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.     

高动态GPS/BD2组合导航信号模拟器关键技术研究

高动态组合导航信号模拟器是高动态组合导航接收机设计验证的高效平台。本文给出了高动态GPS/BD2组合导航信号模拟器关键部分架构和实现方案,重点阐述了高动态信号的产生方法、提高模拟器运算效率的三次样条插值算法、反SINC滤波器补偿方法和保证模拟器通道一致性措施。对这一信号模拟器所产生的GNSS信号进行了验证。     

一种考虑GPS信号中断的导航滤波算法

针对无人机惯性（INS）/GPS组合导航系统,考虑导航过程中存在的GPS数据中断的问题,设计了一种改进的滤波算法。首先建立了无人机导航运动学模型,再将传统的扩展卡尔曼滤波（EKF）技术和强跟踪滤波结合,利用模糊理论中的隶属度函数设计了一种模糊强跟踪扩展卡尔曼滤波（STEKF）算法。仿真结果表明,所设计的改进算法能够快速适应GPS信号突变,即当GPS信号从故障状态恢复到正常状态时,改进算法相较普通EKF算法能更快速地收敛到稳定状态,重新完成对飞行状态的估计。同时相较普通EKF和强跟踪扩展卡尔曼滤波算法,改进算法具有更高的滤波精度。      

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.     

利用GPS接收机的精确轨道确定技术

利用GPS接收机的导航信息精确确定接收机载体航天器的轨道根数.给出了为确保10 m量级的定轨精度所必需的精确坐标系变换与时间系统变换公式,提出了采用GPS接收机的导航信息与摄动运动方程式外推的组合导航方法,以保证接收机天线被短期遮挡时导航仍能正常运行.     

软件GNSS信号模拟器架构与中频信号生成

软件GNSS(Global Navigation Satellite Systems)信号模拟器对于GNSS接收机的高效研发将做出重要贡献,因其结构灵活、开放性以及低成本.以GPS/Galileo组合系统为例,讨论了软件GNSS中频信号模拟器的架构,主要功能模块包括卫星星座仿真、接收机轨迹生成、传播通道特性仿真(包括电离层模型、对流层模型、多径模型等)、数字中频信号生成.在此基础上,着重阐述了数字中频信号生成模块的实现,功率谱图及分析结果验证了所生成的信号,包括GPS L1 C/A,Galileo E1 CBOC(Composite Binary Offset Carrier),Galileo E5a和E5b信号.     

GNSS信号模拟器通道群时延标定方法

传统的全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟器通道群时延标定方法有相位翻转点法和相关峰法两种,两者均在零伪距或固定伪距的特殊仿真场景下进行测量,且在通道传输特性非理想的情况下测得的群时延均存在偏差.提出了基于闭环伪距测量的模拟器通道群时延标定方法,并设计实现了GNSS信号模拟器通道群时延标定系统.首先,采用高速直接射频采样存储系统对模拟器正常星座动态仿真场景下输出的导航信号和秒脉冲(1 PPS)信号同时进行记录.其次,使用软件接收机对信号进行捕获跟踪,利用三次样条插值判定1 PPS上升沿位置作为伪距观测历元时刻,对软件接收机的伪距观测量和模拟器仿真的伪距记录值做数据比对,得到模拟器的群时延标定值.最后,分别利用上述方法对两种商用模拟器的群时延进行了标定,实验结果表明,闭环伪距测量法有效可行,测量不确定度优于0.7 ns.      

十二通道GPS信号发生器方案研制

为了测试GPS(全球定位系统)接收机的性能,需要应用GPS信号模拟器来模拟各种条件下真实的GPS信号.分析了单通道与多通道GPS信号的时域及频域特性,建立了十二通道GPS信号模拟器的数学模型.该模型应用了软件无线电的设计思想和内插理论,可以直接产生35.42MHz的中频信号,以降低硬件设计的复杂度.文中用SystemView软件的仿真结果验证了系统设计的可行性,并提出了该系统的硬件实现.      

高动态环境下GPS信号捕获研究

高动态环境信号的捕获是GPS接收机的关键技术,接收机处于高速运动的状态使GPS信号产生相位延迟和多普勒频移,增加了信号的捕获难度。分析了滑动相关捕获和基于FFT捕获两种算法,给出了基于FFT捕获算法的FPGA实现架构,并采用GPS信号仿真器对该设计的可行性进行了捕获验证。结果表明：在导航星相对载体的速度为1 000m/s,加速度为5g的情况下,基于FFT捕获算法可以实现信号的可靠捕获。     

一种新的SINS/GPS深组合导航系统设计

为了提高GPS在高动态、强干扰条件下的跟踪性能和导航精度,提出了一种新的SINS/GPS深组合导航方案.利用卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪回路,能够同时完成所有可视卫星信号和组合导航信息处理的任务;利用矢量跟踪算法加强各跟踪通道相互关联,增强跟踪通道对信号载噪比变化的适应能力,从而提高接收机在信号中断条件下的导航性能;利用相关器输出的I和Q路测量值直接作为导航滤波器的观测量,减小滤波过程残差,可以提高组合导航系统的导航精度和跟踪性能.仿真验证表明,这种基于矢量跟踪的深组合导航方案不仅在GPS信号中断期间能够保证系统的导航精度和可靠性,而且在低载噪比条件下可以增强导航系统的跟踪性能以及抗干扰能力.     

