GNSS接收机中一种自适应比特同步的新颖算法

为了降低全球卫星导航系统(GNSS)接收机做比特同步的平均估计时间,提出一种自适应比特同步的新颖算法。分析了传统的最大似然比特同步算法,找到了信号强度、比特能量最大值和非相干累加次数三者之间的关系。在此基础上,利用比特能量最大值来设置门限约束非相干累加次数,使得比特同步算法可以针对不同信号强度来自适应地调整非相干累加次数。仿真分析表明,当预设的门限值为1.5?108时,与传统的固定非相干累加比特同步算法相比,所提出的自适应算法的正确同步概率性能只略微下降了5%,但平均估计时间缩短了85%,使得接收机的首次定位时间大幅度减少。     

针对闭环大时延的GNSS数字锁相环路设计

在GNSS终端方案设计中，跟踪环路闭环大时延将导致传统数字跟踪环路模型与实际模型的偏离，极大限制了归一化噪声带宽的约束极限，从而影响了环路的动态性能及跟踪精度。为解决这一问题，通过分析环路噪声带宽或相干积分时间发生变化对跟踪环路Z域离散模型极点位置的影响，采用参数化根方法设计了数字环路滤波器，实现了高延时情况下数字锁相环路的稳定工作。实验结果表明，相比于传统跟踪环路，在闭环时延100 ms情况下，考虑闭环大时延设计得到锁相环路的归一化噪声带宽能够实现从0.08到1.321的扩展，对于高动态、弱GNSS信号的跟踪及后续导航解算具有重要意义。     

基于差分相关积分的北斗弱信号快速捕获方法

为了提高北斗接收机弱信号捕获灵敏度,解决数据比特跳变和NH码相位变化限制相干积分时间延长的问题,提出了一种基于复数型差分相关积分的北斗弱信号捕获算法。首先,在分析了北斗信号特点的基础上,对常用弱信号捕获算法进行数学分析;然后,设计了按照采样点进行延迟差分的复数型差分相关积分算法,采用正交采样方法获得复数型中频数据,利用FFT变换实现对码相位和载波频率的并行搜索;最后,利用软件接收机开展仿真验证,实现了5 ms、10 ms和20 ms的差分相关积分,积分后信噪比提升约7 d B、10 d B、13 d B。该算法极大地削弱了北斗信号比特跳变和NH码相位变化的影响,有效提高接收机弱信号捕获能力;采用基于FFT算法进行并行搜索,相比传统捕获算法极大地缩减了捕获时间,并适用于全部北斗信号和GPS信号,无需考虑GEO和非GEO导航电文的差异。     

基于长时间差分相关/最大似然法的北斗信号位同步算法

北斗信号二次编码调制了速率为1 kbps的NH码,频繁的比特跳变将相干积分时间限制在1 ms,需要对信号实现位同步获得比特边缘信息和NH码相位信息。为了实现弱信号、大频偏条件下北斗信号的位同步,解决频繁比特跳变和大频偏对传统位同步算法的性能影响问题,提出了一种基于长时间差分相关的最大似然位同步算法。首先,采用差分相关运算去除剩余频率误差的影响,并将差分延迟时间设定为整数倍比特周期以去除NH码的影响;其次,基于最大似然函数进行差分相关后的相干和非相干检测,提高弱信号条件下的位同步检测概率。最后,采用蒙特卡洛仿真测试分析了载噪比为20~40 d B·Hz、不同频率误差的条件下,此算法与传统位同步算法的检测性能。结果表明在频率误差为50 Hz的条件下,传统位同步方法无法工作,本文提出的算法仍具备较好的检测性能。该算法能够有效地去除北斗NH码频繁相位变化对位同步的影响、减弱频率误差对位同步性能的衰减作用,以及通过相干/非相干累积获得弱信号能力,该算法适用于弱信号、大频率偏差条件下的北斗信号位同步。     

矢量频率跟踪辅助锁相环的设计与实现

由于传统卫星导航矢量跟踪环路使用矢量频率跟踪环路,无法实现对载波相位的跟踪,难以实现载波平滑码伪距,其定位和测速精度较低。针对上述问题,提出了一种新型面向高精度的矢量跟踪算法,采用矢量频率锁定环辅助锁相环代替传统的频率锁定环路辅助锁相环,通过矢量频率跟踪环路实现更精确的频率跟踪,再进行载波相位跟踪和码相位平滑,从而提高接收机的载波相位跟踪和定位性能。给出了上述结构的理论性能分析结果,并通过模拟信号和软件接收机进行了静态和动态两种场景的实验验证。结果证明,矢量频率跟踪辅助锁相环能够充分利用多个信号跟踪通道的矢量关系,在10个卫星同时跟踪的条件下,将载波相位原始观测量精度提高16%,速度精度提高40%左右。     

