轨道预测辅助GPS载波跟踪技术用于低轨道卫星定位研究

针对低轨道卫星及其特定的运动环境,研究了星载GPS接收机载波跟踪问题。基于卫星轨道可模化、可预测的特性,提出了利用预测卫星轨道计算多普勒频移,并用于辅助载波环路跟踪的新方法。该方法有效地降低了低轨道卫星GPS信号跟踪中的动态,从而在跟踪过程中可以采取降低环路阶数、减小环路带宽、增加预检测积分时间这几种措施来提高环路跟踪弱信号的能力,有助于提高低轨道卫星的定位性能。     

高轨环境下BDS弱信号跟踪技术研究

针对高轨接收机需要接收来自地球对面的导航卫星信号而导致接收功率过低,且存在较大多普勒频移和多普勒频移变化率的问题,对适用于高轨导航接收机的BDS("北斗"系统)信号跟踪技术进行研究。通过STK(卫星开发工具包)建立仿真场景对HEO(大椭圆轨道)接收导航信号特性分析,根据仿真指标重新设计了弱信号跟踪环路结构以及对应的跟踪流程,并特别针对BDS B1I跟踪中存在的NH(Neumann-Hoffman)编码问题,提出滑动相关法去除NH码的方式,来延长预检积分时间。仿真表明,通过1ms稳定跟踪之后,采用滑动相关法去除NH码,将环路预检积分时间延长至20ms,跟踪环路能够成功跟踪高轨环境下C/N0=26dBHz的低信噪比BDS B1I信号,满足导航应用需求。     

基于极大似然估计器的GNSS矢量跟踪算法

矢量跟踪是一种将全球导航卫星系统(GNSS)接收机的信号跟踪与导航解算融为一体的跟踪算法。传统的基于矢量延迟/频率锁定环(VDFLL)的跟踪算法普遍采用延迟锁定环(DLL)和锁频环(FLL)鉴别器计算伪距和伪距率偏差观测量,由于锁频环鉴别器存在近似误差和一步延迟效应,在高动态环境下容易造成环路失锁。从直接估计卫星信号特征参数的角度出发,基于中频信号模型构建码相位和载波多普勒的极大似然代价函数,采用非迭代估计算法得到各通道码相位和多普勒频移的估计偏差,转换为卡尔曼滤波器的观测矢量,提出一种基于极大似然估计器(MLE)的矢量跟踪算法。理论分析和仿真结果表明:新算法结合了极大似然估计和矢量跟踪的优点,克服了FLL的延迟效应,与基于VDFLL的矢量环路相比,高动态环境下的跟踪稳定性更好,可以对被遮挡的卫星保持持续的跟踪。     

弹道辅助的弹载接收机伪卫星信号快速捕获方案

 为实现导航式弹道修正弹在高动态环境下对导航信号的快速捕获且摆脱全球定位系统(GPS)的限制,提出了一个完整的基于伪卫星区域定位系统的弹载接收机信号快速捕获方案。首先利用期望弹道辅助获得多普勒频移初始值以缩小多普勒频移搜索范围,然后采用改进的搜索策略进一步减小多普勒频移搜索时间,最后利用三次样条插值法处理相关谱谱峰及邻近采样点的数据以提高低频采样下粗捕获(C/A)码相位的测量精度。算法分析及仿真结果表明,所提方案能有效缩短多普勒频移搜索时间,提高PN码相位测量精度。     

低轨卫星多普勒频移特性的快速计算

地面站利用低轨卫星进行通信时,地面接收站接收信号存在明显的多普勒频移现象。为描述多普勒频移特性,首先分析卫星轨道偏心率对多普勒特性曲线的影响,分析表明：轨道偏心率越大,地面站接收信号多普勒变化率越大。其次,推导了卫星多普勒频移的计算表达式,并讨论了低轨卫星多普勒频移特性曲线的快速计算。仿真计算结果表明,该算法可以很好地描述任意低轨道卫星多普勒频移特性,并明显缩短了精确算法的计算时间,对于10 000km轨道高度卫星,算法置信度可达99%以上。     

基于FPGA的北斗B1频点接收机 基带信号处理器设计

针对北斗二代B1频点信号比特翻转频繁的问题,设计并实现了基于FPGA的北斗B1频点导航接收机基带处理器.该处理器在信号捕获过程中设计了频率精细搜索的精捕获算法,避免了假捕获并且提高了捕获频率的精度;在载波跟踪环路中设计2阶锁频环辅助3阶锁相环的方案,以提高环路跟踪的动态性能.其中,锁频环和锁相环均设计了对比特翻转敏感的鉴别器,保证环路跟踪的准确性.试验结果表明,该基带处理器设计具有较高精度的捕获频率和良好的高动态跟踪能力.     