GPS卫星信号模拟器中频信号处理与实现

利用数字内插、数字滤波、A/D(Analog／Digital)变换等软件无线电方法,建立GPS卫星信号模拟器中频信号处理的数学模型,提出了数字IF(Intermediate Frequency)的实现方法,且在matlab中进行了中频电路建模、优化和验证,完成了从数字基带信号处理到模拟中频信号生成.电路实现时尽量降低信号处理频率,缩小高频信号处理范围.利用verilog在ISE6.3中完成了数字中频模块的设计和仿真,对仿真输出的数字序列进行FFT(Fast Fourier Transform Algorithm)频谱分析,并在FPGA(Field Programmable Gate Arrays)中实现.      

一种基于假设检验的多重渐消卡尔曼滤波

提出了一种基于假设检验的带多重渐消因子卡尔曼滤波的新算法.该算法采用χ2检验法,通过渐消因子矩阵对卡尔曼滤波器的噪声方差进行在线修正,从而使滤波器在对象模型存在误差或对象受到外扰时仍然收敛,同时能够提高系统的精度.该算法应用于车载GPS (Global Positioning System)/INS(Inerial Navigation System)组合导航系统中,取得了良好的效果.      

捷联惯导/里程计组合导航方法

针对车载自主导航需求,基于卡尔曼滤波器,实现捷联惯导与里程计量测信息的组合导航.推导了里程计误差模型,结合捷联惯组误差模型与捷联系统误差模型,建立了捷联惯导/里程计自主组合导航系统误差状态模型.建立了捷联惯导/里程计组合导航量测模型,阐述了估计误差修正方法.采用仿真计算对此方法进行了验证,仿真结果表明:组合导航过程中,初始姿态误差能得到有效估计,姿态误差和位置误差均能控制在一定精度范围内,应用此组合导航方法相对于传统的航位推算方法能得到更高的导航精度,能有效实现自主高精度定位定向.     

基于FPGA的移动通信衰落信道的建模与实现

介绍了一种基于现场可编程逻辑阵列器件(FPGA)的中频移动通信衰落信道模拟系统设计方案,它可以模拟在地面环境下的移动通信传播特性.该系统可以在实验室条件下评估移动通信终端的性能.利用FPGA作为数字信号处理平台来实现可调的衰落带宽以及多径延时.介绍了一个模拟最多三个不同传播路径的典型多径效应模型,通过增加相同的单元数目可以实现更多路径的模拟.该通道衰落模拟系统专为速度达到120km/h以及多径时延达到9μs的移动单元设计.     

GNSS模拟器中频调制卡设计与实现

GNSS(Global Navigation Satellite System)信号模拟器能够根据用户所设置的GNSS系统和信号形式、载体动态和环境参数,精确模拟出载体收到的卫星信号,这为GNSS系统级仿真试验和接收机的测试提供一种高效的工具.主要研究兼容多系统多频点的卫星信号模拟器中频信号发生器和数字信号处理技术,提出了数字合路与功率控制的方法和信号相位精确模拟的途径;在基于PCIE+DSP+FPGA+DAC架构的中频板卡上完成了与PC通信、波形控制参数计算和更新、基带信号调制以及模拟中频信号的产生;最后给出了与相应的GNSS接收机的对接结果,验证了所产生中频信号的正确性和信号质量.     

采用GPS或INS／运动方程确定气动力变轨段导航信息

基于航天器气动力辅助变轨的基准飞行轨道,提出采用ＧＰＳ（或ＩＮＳ）／运动方程来确定航天器的六自由度导航信息。采用航天器高超音速空气动力的近似计算公式,导出了ＧＰＳ（或ＩＮＳ）／运动方程导航方案的滤波方程、观测方程等。数字仿真表明,ＧＰＳ（或ＩＮＳ）／运动方程导航方案的精度高于ＧＰＳ或ＩＮＳ,而且较单纯的ＧＰＳ或ＩＮＳ增加了导航信息冗余度。     

脉冲多普勒雷达导引头目标回波模拟器校准技术研究

本文提出采用软件无线电技术实现某型脉冲多普勒雷达导引头目标回波模拟器的校准。使用频谱仪及示波器组成校准装置实现被校信号射频到中频的变换及A/D转换,使用LabVIEW软件实现A/D转换后信号的数字正交解调及参数提取算法,进而实现雷达导引头目标模拟器的脉冲幅度、多普勒频率及延时参数的自动校准。     

INS辅助的GPS接收机跟踪环结构和性能分析

分析了GPS/INS的不同组合方式,研究了GPS接收机跟踪环的结构,给出了多普勒频移和时钟误差频率的外部估计方法,提出了一种使用低成本惯性器件信息辅助GPS接收机跟踪环的深组合(deepintegration)结构,建立了这种结构的前馈模型,并对其进行了仿真分析。仿真结果表明,这种结构可以使得接收机具有较宽的跟踪带宽和较好的抑制噪声能力,能显著提高GPS接收机的性能。