高动态GPS载波跟踪算法和环路控制策略研究

在接收信号有较高的多普勒频率及其一阶、二阶导数存在的情况下仍能正常工作的接收机被称为高动态接收机。设计高动态接收机的关键是设计参数与结构合理的载波跟踪算法。本文针对高动态环境下载波跟踪所遇到的问题,重点研究了频率牵引算法,FLL辅助PLL复合环算法及重要参数的设计,并提出了一种新的分阶段载波跟踪控制策略。本文采用GPS模拟器产生的高动态信号为实验源,基于Matlab平台建立系统模型,仿真结果表明：采用文中提出的载波跟踪算法的GPS接收机能在加速度100g,加速度变化率40g/s的动态指标下正常工作。     

MLE辅助PLL的高动态GPS载波跟踪

针对传统锁频环（FLL）鉴别器存在一步延迟效应和近似误差的问题,提出一种基于极大似然估计器（MLE）辅助锁相环（PLL）的高动态载波跟踪环路。该方法从极大似然估计理论入手,构造多普勒频移的非相干极大似然代价函数,采用非迭代估计方法求取各通道多普勒频移偏差的极大似然估计,与PLL进行融合滤波并计算频率修正量,进而控制本地数控振荡器（NCO）完成载波跟踪。仿真结果表明：在同等环路阶数和滤波器带宽条件下,新方法的响应速度、动态忍受力优于基于FLL辅助PLL的方法,可以跟踪加加速度达到100 g/s的超高动态 信号。     

一种基于FQFD/FLL/PLL的混合载波跟踪算法

载波跟踪技术是GPS软件接收机的关键技术之一,载波跟踪算法在很大程度上决定了GPS软件接收机的性能.基于一种典型载波跟踪环的结构,分析了当前载波跟踪环常用的四相鉴频器、锁频环、锁相环的工作原理及其性能,设计了一种基于三者的混合载波跟踪算法.仿真结果表明,所设计的载波跟踪算法在多普勒频率为一固定值、阶跃函数、斜坡函数和加速度函数时都能准确跟踪载波,证明所设计的载波跟踪算法行之有效.     

GPS/INS超紧耦合方法及其应用分析

超紧耦合是GPS/INS组合导航系统的最新研究方向,它采用INS测得的载体动态信息辅助GPS接收机跟踪环路,消除卫星信号中由于载体与卫星之间相对运动所产生的频率偏移,提高接收机在高动态环境下载波跟踪性能,同时还可以压缩带宽,有效增强接收机抗干扰性能。介绍GPS/INS超紧耦合技术,给出INS辅助GPS载波跟踪环路结构图和相应的数学模型,分析INS辅助GPS跟踪环路在动态环境下的动态残留及其对环路相位误差的影响,并进行了模型仿真,最后对仿真结果进行了验证分析。仿真结果显示,辅助动态残留及其导致的环路相位误差的大小与加加速度、环路辅助时间间隔成正比。     

一种极低载噪比高动态信号跟踪的线性预测器设计

针对深空通信高动态低载噪比微弱信号跟踪精度低、稳态均方性能差的问题,提出了一种高动态低载噪比信号跟踪的分级异构凸组合线性预测器算法,该算法将归一化最小均方算法(NLMS)和最小二乘算法(RLS)进行分级异构凸组合,给出了算法的结构、跟踪精度联合优化设计方案和最优参数选择的方法。在载噪比(CNR)为10~30dB-Hz、载波多普勒频移为-300~300kHz、多普勒频率变化率为-800~1200Hz/s、码速率为20bps条件下对分级异构凸组合线性预测器跟踪性能及跟踪精度指标(归一化均方根误差)进行了仿真。理论分析和仿真结果表明,该线性预测器与分级同构凸组合线性预测器相比,算法运算量减少、信号跟踪精度提高、收敛速度加快。因此,该新型结构线性预测有着良好的应用前景。     