多源异构超紧组合非线性信息互耦合方法及特征分析

惯性/卫星超紧组合技术核心将卫星导航接收机基带信号处理过程中的环路非线性信息与惯性导航信息进行深层次互耦合。在研究超紧组合多信息源异型耦合架构特征及互耦合机理的基础上,对比分析了超紧组合非相干及相干互耦合方法,总结了不同超紧组合观测矢量提取方法及环路模型,然后设计了超紧组合互耦合信息处理流程及信号NCO(数控振荡器)控制方法。最后,利用仿真平台对非相干及相干方式进行了卫星信号受干扰及载体动态变化环境下的试验对比分析,结果表明超紧组合相干方法相较于非相干方式具有更优的观测矢量提取性能及抗干扰性能。     

一种GNSS/SINS容错深组合导航系统设计

卫星惯性深组合导航技术是卫星惯性组合导航领域最有前景的技术之一。深组合导航系统的关键技术之一就是矢量跟踪环路技术,当一个或者多个通道信号质量较差时,组合导航滤波器必然会受影响,从而会影响矢量跟踪环路的参数计算,因此通道运行状态的实时检测十分必要。针对此问题,为每个通道设计了新的通道子滤波器和对应的子滤波器状态检测函数,当通道存在故障时,能够及时检测出故障并对故障通道进行隔离;当通道恢复正常时,也能够及时检测到并充分利用恢复正常的通道卫星信号。仿真结果表明,在部分通道卫星信号被遮挡导致伪距异常的环境下,改进的矢量跟踪环路提高了矢量跟踪卫星惯性深组合的导航性能,有效遏制了故障通道对组合导航系统的影响。     

一种基于半毫秒积分的动态北斗信号载波频率牵引方法（英文）

针对动态下北斗信号频繁比特跳变引起锁频环鉴频错误进而导致环路失锁的问题,提出了一种基于半毫秒积分的载波频率牵引方法。在每毫秒的载波频率牵引过程中,首先提取两组位于同一数据比特时延下的半毫秒相关积分值,然后采用四象限反正切鉴频器对两组半毫秒相关积分值进行鉴频,再根据鉴频结果调整载波数控振荡器输出的本地载波频率,实现大范围载波频率牵引。以动态条件下北斗B3I信号为研究对象,进行了跑车试验和高动态环境模拟仿真试验,试验结果表明,所提出的方法不仅克服了比特跳变对锁频环的影响,同时将载波频率牵引范围扩大为传统方法的四倍左右(动态跑车实验验证了872.5 Hz下的有效性),适用于动态环境下的北斗信号处理,并且算法复杂度较低,易于工程实现。     

硬件可实现的GNSS/INS矢量深组合跟踪环路（英文）

GNSS矢量跟踪环路(VTL)跟踪灵敏度和定位精度优于标量跟踪环路(STL),但实现复杂度高,三个主要难点是:多通道联合跟踪要求各通道同时获取观测量并在同一时刻更新环路参数;高频率计算卫星位置加重处理器运算负担;无法跟踪载波相位导致无法解调导航电文。以上三个难点阻碍VTL在硬件平台上实现,因此商业接收机通常使用容易硬件实现的STL,但性能次优。为了在嵌入式硬件平台上实现VTL,引入三种方法:异步观测量线性插值、卫星位置计算算法优化、特殊的导航电文解调方法,之后通过仿真验证优化算法的功能及性能。使用航迹发生器生成飞机协调转弯航迹,再使用GNSS卫星信号模拟器产生中频采样信号,基于Matlab平台处理数据并进行了对比分析。仿真结果表明该VTL计算卫星位置效率提升55倍,成功解调导航电文,VTL位置精度优于3 m,速度精度优于0.3 m/s,基于该VTL的矢量深组合(VDI)算法位置精度优于2 m,速度精度优于0.1 m/s。     

