北斗/INS深耦合接收机基带滤波器设计

随着北斗导航系统的组网,北斗/INS深耦合接收机的研制具有重要价值。传统的接收机基带滤波环路通常为相互独立的载波环路滤波器与码环路滤波器,码环路无法充分利用载波环路的信息,因此码环的动态性能受到限制。设计了载波/码组合滤波器,将载波环与码环的测量信息在一个滤波器内进行耦合,实时估计码相位、载波相位、多普勒频移与其变化率。通过北斗B3频点实际静态数据和GNSS模拟器采集的卫星-用户视线方向40g高动态数据进行离线跟踪测试,载波/码组合滤波环路可跟踪40g高动态信号,且静态数据的跟踪精度相比传统滤波环路提高27%。上述算法成功应用于基于Xilinx平台的卫星信号处理设备在线跟踪。提出的组合滤波器结构简单,测试有效,为北斗/INS深耦合接收机的工程实现提供参考。     

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。     

旋转状态下的GPS信号跟踪性能

对于旋转载体采用圆柱共形微带天线更易实现对GPS信号稳定和连续的接收,然而接收得到的信号含有载体旋转引入的调制效应,对接收机跟踪环路提出了较高的要求。在考虑圆柱共形微带天线相位中心偏移的基础上,分析了载体旋转对GPS载波相位和频率的影响,研究了旋转状态下接收机跟踪环路的性能。仿真结果表明：为了减少旋转引入的动态应力误差,保持对GPS载波相位的稳定跟踪,必须相应的增大接收机跟踪环路的带宽,且旋转状态下二阶环路的跟踪性能要好于三阶环路。     

GPS软件接收机宽载噪比载波频率精确捕获策略

为给GPS软件接收机的跟踪环提供精确的初始条件，捕获后得到的载波频率应在几十Hz范围内，所以必须寻找一种既能精确测量载波多普勒频移，又能有较快运算速度的方法。针对这一特点，提出了一种载噪比较高时采用相位测量和较低时采用长相干处理的载波频率精确估计策略。利用Matlab 仿真产生的卫星中频数据作为数据源对该策略进行验证，结果表明当输入信号的载噪比大于35.5 dB·Hz的时候，相位测量算法得到的多普勒频率值的误差保持在约10 Hz之内。对于微弱信号的捕获，如果将相干处理的时间从200 ms扩展到600 ms，捕获频率的误差从3 Hz减小到0.5 Hz。此外，与传统的FFT方法相比，该方法的加法和乘法运算量分别降低了96.2%和35%。测试结果体现了该算法的有效性和优越性。     

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。     

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。     

结合GPS测姿技术的空中修正方案研究

文中提出一种结合ＧＰＳ载波相位测姿技术对弹上惯导进行空中修正的方案。在导弹飞 行过程中，利用ＧＰＳ载波相位测姿技术确定导弹方位，结合位置信息对弹载平台的姿态误差 进行修正，使之达到精度要求。文中论述了利用双天线ＧＰＳ接收机的载波相位信号测定载体 方位的原理，采用某型国产ＧＰＳ接收机进行了静态实验，验证了使用该型接收机的技术可行 性；讨论了利用位置及方位信息估计与修正平台姿态误差的三种方案，给出仿真结果及结论。     

基于射频前端的GPS软件接收机设计与验证

介绍了基于硬件射频前端的GPS软件接收机设计与验证。针对GPS串行的搜索算法速度慢的缺点，采用了高速的并行码相位搜索算法；设计和实现了码跟踪环和载波跟踪环，并用载波环路来辅助码跟踪环路；综合考虑接收机的动态性和噪声影响，采用最优化设计思想，设计了GPS软件接收机最优环路带宽。采用GPS中频信号采样器采集实际GPS数据，对搜索和跟踪算法进行了验证。测试结果证明所设计的搜索和跟踪方法是有效的，使得用户在微弱信号处理、多路径处理和发展新的算法等方面具有更大的灵活性，为实际的高性能硬件GPS接收机设计提供的重要的基础。     

