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。     

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.      

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.     

“嫦娥4号”中继星开环测速方案设计与试验验证

针对深空探测器轨道测量任务高精度测速需求,提出了一种开环测速方案。首先,采用窄带模式对深空探测器下行信号进行采集记录,利用傅里叶变换+线性调频Z变换+本地重构相关联合信号处理方法,对探测器主载波信号进行处理,自适应提取探测器主载波频率;然后,基于主载波频率获取反映探测器相对于测站速度运动关系的多普勒频率,并评估多普勒频率的随机噪声水平;最后,将基于本文的多普勒频率与深空站测速基带多普勒频率、累积载波相位测速多普勒频率进行比对,并将3种多普勒频率输入探测器联合定轨程序,进一步评估本方案获取的多普勒测速绝对精度。基于"嫦娥4号"中继星在轨实测试验数据分析表明:所获得的多普勒频率提取精度为10 m Hz,优于深空站基带测速多普勒频率与累积载波相位测速多普勒频率精度;联合定轨表明:多普勒测速绝对精度为0.2 mm/s,有效验证了深空开环测速技术,为后续深空探测器轨道联合测量系统研制奠定了技术基础。     

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。     

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。     

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%.     

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.      

基于边频相对能量和的柱塞泵磨损状态识别

摩擦磨损是飞机柱塞泵典型的渐进性故障,因磨损量难以直接测量,通常采用振动信号进行间接测量.磨损引起的振动信号故障特征微弱,对磨损状态进行准确地识别比较困难.针对上述问题,提出了基于谐波分量边频相对能量和的磨损状态识别方法,该方法对壳体振动信号进行Hilbert包络解调消除高频周期干扰,得到清晰的谐波分量,在各谐波分量的特定边频区间内计算最大能量与平均能量的比值并求和,将该值作为新的特征量来表征柱塞泵的不同磨损状态,利用网格法对边频区间范围寻优.结果表明,边频相对能量和相比传统的特征频率能量对磨损状态的区分度更高,适于磨损状态识别.      

脉冲多普勒主动引导头自动化单元测试系统

叙述了脉冲多普勒主动导引头自动化单元测试系统的研制及其工作原理.实践表明,该测试系统能够自动设置导引头和测试设备的各种状态,自动完成各种复杂的测试过程,实时显示关键参数曲线,并自动生成记录文件;而且还能自动记录产品各部分的加电时间和过程,使导引头的调试和测试过程大大简化.该系统具有以下特点①模拟信号的延迟、多普勒频率、功率和噪声,且全部实现程序控制.采用晶振、分频等数字电路形成的多普勒频率、脉冲延迟,其准确度高、稳定性好,易和计算机联系.性能指标先进,使用非常方便.②模拟信号具有宽带特点,对不同点频的导引头,频率范围都可覆盖.③目标信号模拟器嵌入微处理器和接口电路,地面测试计算机通过RS-422接口和模拟器交换信息,并控制测试设备的工作状态,完成自动化测试.④控制台按特定程序加电,设有多项自动保护功能.     

激光多普勒测速系统自适应阈值检测算法

信号检测是激光多普勒测速(LDV)系统实现高精度的关键技术,针对LDV中微弱多普勒信号的检测,本文从噪声在频域中的统计特性出发,对多普勒信号进行带阻滤波,结合雷达的恒虚警(CFAR)检测技术,设计了基于频域的单元平方和自适应阈值检测算法以解决在低信噪比(SNR)的环境中LDV的信号检测问题,提高LDV的信号探测能力,同时降低其虚警概率。仿真与实验的结果表明:该算法与固定阈值相比可以在SNR为-12 d B时实现信号的完全检测,保持低虚警概率,运算简单,工程适用性强。     

GPS L5信号捕获方法的研究

L5信号是全球导航定位系统(GPS)新增的一种民用导航信号,它具有码速率更高、码长更长的特点。在星载高动态环境下,采用传统方法捕获L5信号捕获时间过长,因此文章提出了一种匹配滤波结合快速傅立叶变换(FFT)的捕获方法,该方法能够同时搜索码相位与载波多普勒频率,从而加快了捕获速度。理论分析和仿真结果表明,这种捕获方法适用于码长较长、多普勒频移较大的环境,通过对各种码长分段方式的分析比较,文章选出一种最合适的分段参数,能够满足L5信号的捕获要求,最后采用FPGA对该方法进行了硬件设计,验证其硬件可实现性。     

卫星导航系统功率增强对接收信号质量的影响分析

GPS现代化计划在L1和L2两个频点上增加具有点波束增强功能的M码导航信号. 以GPS L1 M码信号为例, 从频谱重叠、接收信号等效载噪比两方面分析GPS L1 M码信号功率增强对其他导航信号质量的影响. 分析结果表明, GPS L1 M码信 号增强幅度在20dB以内时, 可以明显提升增强信号的抗干扰性能, 引起其他信号等效载噪比恶化量小于2dB; 信号增强幅度超过20dB后, 将导致其他信号质量迅速下降, 功率增强信号等效载噪比达到某一极值后将不再增加.      

三轴一体轻小型光纤陀螺仪的时序设计

由于光纤陀螺敏感环绕制过程中不能精确控制光纤长度,要求时序产生电路必须在不改动硬件的前提下能跟踪由敏感环光纤长度决定的光纤陀螺特征频率.利用相关检测理论,分析了调制解调信号频率准确度对陀螺标度因数误差的影响.针对三轴一体轻小型光纤陀螺仪,在满足现场可编程逻辑器件(FPGA)专用资源约束的条件下,使用一片FPGA完成了三轴调制解调信号时序的设计,并计算了其在中精度范围内跟踪特征频率的精度.实验结果表明:时序设计满足三轴一体轻小型光纤陀螺仪对调制解调信号频率准确度的要求.