基于实时调节GPS射频前端采样周期的INS辅助GPS组合导航方法

为了提高GPS卫星接收机在高动态环境下的跟踪能力,提出了一种基于GPS射频前端采样周期实时调节的INS辅助GPS组合导航方法。首先通过组合滤波器将INS导航信息和GPS导航信息进行融合,修正INS导航信息误差。然后利用修正后的INS导航信息和GPS导航电文,实时计算出载体相对于每颗卫星的多普勒频移,并将得到的多普勒频移换算为GPS中频信号载波的波长变化。最后根据载波的波长变化实时调节GPS接收机射频前端ADC的采样时间间隔,补偿因为多普勒频移导致的中频数字信号采样点变化,隔离多普勒频移对GPS接收机跟踪环路的影响。仿真结果表明,此方法可以在不改变传统GPS接收机跟踪环路结构的前提下,显著提升GPS接收机的高动态性能,即使在多普勒频移变化率为5000 Hz/s的情况下,GPS跟踪环路仍能可靠工作。     

基于矢量跟踪的SINS/GPS深组合导航方法

为了满足高动态用户及强噪声干扰条件下的应用需求,提出了一种基于矢量跟踪的SINS/GPS深组合导航方案。深组合方案利用组合卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪环路,能够同时完成所有可视卫星信号跟踪和组合导航信息处理的任务;利用相关器残差来更新导航参数状态,同时根据已有的导航参数和星历信息推测GPS伪码相位和多普勒频移等信号跟踪参数,用以控制接收机的本地伪码、载波数控振荡器（NCO）,使本地伪码相位和载波频率与输入信号保持一致。最后,通过仿真验证表明,基于矢量跟踪的深组合方法不仅在GPS信号发生短暂中断期间,能够保证组合系统的导航精度和可靠性,而且在载噪比较低的环境中能够维持较好的伪码相位和载波频率跟踪性能。     

惯导速度辅助下GNSS高精度定位

传统的卫星导航接收机无法同时适应高动态和高精度要求。对于10g以上的加速度,高精度接收机很难达到高精度的指标,甚至基带环路失锁无法正常导航定位。针对GNSS动态条件下高精度定位需求,引入惯性/卫星深组合导航技术,在应用惯性信息辅助接收机减小基带跟踪环路带宽基础上,采用码片窄相关方法降低伪距抖动误差,提高动态条件下GNSS伪距定位精度。仿真结果表明:通过惯性信息辅助跟踪环路可实现较小跟踪环路带宽下的稳定跟踪;在此基础上,通过码片窄相关方法并提高射频前端带宽可实现定位精度的提高。对比传统的伪距定位方法,定位精度(1?)从6 m提高到3 m左右。     

环路跟踪卡尔曼滤波算法的性能分析

基于卡尔曼滤波的环路跟踪算法多是通过一定仿真证明算法性能,没有系统性性能评估,难以较好指导工程应用。在原有算法基础上进行了优化,并系统性地对比分析、评估了基于卡尔曼环路滤波算法性能,以期为算法工程化提供指导。首先提出对跟踪环路反馈调整量进行预测,使之更符合系统实际,减小环路跟踪误差。而后基于卫星信号模拟器输出信号和自生产信号源,充分评估基于卡尔曼滤波环路跟踪算法的收敛时间和灵敏度。仿真结果表明,相比目前工程常用的二阶FFL辅助三阶PLL算法,基于卡尔曼滤波环路跟踪算法能够缩短环路所需稳定时间约90%,并能提升跟踪灵敏度约5 d B,有效改善弱信号场景中接收机输出信息的完好性和连续性。     

基于概率统计方法的微弱GPS信号捕获算法

微弱GPS信号的信噪比较低,需采用更长的相干和非相干积分时间增强信噪比,提出一种从概率统计角度分析相干和非相干积分运算过程的方法。首先给出了复数下变频信号输入的相关运算表达式;然后推导了相干积分的相关输出数学期望和方差,计算出单元捕获失败的概率密度和概率表达式;最后,用Matlab对GPS信号的相干和非相干积分进行仿真。仿真结果验证了捕获失败概率表达式的结论,即由于高斯近似和非相干平均产生的性能损失,非相干积分的捕获性能比相干积分弱3.5 dB。     

基于环路相关积分观测的SINS/GPS深组合导航算法

深组合模式下惯性系统与卫星接收机基带信号进行深层次融合,可实现惯性和卫星导航系统的双向辅助。在分析深组合技术原理的基础上,研究了直接利用相关积分输出作为观测量构建环路预处理滤波器的方法,有效减小了传统跟踪环路中信号参量的估计误差;然后设计了基于环路相关观测信息的深组合系统主滤波器模型,实现了原跟踪环路中复制信号生成的外部控制;最后,利用深组合仿真平台对卫星信号载噪比变化环境下的紧组合与深组合性能进行实验对比分析,结果表明深组合算法在弱信号环境下具有环路失锁后快速恢复跟踪的特点及稳定的导航性能。     

