用于GPS接收机模拟和仿真的数字化基带信号处理器

全球定位系统（GPS）接收机可作成数学模型并由软件完成，接收机数学基带信号处理器完成GPS观测量的最大似然估计，本文讨论：1）数字化GPS接收机的原理，2）数字化基带信号处理器的模拟；3）模拟接收机静态和动态性能，在GPS接收机设计和系统性能分析过程中，软件接收机较之硬件接收机具有更强的灵活性，价格便宜，而且更为准确。     

IEC六年来的全数字化GPS接收机

本文介绍了州际电子公司(IEC)六年来在GPS信号全数字化基带相关处理方面取得的进展。最初,这种技术随着离散型数字式中规模集成电路而发展起来的。此后,在半定制门阵技术和最近的专用集成电路(ASIC)方面取得了进展,小型、低功耗全数字式GPS接收机得到高度发展。本文介绍了几代全数字化GPS接收机的设计方案。回顾了全数字GPS接收机技术,包括该技术出现以来所取得的进展。本文还介绍了12抽头并行数字式相关器的实施方案,最新研制的接收机中就用这种相关器完成快速捕获和跟踪。还介绍了数控振荡器和伪码产生器门阵。还设计了一种能在1ms以内快速初始化的P码产生器门阵,这样不需要旋动编码装置即可方便快速地多路复用。     

GPS接收机中的数字信号处理技术

GPS接收机信号处理可分为三部分:射频信号处理,同相(I)和正交(Q)信号的估计及其随后处理。本篇回顾了模拟射频信号处理,描述和评价了产生I/Q信号的三种数字信号处理技术(基带、幅度采样中频和相位采样中频),并介绍了能完成其随后处理功能的典型数字信号处理算法。     

NovAtel通信公司GPS接收机——未来的高性能OEM接收机板

本文介绍一种10通道NovAtel GPS单板接收机。这种接收机是一种价格低廉高性能的GPS接收机扳,它具有支持所有OEM应用的特性和能力。位于Calgary的NovAtel是一家蜂窝系统和用户设备制造厂,已被立研制了一种全新的GPS接收机。接收机每一级主要部件的设计部采用了先进技术,包括天线、射频下变频器、低噪声放大器、ASIC信号处理器、CPU和可用软件配置的接口。这种接收机有十个专用通道,可进行精密的C/A码和L_1载波相位跟踪。本文叙述了已获专利的采用宽带多比特采样方法(能满足P码精度)的C/A码跟踪方案。NovAtel的GPS接收机板既能输出原始数据又能输出最终位置数据,其输出速率能满足最高要求的应用。     

TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小、重量轻、适用于低轨道航天器的GPS接收机。这项计划由国防预研规划局(DARPA)发起,空军菲利普斯实验室监督。这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成。这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术(TAOS)”卫星上。 这种接收机有六个通道,可连续跟踪四颗主用的GPS卫星,第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星。它可以完成伪距、连续载波、距离变化量的测量;用八态扩展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速度。洛克韦尔公司的这种接收机重8磅,使用28伏直流电源,功耗12瓦。本文将介绍该接收机的设计和验收测试,并给出利用“多通道星戴GPS仿真评估系统”(SEVS)得到的性能测试结果。该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L_1和L_2频段的射频信号,模拟低轨道航天器的信号环境。     

数字式跳频GPS/GLONASS接收机

在很多应用场合,对大量扩频导航卫星连续跟踪将获益匪浅。当接收机跟踪多于定位所需最小卫星数目时,通过优选卫星几何可提高卫星导航精度。动态定位可利用冗余卫星来实现更迅速的整周期判决和跳周修正。陆地导航利用额外的卫星可克服建筑物、树林和地形造成的遮挡。比较多个星座的测量值能获得有关导航稳妥性的度量。跟踪大量卫星的好处已引起人们研制能同时处理美国GPS和苏联GLONASS信号的接收机的兴趣。已经推出了几种接收机设计方案,但所有这些接收机中处理GLONASS信号的硬件都是与处理GPS信号硬件分开的。本文介绍一种高度综合的GPS/GLONASS接收机,接收机中的每一卫星跟踪通道都能随意指定它接收任一个GPS或GLONASS卫星。该接收机有一个模拟射频/中频(RP/IF)前端,用一个固定频率的本振(LO)。定制的数字专用集成电路(ASIC)跟踪选定的GPS/GLONASS卫星,并提供相关测量值送软件处理。本文介绍的GPS/GLONASS接收机利用了数字信号处理技术和有限脉冲响应(FIR)滤波器的新成果。该综合接收机的模拟RF/IF前端大大地简化了,然而其性能可与使用相当复杂模拟RF/IF电路的接收机相比拟。GPS和GLONASS之间的跳频完全在数字域中进行,不必象早期设计方案中那样用昂贵的跳频本振。深入利用数字处理技术,GPS/GLONASS接收机可采用大规模集成电路,将多个通道集成在一个芯片上。这样可大大减小体积,节省成本,不久即可推出商用多通道GPS/GLONASS接收机。     

