逻辑控制简单,尤其适用于大多普勒频偏、低信噪比及长周期伪码的卫星通信系统。     

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。     

一种惯性信息辅助下的GPS快捕方法

全球定位系统(GPS,Global Positioning System)信号的捕获时间直接影响高动态环境下GPS接收机的使用性能.在分析传统的外部信息辅助GPS捕获方法的基础上,提出了一种在惯性信息辅助下进行快速捕获的方法,该方法由粗捕获和精捕获构成.详细分析了该方法的实现方法和性能,进行了MATLAB/Simulink系统级仿真及蒙特卡罗仿真试验.仿真结果表明:在保证码相位捕获精度和提高频率分辨率的前提下,运用该方法可以显著缩短GPS接收机搜索捕获的时间,提高接收机的动态性能,相对无外部信息辅助的情况总捕获时间缩短至2%~3%.