高动态跳频信号时钟同步设计与实现

由于跳频信号各跳之间的符号速率和符号数量不一致,特别是低速跳只含少量符号,导致时钟误差提取困难。针对高动态下的跳频信号时钟同步难题,提出基于频偏估计的钟偏反馈调整方法。该方法通过同步序列进行频率估计和钟偏估计,并结合反馈方法调整钟偏和时钟跟踪,实现了高精度时钟同步。仿真结果表明：该方法适应飞行速度7.9 km/s、加速度0.2 km/s²的超高动态,定时同步性能优越,定时精度满足高速跳频信号解调要求,且解调损失小于0.1 dB。     

高动态环境INS辅助GPS载波跟踪算法研究

载波跟踪技术是GPS软件接收机的关键技术之一,载波跟踪算法在很大程度上决定了GPS软件接收机的性能.本文基于一种典型载波跟踪环的结构,分析了锁相环(PLL)的工作原理及动态性能,并在此基础上设计了一种INS辅助的GPS载波跟踪算法.仿真结果表明和PLL相比.所设计的INS辅助GPS载波跟踪算法能够在保证GPS载波跟踪环路滤波器带宽足够窄的情况下,可以有效地增加环路带宽,从而加大了环路捕获带宽,提高了环路的捕获性能;所设计的INS辅助GPS载波跟踪算法适用于机动性较高的载体.     

一种高动态GPS软件接收机方案研究

为了提高GPS接收机的捕获速度和跟踪精度,改善其动态适应性能,提出了一种GPS软件接收机方案.首先采用延迟、累积捕获结构搜索C/A码起始点,引入延迟累加器辅助频谱分析实现各卫星多普勒频移成分的分离、估计,将传统的二维捕获过程简化为两个一维搜索过程,提高了捕获速度;然后采用多重辅助结构的跟踪环路,提高载波、伪码频率和相位的跟踪精度.通过对GPS实测数据和高动态模拟数据进行仿真实验,验证了该软件接收机方案的有效性.     

基于积分多普勒平滑伪距的导航算法研究

载体处于高动态机动、障碍遮挡、信号干扰和多路径等复杂环境时,GNSS接收机跟踪环路易发生信号失锁和相位失调,导致载波相位观测值发生较大变化,采用载波相位平滑伪距将严重影响导航精度。为改善GNSS接收机导航性能,对电离层效应及延时校正模型进行了研究,基于α-β滤波算法提出了基于积分多普勒平滑伪距的导航算法。实验结果表明:采用该算法在静态、动态条件下定位精度优于5m,测速精度优于0.05m/s,可显著提高GNSS接收机的导航精度。     

基于DSP+FPGA的超紧组合导航系统研究

载体在飞行过程中遇到高动态、障碍遮挡等情况时,GNSS接收机由于环路失锁或者收星数小于4颗无法正常工作。为改善组合导航系统性能,设计了一种基于DSP+FPGA的GNSS/SINS超紧组合导航系统,在利用惯性信息辅助GNSS跟踪环路的同时,引入外部高度信息,采用全维滤波方式进行信息融合。实验结果表明:该系统改善了接收机的动态性能,可在加速度为60g、加加速度为20g/s的高动态仿真环境下正常工作;在收星数少于4颗时,引入的外部高度信息可改善少星情况下的导航精度。     

一种高动态环境GPS信号的跟踪方法及实现

鉴于在高动态环境跟踪ＧＰＳ信号所遇到的问题，分析了高动态环境跟踪ＧＰＳ信号的基本方法，讨论了通过延时锁定环和载波辅助技术进行伪码跟踪的原理，重点研究通过３阶频率扩展卡尔曼滤波算法（ＦＥＫＦ）进行多普勒频率估计并进行载波跟踪的原理，模拟分析了ＦＥＫＦ算法的动态跟踪能力和频率估计误差，提出了一种适合高动态环境要求的ＧＰＳ信号跟踪方案     