影响GPS信号C／A码捕获的因素分析及改善方法

通过特定设计的软件测试平台,对自主研制的软件GPS接收机进行了捕获性能的测试分析,得到了捕获性能与信噪比、虚警概率等因素的关系。最后给出了实验数据和分析、改进方法,为软件GPS接收机的开发和研制提供了重要的技术参考。     

基于嵌入式平台的MEMS/GPS 组合导航系统实现研究

主要研究基于PC104平台的MEMS/GPS组合导航系统硬件实现方法.首先设计了对MTi-30 MEMS器件与GPS接收机的数据采集软件,基于统计分析方法分析建立了传感器的误差模型参数,构建了MEMS/GPS组合算法模型,基于MEMS惯性器件和GPS接收机实测数据确定了Kalman滤波器的系统噪声阵及量测噪声阵模型参数;然后利用实际测量数据进行了MEMS/GPS组合系统导航性能仿真;最后基于PC 104嵌入式平台,构建了MEMS/GPS组合导航系统原理样机,分别在静态和动态情况下完成MEMS/GPS组合导航算法实时测试,导航结果验证了硬件平台及导航算法的正确性.     

TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小，重量轻，适用于低轨道航天器的GPS接收机，这项计划由国防预预研规划局（DARPA）发起，空军菲利普斯实验室监督，这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成，这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术（TAOS）”卫星上。这种接收机有六个通道，可连续跟踪四颗主用的GPS卫星，第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星，它可以完成伪距，连续载波，距离变化量的测量；用八态护展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速率，洛克韦尔公司的这种接收机重8磅，使用28伏直流电源，功耗12瓦，本文将介绍该接收机的设计和验收测试，并给出利用“多通道星载GPS仿真评估系统”（SEVS）得到的性能测试结果，该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L1和L2频段的射频信号，模拟低轨道航天器的信号环境。     

利用GPS进行近地轨道确定和会合导航

本文介绍了GPS用于近地轨道确定和会合导航的性能研究结果。目前为陆地、海上和空中导航开发的一些技术正在扩展到空间环境。对两个近地航天器上的GPS接收机系统的实际工作情况进行了仿真研究,以此评价了GPS系统的相对和绝对导航精度。为该性能仿真研究提供一个逼真的基础,拟制了一些动力学和环境模型。仿真研究获得了两项重要结论:1)轨道上用一台GPS差分基准接收机给其附近另一些GPS接收机提供信息,可以将这些接收机的绝对定位精度提高到基准站所能达到的精度。2)从同4颗GPS卫星测得测量值的两台同型号接收机,其相对定位精度(1σ)每轴向可以达到1.8m(P码)和20m(C/A码)。相对速度误差每轴小于0.04m/s。当接收机拉开相当距离时,差分GPS和相对导航技术的精度下降不明显。     

GPS软件接收机的捕获与跟踪算法

研究了GPS软件接收机的捕获与跟踪算法。分析了时域串行滑动相关捕获算法和频域基于FFT的并行相关捕获算法,设计了适合GPS软件接收机的并行算法,实现了对空中可见卫星的捕获。针对GPS信号的特点,设计了基于DLL与PLL相结合方法的GPS跟踪算法。利用实测中频信号对上述捕获与跟踪算法进行了验证分析,测试结果表明,基于FFT的并行相关捕获算法能够有效增强软件接收机的捕获能力,采用DLL与PLL相结合的方法能够实现对GPS信号的有效跟踪。     

GPS导航系统用于H—Ⅱ轨道飞机

本文论述GPS导航系统应用于H-Ⅱ轨道飞机(HOPE)的情况。HOPE是一架将于90年代末发射的日本空间运输飞行器。准备用日本的下一代主要运载器H-Ⅱ火箭发射,完成各种轨道操作后自行返回地球。 GPS导航系统是HOPE在轨段、交会段、离轨段和进场段的安全导航重要部件。本文介绍了GPS接收机设计和轨道确定的研究结果,特别注意了伪距和伪距增量的预期波动、高动态忍耐性、首次定位时间(TTFF)、天线位置和导航性能等。将在轨道再入实验飞行器(OREX)上安装GPS接收机,预先验证该接收机的设计方案。OKEX将于1993年由第一发H-Ⅱ火箭发射。用OREX进行GPS实验的主要目的在于鉴定GPS导航系统在轨道运行和再入过程中的功能和特性,然后再将其安装在HOPE上。本文还描述了该实验的各个细节。     

高动态连续波雷达测量接收机

本文介绍一种高动态测量接收机,它能跟踪高动态特性的飞行器,其载波环的某些功能部件用软件来实现,伪码的跟踪借助载波多卜勒辅助,且在半个码元宽度内就能完成码同步。多卜勒频率和载波相位的测量基于最大似然估计理论,径向距离的测量基于孙子定理。这种接收机结构简单、新颖,测量精度高,成本低廉,特别是能跟踪速度、加速度很大的飞行器,其性能可与最新颖的高动态GPS接收机相媲美。     