高动态GNSS接收机载波跟踪环自适应最优带宽设计与试验

对于大多数高动态接收机,通常采用2阶FLL辅助的3阶PLL环路结构,由于存在FLL环路,导致跟踪精度的下降。针对卫星接收机的动态性能和信号载波功率噪声密度比,在综合考虑接收机跟踪环路中的各种误差源(热噪声、晶振误差、动态牵引误差等)的基础上,采用自适应最优带宽技术,设计一种适用于高动态的3阶PLL载波跟踪环。采用基于GPS数字中频信号的数字仿真和GNSS信号源对所设计的自适应最优带宽进行了验证,验证结果表明:在加速度为30g、过程中存在加加速度为30g/s的高动态情况下,采用18 Hz 3阶PLL不能对信号进行跟踪,而采用所设计的自适应最优带宽的3阶PLL环可以对信号进行可靠的跟踪;同时,和固定带宽接收机比较,所设计载波跟踪环环路能够跟踪50g的高动态Compass卫星信号,而采用固定带宽接收机失锁,并且定位精度优于1 m(2σ),测速精度优于0.2 m/s(2σ)。     

一种新型深组合GPS／INS系统的设计与性能仿真研究

本文提出和研究了一种新的深组合ＧＰＳ／ＩＮＳ系统设计方法，它适用于干扰环境中的各类高动态载体。其特点是利用自适应码跟踪误差估计器，使组合卡尔曼滤波器获得白化的伪距量测残差，将组合卡尔曼滤波器纳入码跟踪环路，用以代替传统的速率辅助的延迟锁定环。组合卡尔曼滤波器根据信号的噪声、动态、以及ＩＮＳ的误差，自适应地改变码环的跟踪特性，同时也完成惯性导航系统误差的估计。它能克服常规组合系统不稳定性问题，仿真结果表明，在机动飞行和强干扰状态下，这种组合导航系统具有较高的导航精度和良好的信号跟踪及抗干扰性能。     

基于软件GPS接收机的高动态跟踪环路设计

介绍了三阶载波跟踪环路的设计方法,并在MATLAB软件上通过低动态实验和高动态仿真实验对设计的跟踪环路性能进行验证。低动态实验采用中频信号采样器采集的真实GPS信号,高动态实验采用GPS信号仿真器生成的高动态仿真信号。实验结果表明,基于软件GPS接收机设计的二阶载波跟踪环路可满足一般低动态要求,而三阶载波环路则可满足载体相对于卫星加速度为10个g的高动态要求。     

应用PID思想的高动态GPS载波跟踪环路设计

传统的GPS载波跟踪环路对载体的高速运动敏感,难以适应动态环境下基带处理的要求,因此提出一种应用PID思想,融合频率误差微分控制项的环路优化设计方案。分析了载波跟踪环路锁相环的基本结构,将环路中对本地数控振荡器的控制近似为PI模型;根据锁相环的相位输出结果,提取频率误差量,作为增加的微分控制项的输入;适当选取模型参数,构建应用PID控制的GPS载波跟踪环路。仿真结果初步表明,改进方案的环路达到稳态时间比原始方案缩短了10 ms以上,在动态适应性方面显著优于传统跟踪环路。     

多通道联合控制数控振荡器的环路设计

信号跟踪是卫星导航接收机的核心处理技术,提升跟踪处理性能可弥补卫星导航易受干扰和遮挡的固有不足,具有重要的应用前景。在分析信号跟踪和测量的基本原理上,利用误差估计关系建立了定位域和信号域的物理联系桥梁。通过抽象的跟踪环路传输模型,归纳出提升环路性能的技术途径,改变了传统环路相互独立的设计思路,利用加权最小二乘算法设计了多数据源联合控制数控振荡器的矢量化环路跟踪算法,并从理论和仿真实验两方面对算法的性能进行了全面的对比分析。结果表明,该方法在与普通接收机处理复杂度相当的情况下,可提高环路在弱信号环境下的处理能力,多通道联合辅助某一弱信号通道时可提高6 d B的增益,多通道联合跟踪相对比各通道独立工作可提高3 d B的增益。