一种用于深空高动态微弱信号的频率估计算法

研究了低载噪比与高动态环境下的深空测控系统频率估计算法,在分析已有方法不足的基础上,提出了一种基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的闭环载波跟踪方法。此方法结合了锁频环鉴别器和UKF的优点,获得了宽的估计范围,高的估计精度和低的载噪比门限。在分析UKF模型的基础上,此方法还减少了原有UKF算法的运算量。仿真过程模拟了接收机的高动态运动轨迹,结果表明此法具有较好的动态适应能力、收敛性能和跟踪精度,能够有效地完成低载噪比与高动态环境下的频率估计。此法与基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的频率估计算法相比,具有更低的频率估计误差,因此有着良好的应用前景。     

用于微振动测量的高精度加速度传感器标定方法

微振动试验中所用的加速度传感器简称高精度加速度传感器,其相比于常规加速度传感器测量量级很低,可以达到10-5g量级甚至更低,用常规的加速度动态标定技术无法实现该量级水平的标定,也无从验证其测量精度的准确性。针对高精度加速度传感器测试精度的标定难题,文章提出在气浮台上设置比对梁的方法,通过激光测振仪和高精度加速度传感器对同一测点进行测量,并将两者的测量结果进行比对分析,以标定高精度加速度传感器的低量级测试精度。同时设计试验对手头现有的微振动加速度传感器进行标定以验证该方法的有效性,试验结果表明:利用激光测振仪标定现有高精度加速度传感器得到的比对结果符合预期;高精度加速度传感器测得的时域波形及频域波形与激光测振仪测得的基本一致,比对偏差在10%左右,满足标定方法要求。     

基于卡尔曼滤波的时分星间信号跟踪技术研究

在星间链路领域的测量过程中，时分双工体制星间测量逐渐成为新兴技术，而时分信号的跟踪精度决定了接收机测量误差。传统的接收机载波跟踪环路可以保证对连续信号的稳定跟踪，但受相位抖动的影响较大，且对于时分双工体制间断信号，会出现开环阶段跟踪结果发散的问题。针对以上问题，提出了一种基于自适应卡尔曼滤波的时分信号跟踪技术，采用卡尔曼滤波器对鉴相结果进行处理，在开环阶段根据前一时刻的最终状态对频率进行稳定外推。相比于传统跟踪环路，该技术的载波相位跟踪误差绝对值均值降低了92.9%，标准差降低了93.5%。实验结果表明，该技术不仅实现了开环阶段载波相位的稳定跟踪，且有效抑制了闭环阶段相位抖动的影响，对实现时分双工体制星间精密测量具有重要应用意义。     

双向时间传输数字中频接收系统的实现

介绍了双向时间传输的中频接收系统的数字化方案及其中采用的关键技术和算法。对伪码时域／频域二维N通道捕获、载波恢复FLL／PLL环进行了较详细的讨论。接收机硬件采用大规模可编逻辑器件，采用可编程的信号处理方法，使接收机的可靠性和灵活性都得到提高。     

DS/FH扩频测控信号同步方案的捕获性能

针对航天测控信号的高动态以及由载频跳变引起的多普勒频率周期跳变的特点,提出了一种基于快速频率识别和辅助机制的直扩/跳频(DS/FH)混合扩频测控信号的一种同步方案。建立了跳频图案,伪码相位及多普勒频率的三维同步捕获状态转移过程的数学模型,推导出三维捕获的平均捕获时间表达式,及在伪码相位误差、多普勒频移和高斯白噪声条件下的检测概率和虚警概率表达式。仿真分析了在采用时域匹配滤波、频域多通道的直扩捕获方式下,信号和捕获系统参数对三维捕获性能的影响。理论推导与数值仿真结果表明了同步方案的有效性,并为信号设计及捕获系统参数选择提供了理论依据和实际参考。