基于嵌入式GPU的三天线GNSS基带信号处理加速技术

GNSS软件接收机因其可移植性及灵活性等优点,持续受到业内关注。但传统的软件接收机存在计算量大、耗时长的捕获和跟踪基带信号处理过程,使得软件接收机往往跟踪通道较少,且难以在嵌入式系统上运行。利用嵌入式图形处理器(GPU)的高浮点性能和并行运算能力,对GNSS软件接收机中耗时长且并行性明显的模块进行加速,实现采用CUDA流的数据读取,以及多采样点并行的捕获和多采样点、多卫星并行的跟踪。采用嵌入式GPU进行加速后,可将数据读取速度提高3.43倍,卫星搜捕速度提高16.83倍,卫星跟踪速度提高11.28倍。实验结果表明,在嵌入式Jetson TX2平台上可以支持超过90个62MHz采样的GNSS卫星信号处理。研制了三天线GNSS信号的定位和测姿接收机,为未来小型嵌入式PNT系统的研制提供新思路。     

使商用GPS接收机达到空间质量

GPS技术可以获得高于以往的导航精度,其商业和军事应用快速增长,但GPS的空间应用刚开始出现。GPS技术空间应用的第一步是使GPS接收机具备空间质量,并且能以有竞争力的价格买到。Barnes工程部与Ashtech公司合作,将使现有的Ashtech商用GPS接收机改造得具备空间质量。该机性能超过大多数现有的GPS接收机,不仅导航精度高,而且能测量姿态。 以商用GPS接收机设计方案为基础,对其进行改造使之具备空间质量,相对于从头开始有许多好处。达到空间质量的工艺包括辐射屏蔽、散热分析和承受严酷空间环境能力的测试。本文中,我们将说明改造商用设计方案达到空间质量的好处及达到空间质量所涉及的内容,还讨论星载GPS接收机的总体性能要求。     

GPS/SINS超紧组合导航的性能分析

GPS接收机在高动态环境下很容易失锁,特别是载体的高动态造成的应力对接收机载波跟踪环影响很大。为了解决高动态环境下的组合导航,分析了GPS接收机载波跟踪环的测量误差和跟踪门限,采用惯导速度辅助GPS接收机跟踪环路的超紧组合结构。超紧组合需要涉及到GPS接收机跟踪环内部编排及高动态环境下的实验数据,难度较大。针对超紧组合仿真专门开发了GPS实时软件接收机、高动态GPS中频信号仿真器和惯导模拟器并构建了一个完整的GPS/SINS超紧组合仿真系统。仿真结果表明,该超紧组合导航系统可以跟踪50g的加速度和10倍音速。     

等离子体对GPS信号载噪比的影响

飞行器再入过程产生等离子体,等离子体中电子密度的变化对电磁波信号造成幅度衰减和相位偏移,严重时导致通信中断。理论分析了等离子体对GPS信号载噪比的影响;利用实验室环境下的等离子体模拟装置,设计了GPS二键相控(BPSK)调制信号透过等离子体的地面模拟方案,进行了等离子体对GPS接收机性能影响的实验研究,获得了不同电子密度下的衰减和导航信号载噪比的数据。实验结果与理论分析一致,不仅证明了等离子体下衰减与导航信号载噪比的变化是一致的结论,而且验证了实验方法的有效性。     

量化对GPS接收机捕获性能影响的研究

由于接收机输入端的信噪比对接收机的捕获性能具有很重要的意义,所以要尽量减少接收机输入端信噪比的损失。本文首先给出了含高斯白噪声的GPS信号经过不同量化位数和量化电平的量化器后的输出信噪比计算公式;然后,在此基础上分析其对接收机捕获性能的影响;最后,仿真实验表明,接收机可以在不影响捕获性能的情况下,尽量选择合适的量化位数和量化门限。实验结果也为量化器的设计提供了重要的技术参考。     

残差检测法和状态多步外推法的GI-RAIM性能比较

针对GI-RAIM（GPS Inertial RAIM）惯导辅助GPS接收机自主完好性监测,本文引入了检测时间延迟和检测函数均值偏离度作为评估性能的概念;对比分析了当GPS发生慢变故障（SGE）时,残差检验法和状态多步外推法的故障检测性能。仿真结果表明,状态多步外推法对于慢变故障的检测性能更优越。     

Discussion for Deeply-coupled GPS/INS Technology

面对未来信息化、电子化战争复杂的电磁环境和高速、超高速精确制导武器发展需求,传统GPS/INS组合导航技术很难满足武器性能指标的要求.而GPS/INS深组合导航系统能在高动态和复杂电磁环境下为精确制导武器提供稳定、可靠、精确的导航信息,实现精确制导武器在复杂战场环境下对目标的精确打击.因此GPS/INS深组合技术成为近来人们的研究热点.深组合技术除了传统意义上利用GPS接收机信息修正INS之外,同时,采用INS导航数据还能对GPS接收机载波跟踪环路进行外部辅助,剔除信号中的动态信息,减小GPS接收机载波跟踪环对信号的跟踪范围,压缩环路带宽,提高接收机在高动态环境下工作稳定性和接收机抗干扰性能,以保证组合导航系统的可用性和可靠性.