极弱信号环境下GPS位同步和载波跟踪技术

为解决环路未锁定、无法找出正确的导航数据位跳变点时极弱全球定位系统(GPS)信号跟踪问题,通过分析信号跟踪模型和相关器1 ms采样数据特性,将最优路径动态规划算法应用于GPS位同步,并提出基于平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)和位同步结合的载波联合跟踪算法。建立了适合位同步的SRUKF载波环参数估计模型,针对位同步的实现条件和无相位频率先验信息的情况,将位同步模块提前,研究设计了环路未锁定时串行和并行两种弱信号跟踪方案。位同步跟踪完成后环路采用单独的SRUKF工作方式。实验结果证实该文提出的算法具有较高的数据位边缘检测概率(EDR)和参数估计性能,而无须关心环路是否处于锁定状态,能够对载噪比低至22 dB/Hz的弱信号实现跟踪。     

基于I、Q信号的北斗接收机跟踪环路设计

传统的北斗接收机一般采用标量跟踪环,每个通道的卫星相互独立,在此 基础上,又发展起来了基于矢量跟踪的接收机,使每个通道的卫星跟踪不再相互独立。 提出的基于I、Q 信号观测的接收机跟踪环路,保留矢量跟踪的特点,并且采用EKF 作 为跟踪环路预处理滤波器,代替传统跟踪环路的鉴别器,可以在高动态的环境下对卫星 信号进行跟踪,提高环路的稳定性,从而可以有效地提高BDS/INS 深组合导航滤波器观 测量的估计精度。主要对高动态信号跟踪进行仿真,并与传统的标量跟踪方法和矢量跟 踪方法的跟踪能力进行比较。实验表明, 改进的矢量跟踪环能够在高动态的环境下运 行,比起传统环路有更小的跟踪误差。     

基于鉴相器的矢量跟踪环设计

基于鉴相器的矢量跟踪环是锁定导航卫星码和载波的一种跟踪算法,这种算法适合于在弱信号环境下进行跟踪。矢量环不仅充分利用信号跟踪和导航状态解算之间的内在耦合关系,而且每一通道中采用鉴相器和锁频环结合的方式,系统一步内完成信号跟踪和导航解算任务。反馈控制量NCO是由导航滤波器和环路内部滤波器共同产生。实验表明,矢量跟踪环具有快速重捕获特性,能够在弱信号的环境下运行,比起传统环路有更小的跟踪误差。     

一种鲁棒GNSS矢量跟踪环

复杂环境下导航接收机的连续可用性一直是卫星导航领域的研究重点。针对矢量跟踪环动态适应性不够和误差在通道间传播的问题,提出一种鲁棒全球导航卫星系统(GNSS)矢量跟踪环。基于各通道的伪距、伪距率和伪距加速度状态量构建扩展卡尔曼滤波器(EKF),通过灵活设置过程噪声方差阵,实现跟踪通道的耦合与解耦;采用基于极大似然估计器(MLE)的鉴别器生成码延迟和载波频率偏差观测量;利用滤波值修正并预测伪距率来控制本地数控振荡器(NCO),实现环路的闭合。仿真结果表明,本文设计的矢量跟踪环在保证环路相互辅助的基础上,避免了衰减通道误差在通道间的传播,可以对被遮挡信号保持稳定跟踪,鲁棒性优于传统矢量延迟频率锁定环。     

基于UKF准开环结构的高动态载波跟踪环路

 对高动态环境下的全球卫星导航系统（GNSS）载波信号跟踪方法进行了研究。在分析高动态载波信号模型的基础上,提出了一种基于无迹卡尔曼滤波（UKF）的准开环载波跟踪方法。此方法能够消除导航数据二进制相移键控(BPSK)调制的影响,并采用四维UKF相位估计模型提高跟踪精度,同时对估计值进行补偿以减少滤波器的滞后性。通过模拟接收机的高动态运动轨迹,从跟踪误差、跟踪结果和补偿效果3个方面,与基于卡尔曼滤波（KF）的锁频环(FLL)辅助锁相环(PLL)结构的传统跟踪方法进行比较,结果表明基于UKF的准开环跟踪方法能够有效地完成高动态环境下的载波跟踪。     

