辅助型GPS接收机中伪码相位延时及其不确定度估计算法研究

快速捕获卫星信号是研制辅助型GPS (A-GPS)接收机所必须解决的一项关键技术. 针对A-GPS接收机能从辅助数据中获取有效星历的特点, 本文提出了一种伪码相位延时及其不确定度估计算法. 该算法在对建立的信号发射时刻方程泰勒展开的基础上, 利用辅助信息建立了伪码相位延时及其不确定度估计方程. 分析和仿真表明, 提出的算法能有效压缩剩余卫星伪码相位延时不确定度, 加快A-GPS接收机的捕获速度.      

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.      

同步式GPS欺骗干扰信号生成技术研究与设计

出于对"低、慢、小"无人机进行导航定位诱骗的实际需求，在实验室原有的异步生成式GPS欺骗干扰源的基础上，研制了一种小型化的同步生成式GPS欺骗干扰源。首先，在异步生成式GPS欺骗干扰源射频信号模型的基础上，考虑到干扰源信号处理延时、欺骗信号的传播延时、无人机上目标接收机所接收真实卫星信号状态以及无人机运动模型，建立了对同步欺骗信号仿真时间和状态参数进行精确计算的数学模型。其次，通过本地授时型接收机提供驯服后的基准时钟和秒脉冲（1PPS）信号，实现欺骗干扰信号与真实卫星信号系统时的同步，并通过高阶直接数字频率合成（DDS）技术精确控制信号参数、保证欺骗信号到达目标接收机接收天线相位中心时与真实信号的相位状态在成功诱骗所允许的误差范围之内。最后，通过商用接收机和无人机进行了实验验证，在无人机上目标接收机正常跟踪真实卫星信号的前提下，开启同步生成式GPS欺骗干扰源发射欺骗信号，能够使目标接收机逐渐偏离正常定位测速结果而产生受控的定位测速结果。结果验证了同步信号模型和所设计同步信号生成电路的正确性，且表明同步生成式GPS欺骗干扰源能够实现对商用接收机和无人机导航定位的诱骗。      

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%.     

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%.     

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.      

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.     

地外探测设备多传感器硬件时间同步方法研究

地外探测对多传感器数据同步采集有极高需求,针对地外环境无法接收到全球定位系统(GPS)信号的问题,提出一种面向无GPS授时的多传感器硬件时间同步方法.以嵌入式单片机系统(MCU)为核心设计高精度时间同步硬件框架,综合运用模拟GPS授时、秒脉冲(PPS)校时和脉冲触发结合的方法,分别对多路相机、惯性测量单元(IMU)和激光雷达进行数据采集同步,在上位机实现时间戳和数据的精确匹配.并搭建硬件平台,设计验证方案,实验测试同步误差.实验结果表明,该时间同步方法可实现传感器数据同步采集,同步精度约2 ms.相比现有地外探测设备,同步精度显著提高,对下一代地外探测设备数据同步采集、实现自主导航与避障有一定借鉴意义.     

基于高轨航天器的GNSS接收机技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)应用于高轨航天器时,因轨道高于导航卫星,可见星数量急剧减少,空间信号功率微弱,信号的快速捕获和跟踪十分困难。文章对高轨地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)接收技术进行了研究。以中国实践十七号卫星为研究对象,采用官方正式发布的发射天线方向图对GEO下GNSS信号特征及可用性开展研究分析,并针对高轨道航天器GNSS信号微弱的特点,采用长时间积分处理的梳状滤波方法、差分相干累加比特同步算法和基于动力学模型补偿的扩展卡尔曼滤波自主定轨算法设计GNSS接收机,并在半物理仿真平台进行了测试验证。试验结果表明:GNSS接收机捕获灵敏度优于-173dBW,跟踪灵敏度优于-175dBW,定轨位置精度优于50m,速度精度优于0.01m/s。     

基于FPGA与TDC的GPS-铷钟时间同步系统

描述了一种高精度的GPS-铷钟时间频率同步系统,系统输出标准10MHz频率,同时输出高精度的1PPS同步时间信号,在GPS信号驯服下系统同步精度可达到7.2ns,输出频率准确度优于1E-12。论文阐述了系统的原理,给出了测试数据,结果表明,系统指标满足工程应用要求。     

GPS授时校频方法研究与试验结果

为了解决多目标综合测量系统各测站之间时间同步和频率校准问题,提出了利用GPS(Global Positioning System)单星或多星共视方法进行站间时间同步与校频,给出了这两种方法的计算公式,分析了星历误差、星钟误差、电离层折射误差、对流层折射误差、多径效应和接收机硬件延迟对时间同步精度的影响.为了验证GPS授时校频精度,进行了相关试验.通过与铯原子钟比对,表明利用GPS可实现纳秒级时间同步,校频精度也优于5.0×10-11,多星共视具有更高的同步校频精度.      

