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。     

基于带宽优化的载波跟踪算法

在现有的高动态微弱信号的载波跟踪算法中,针对锁频环(FLL)辅助锁相环(PLL)载波跟踪算法,环路调整不连续,易出现跟踪失锁的问题,给出了FLL与PLL的更优组合算法,并确定了组合环路状态转换的过程以及环路状态转换的门限值,从而优化环路性能;针对带宽调整不准确影响环路跟踪性能的问题,分析得出最优带宽值,确定了试探法带宽调整策略,对环路带宽进行实时调整,最终在信噪比为3dB,且存在加加速度分量时,环路的跟踪误差达到3Hz左右.      

基于Kalman滤波的载波跟踪环路设计

基于Kalman滤波方法提出了一种新的高动态载波跟踪环路的设计方案,用以解决高动态、弱信号条件下对载波跟踪造成的困难。文中给出了整个环路的设计方案,并详细讨论了环路中各个模块的参数传递过程。最后同FLL辅助PLL的跟踪环路进行了对比,仿真结果显示该环路在高动态状态下能够极大的改善跟踪性能。     

基于事件驱动的容积卡尔曼滤波定位算法

以网络化非线性滤波系统为研究对象,为了平衡系统的通信率和滤波精度之间的矛盾,引入随机事件驱动（stochastic event-triggered）的思想,并在此基础上建立了基于残差检测的事件驱动（detected event-triggered）模型。针对系统的强非线性,将线性随机事件驱动滤波系统中的更新结论推广至非线性系统,推导了两种事件驱动机制在容积卡尔曼滤波（CKF）算法框架中的滤波更新过程,得到了检测事件驱动CKF（DECKF）和随机事件驱动CKF（SECKF）两种算法。最后,通过天基平台空间目标跟踪问题对算法性能进行检验。仿真结果表明,当通信率下降20.64%时,DECKF算法的位置跟踪精度和速度跟踪精度相比标准CKF仅下降了5.50%和7.74%。此外,在通信率相同的情形下,DECKF比SECKF的精度高40%以上,证明检测事件驱动模式优于随机事件驱动模式。     

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.      

基于特征模型的高超声速飞行器姿态控制器与自适应滤波算法的设计

提出一种基于特征模型的强跟踪无迹卡尔曼滤波（CSUKF）算法对状态和参数进行联合估计,利用特征模型参数构造时变的二阶状态转移阵,使滤波和辨识模型简化;结合强跟踪滤波（STF）的强跟踪能力和无迹卡尔曼滤波的（UKF）的非线性高逼近性对含测量噪声的高超声速飞行器系统进行参数辨识和滤波,并将其与非线性黄金分割自适应控制律相结合,对高超声速飞行器进行姿态控制.最后,将提出的CSUKF与基于特征模型的无迹卡尔曼滤波（CUKF）和基于特征模型的普通扩展卡尔曼滤波算法（CEKF）进行比较,仿真结果说明CSUKF与非线性黄金分割自适应控制律相结合可以有效改善控制的平稳性,且具有更好的滤波精度和系统输出,从而能更好地处理含测量噪声情况下的高超声速飞行器的辨识与控制问题.     

SINS辅助GPS跟踪环路超紧耦合系统设计

为了提高GPS(Global Positioning System)在高动态条件下的跟踪性能并为SINS(Strapdown Inertial Navigation System)提供精确、可靠的修正信息,提出了一种SINS辅助GPS超紧耦合导航方案.针对高动态条件下载波跟踪性能不佳的问题,利用SINS速度信息为载波环提供多普勒频率辅助,从而降低了载体动态对载波环的影响.此外,将载波环跟踪误差扩充为组合系统的状态变量,并建立了载波环跟踪误差、伪距率量测误差与惯导误差之间的关系模型,从而消除了引入SINS辅助信息导致的量测相关问题.仿真验证表明:超紧耦合系统不仅能够有效地提高跟踪环路的噪声抑制能力和动态跟踪性能,而且可以显著地改善组合滤波器的误差估计精度.     

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.      