基于滑动DFT和插值DFT算法的GPS信号载波跟踪方法

 在分析GPS接收机跟踪环路信号特征的基础上,将滑动离散傅里叶变换（DFT）算法和插值DFT频率估计算法相结合,提出一种在频域进行的载波跟踪方法。该方法首先根据捕获时得到的粗略载波频率估计值确定计算DFT值点的范围,然后利用滑动DFT算法计算这部分点的DFT值,最后利用插值DFT频率估计算法估计载波频率,进行跟踪环路中载波频率的更新。该方法计算复杂度低,便于实际应用。仿真结果显示,该方法能够对载波频率正确跟踪,验证了算法的可行性。     

一种高动态低信噪比下载波快速捕获跟踪方法

针对高动态、低信噪比的接收信号,首先对整个多普勒频率范围进行分段,并在每一段内利用本地产生的带有多普勒频率变化率的复信号来抵消接收信号中多普勒频率变化率的影响,然后在每一段内利用FFT（FastFourierTransform,快速傅里叶变换）进行载波频率并行捕获,从而同时完成载波多普勒频率及其变化率的初步估计。利用载波多普勒频率及其变化率估计信息辅助锁频环快速入锁,进而利用锁频环辅助三阶锁相环完成载波信号的锁频锁相跟踪。使用这种方法,可以快速获取信号的多普勒频率及其变化率信息,并且在极短时间内完成载波的稳定跟踪,使接收设备具备快速捕获跟踪大动态弱信号的能力。     

高动态扩频信号的捕获跟踪与解调

本文给出了一种高动态扩频信号的跟踪解调方法，采用数字平方环载波捕获跟踪，并实施数字下变频对无载波频率变化的扩频信号进行简单相干积累解扩解调，变二维捕获过程为两个一维捕获过程，简化了高动态情形设计方案。     

基于矢量跟踪的MEMS-SINS/GNSS深组合导航系统

针对在载体高动态运动时,由Doppler频移剧烈变化而导致的MEMS-SINS/GNSS组合导航系统精度降低的问题,修正了GNSS卫星信号模型,设计了一种深组合导航通道滤波器,并形成了完整的深组合导航方案。基于矢量跟踪结构的深组合导航方案,通过滤波器对载体的导航参数进行估计,将相互独立的各通道信息结合起来,并利用各卫星位置之间的关系,提高了高动态环境中的跟踪能力。仿真结果表明,基于矢量跟踪结构的深组合导航方案可以有效减少高动态对导航精度的影响,提高组合导航系统的输出精度。     

一种低复杂度的极低信噪比高动态信号载波粗捕获算法

 针对传统的时域匹配平均周期图算法计算复杂度高的问题,对极低信噪比高动态信号的载波粗捕获算法进行了研究,提出了一种改进的带有补零的频域移位平均周期图算法。该算法采用多速率频域移位运算简化了多支路多普勒变化率匹配,与原算法相比,其计算复杂度降低倍数为匹配支路数与补零倍数之比,捕获性能几乎不损失。给出了算法中影响捕获性能与计算复杂度的关键参数设计方法。在信噪比(SNR)为－41 dB(载噪比C/N₀=18 dBHz)、载波多普勒频偏为－300～300 kHz、多普勒变化率为－800～800 Hz/s、码速率为20 bps条件下对两种算法进行了仿真,结果表明在基本满足后级载波跟踪需求条件下,即频偏精度均达±12 Hz时,多普勒变化率精度均达±25 Hz/s,捕获概率都在90%以上时,改进算法捕获时间比原算法增加了8%,计算复杂度降低了70%。     

全球卫星导航系统兼容性分析方法研究

根据全球卫星导航系统信号捕获、载波跟踪和数据解调的原理,优化了等效载波功率与噪声密度比模型。针对有多普勒频率时的情况,提出了C/A码自干扰时的捕获-频谱隔离系数。结果显示,随着多普勒频率的变化,频谱隔离系数有着明显的变化。通过对仿真结果的分析,验证了模型的有效性,也为后续卫星导航信号的优化设计提供了支持。     

基于MEMS-INS/GNSS组合导航抗差自适应Kalman滤波算法

标准的Kalman滤波器在组合导航领域得到了广泛的应用,然而在实际运动过程中,载体的运动模型是复杂多变的,无法准确掌握系统的动态特性。针对高动态环境下载体动态复杂多变特性带来的动力学模型难以精确构建问题,以及卫星跟踪环路信号易受扰动导致的观测信息出现异常粗差问题,设计了一种基于MEMS-INS/GNSS组合导航系统抗差自适应Kalman滤波算法,研究了优化自适应因子的求解方法。通过跑车试验证明了该算法能够有效地抑制误差发散,提供更加精确的导航定位结果,更好地控制观测信息误差以及动力学模型异常所带来的影响。