包络均值滤波算法实时检测微弱信号

在强噪声环境下提取微弱信号一直是信号处理方法研究的难点,提出一种基于包络均值滤波(EMF,Envelope Mean Filter)的微弱信号提取算法,可以实时恢复出深埋在均匀分布噪声中的微弱缓变非周期信号的波形.EMF算法通过对混有均匀分布噪声的信号进行过采样,对信号的包络线进行实时分析,并用上、下包络的均值作为真实信号的估计值.为了使输出信号平滑、无跳变,采用实时滑模平均滤波器对估计值进行滤波,最终恢复出的原始信号.通过仿真研究对包络的分析算法、最优衰减系数的选取、过采样系数、平滑序列长度和不同信噪比的微弱信号对还原精度的影响进行了研究.EMF算法简单,可使信噪比提高60 dB以上.已经成功用于IEEE 1588精密时钟同步的时钟伺服算法中.     

基于Hadamard方差的导航星座自主时间同步算法研究

文章在总结国内外研究成果基础上,针对GPS铷钟虽然短期稳定性较好,但采用Allan方差描述铷钟频率稳定性时,其钟差状态方程仅为两参数,在较长平滑时间里存在时钟漂移和甚低频噪声的影响,使噪声特性淹没或估值不收敛的缺陷,引入Hadamard方差建立了三参数系统状态误差模型,通过三次采样方差从模型上解决了线形漂移和甚低频噪声的影响问题。在时钟系统状态模型和星间双向测量方程建模基础上,给出了工程实用的标准Kalman基本滤波方程。数值分析仿真表明,采用Hadamard方差描述时钟频率稳定性显著提高星载时钟自主同步精度,从而克服了Allan方差描述产生的频率漂移影响较大和甚低频噪声不收敛的问题。     

时钟偏差辅助的GPS完整性监测算法

对伪距残差最小二乘的接收机自主完整性监测(RAIM)算法进行了分析.在此基础上,通过对接收机时钟偏差的建模,将模型预测的时钟偏差引入伪距残差最小二乘的RAIM算法中,保证了在可见星仅为4颗的情况下,仍能利用χ2检验法对全球定位系统(GPS)进行完整性监测,从而达到提高完整性监测算法有效性的目的.计算机仿真的结果显示,这种辅助方式不仅计算简单,而且有效可行.      

高动态GPS卫星信号模拟器导航电文生成

为了测试全球定位系统GPS(Global Positioning System)接收机的性能,应用GPS信号模拟器来模拟各种条件下真实的GPS信号.GPS卫星信号发生器由硬件、计算机和软件组成.软件主要由卫星导航参数计算模块、目标运动轨迹计算模块、误差计算模块等模块组成.导航电文产生功能模块是高动态GPS卫星信号模拟器要解决的一项关键技术.给出了3个卫星星钟改正参数的物理意义和星历产生模型,根据这些参数并结合相应的时间参数来形成卫星导航电文.通过程序仿真并与导航电文进行验证,证明推导出的星历产生模型基本符合GPS星的星座排列规律.     

精密GPS卫星钟差的改正和应用

分析了GPS卫生钟差的变化特性，探讨了利用GPS地面跟踪站的观测数据估算GPS卫星钟差的可行性，建立了相应的算法和软件系统，并把由地面跟踪站的实测数据估算的卫星钟差用于星载GPS定轨计算，得到优于1m的定轨精度。     

灰色模型在卫星钟差预报中的缺陷分析

卫星钟差预报是时间同步的关键技术之一,方法繁多。针对灰色模型在卫星钟差预报中的应用,以GPS Rb钟钟差预报为实例,从模型构造上分析了该模型在卫星钟差预报中存在的缺陷,有利于该模型的改进和完善。