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。     

数字锁相解调器的优化设计

数字锁相解调器是电磁无损检测中弱信号处理的重要方法,针对其性能优化,设计一种引入卡尔曼滤波器的数字锁相解调器,该解调器兼具了强抗噪能力及良好的动态跟踪响应特性。利用卡尔曼低通滤波器截止频率随迭代次数下降的特性,结合零点频率,设计了数字锁相解调器中的低通滤波环节,实现了非常窄的锁相带通,进而提高了抗击强噪声干扰能力。此外,利用卡尔曼滤波器的迭代预测-更新特点,实现了数字锁相解调器较小的响应时间,进而改善了数字锁相解调器的动态跟踪响应特性。仿真和检测实验证明所设计数字锁相解调器具有较高的抗噪能力和良好的动态跟踪响应特性,在电磁无损检测中能够精确、快速捕捉检测信号中包含的缺陷信息。      

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.     

四元数UKF超紧密组合导航滤波方法

针对GPS/SINS(Global Positioning System/Strapdown Inertial Navigation Sys-tem)超紧密组合导航系统线性化滤波在高动态、弱GPS信号等环境下性能下降严重的问题,提出了一种以四元数UKF(Unscented Kalman Filter)为基础的GPS/SINS超紧密组合导航系统非线性滤波方法.通过分析GPS与SINS在超紧密组合导航系统中的关系,提出了一种利用SINS信息来估计、修正GPS载波信号的方法,在此基础上建立了组合导航滤波的状态方程和量测方程;以四元数乘性误差模型为基础,提出了一种可应用于UKF滤波的求解四元数加权均值的方法;提出了基于四元数UKF的GPS/SINS超紧密组合导航滤波方法.仿真实验表明:在高动态环境下,四元数UKF滤波方法增强了GPS/SINS超紧密组合导航系统的定位精度和抗干扰能力.     

基于双滤波器的高精度目标跟踪估计方法

针对连续推力的合作航天器,采用双重无迹卡尔曼滤波(DUKF)算法估计其状态和加速度。通过状态滤波器和参数滤波器的配合,提升滤波精度,完成运动状态和参数的估计,从而实现合作目标的运动轨迹跟踪。与合作航天器相比,非合作航天器存在大小未知、发生时刻未知的机动,无法获得加速度,且信息获取和运动状态的估计难度大。针对非合作航天器,基于简化的相对运动方程,结合天基平台获得目标的观测信息,采用两个扩展卡尔曼滤波(EKF)及基于半正焦弦的机动检测策略实现多未知脉冲机动的运动状态的估计。仿真结果表明：相比于无迹卡尔曼滤波（UKF）,DUKF在对合作航天器的状态和加速度估计方面具有更快的收敛速度和更高的滤波精度;对于存在未知机动的非合作航天器,通过对比验证机动检测策略与滤波器切换策略相结合的方法的有效性,该方法能够检测到多次机动并且减少误判。     

基于序列红外图像的弹道导弹中段目标检测跟踪方法

针对弹道导弹中段目标检测跟踪问题,将卡尔曼滤波应用基于红外图像的弹道中段目标检测数据滤波和预测,建立了中段目标的状态方程和量测方程。针对卡尔曼滤波中系统噪声和量测噪声的自协方差阵难于确定的问题,研究了卡尔曼滤波参数选择设置方法,利用实际检测结果对不同噪声参数条件进行了试验,得到了应用于弹道导弹中段目标检测跟踪的滤波器参数设置规律,为弹道导弹中段目标检测跟踪技术提供了参考。     

一种小天体旋转参数估计方法

小天体旋转参数是科学数据,也是小天体测绘,着陆导航的基础数据.研究一种在小天体探测接近段过程中使用的基于图像上特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法.该方法首先建立小天体旋转关系模型,表示小天体在相机坐标系中的姿态变化;然后定义小天体旋转的状态方程,推到了扩展卡尔曼滤波器的计算过程.通过对观测图像序列上的特征点跟踪,利用扩展卡尔曼滤波器方法得到小天体旋转轴指向和自转角速度估计.实验中,在仿真相机与小天体相机100 km距离上,分析了相机坐标系小天体坐标系之间的四元数初值,图像上特征点跟踪精度,相机的观测指向等因素对小天体旋转参数估计精度的影响.实验结果表明,提出的基于图像特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法能够得到具有较高精度的估计结果.     

高轨微弱信号的跟踪算法分析及仿真

高轨航天器自主导航技术是中国迫切需要发展的航天新技术之一,广泛应用于通信、导航、气象、预警等领域.高轨导航接收机为高轨航天器自主导航定位提供了便捷有效的手段.在高动态环境下,载波频率和相位、伪码相位均随载体运动发生较大变化.由于载体动态引入的多普勒频率变化对伪码跟踪环的影响可通过载波辅助消除,接收机的动态性能主要取决于...