INS／QPS紧耦合系统自适应跟踪环路带宽设计

在INS／GPS紧耦合系统中,通过把惯导系统的位置、速度等估计值反馈到GPS的跟踪环,使环路带宽可以变窄,以明显改善GPS的抗干扰能力。在这种组合系统中,跟踪误差是由环路带宽内中的干扰噪声、振荡器相位噪声引起,此外还有惯性传感器的误差引起的跟踪误差。文中提出了按照GPS信号的载噪比自适应地调节GPS的环路带宽的方案,这将使GPS接收机在任何条件下包括存在干扰时保持最佳状态。分析和仿真计算说明,与采用固定带宽时相比,自适应带宽的紧耦合系统具有更高的抗干扰能力和对卫星信号的跟踪精度。     

INS/GPS紧耦合系统自适应跟踪环路带宽设计

在INS/GPS紧耦合系统中,通过把惯导系统的位置、速度等估计值反馈到GPS的跟踪环,使环路带宽可以变窄,以明显改善GPS的抗干扰能力.在这种组合系统中,跟踪误差是由环路带宽内中的干扰噪声、振荡器相位噪声引起,此外还有惯性传感器的误差引起的跟踪误差.文中提出了按照GPS信号的载噪比自适应地调节GPS的环路带宽的方案,这将使GPS接收机在任何条件下包括存在干扰时保持最佳状态.分析和仿真计算说明,与采用固定带宽时相比,自适应带宽的紧耦合系统具有更高的抗干扰能力和对卫星信号的跟踪精度.     

旋转弹体表面红外辐射干扰补偿模型

针对地球红外辐射姿态测试方法中弹体表面红外辐射干扰较大的问题,建立旋转弹体自身红外辐射补偿模型,从而提高弹体姿态测量精度。首先,采用瞬态热平衡微分方程推导出旋转弹体表面温度变化曲线,获取弹体自身红外辐射亮度。然后,根据地球红外辐射及其在大气中的传播规律,建立了弹体自身红外辐射补偿数学模型。最终结合红外传感器输出和所推导的补偿模型,估算红外辐射补偿参数。结果表明补偿后姿态角解算误差显著降低,俯仰角和横滚角解算误差最终分别保持在±0.2°和±0.4°以内。本方法对姿态测量误差的减小具有显著效果,补偿方法简单有效,对旋转弹体的红外姿态测试技术的研究具有借鉴意义。     

带模拟装药弹体高速冲击岩石靶时的断裂特性

针对高速侵彻过程中的弹体破碎断裂问题，本文中设计2种不同壁厚的试验弹，进行约1 000 m/s着速的高强度岩体侵彻试验，试验表明:在该高着速条件下，两种结构的试验弹体均发生完全破碎且未能有效侵入岩石靶，而岩石靶体仅在表层产生粉碎性破坏；另外，高速侵彻岩石靶的弹体头部破碎情况与侵彻金属薄靶有所区别。在试验基础上，利用Autodyn-3D建立了弹体侵彻岩石靶的物理模型，结合SPH算法与Mott失效模型对弹体破坏过程进行了数值模拟，可有效地揭示弹体破碎机理，并进一步讨论模拟装药和小范围内不同高速对弹体破坏的影响。试验结果和建立的数值模型可为研究高速侵彻中弹体结构安全提供参考。     

基于MATLAB的GPS软件接收机捕获与跟踪算法实现

研究了GPS软件接收机的捕获和跟踪算法,并基于Matlab软件平台和射频前端在PC上实现了GPS软件接收机样机。介绍了GPS软件接收机的结构和数据采集硬件,讨论了GPSC/A码的特性、产生原理以及捕获过程。针对传统的串行搜索算法慢的缺点以及高动态GPS软件接收机的特点,在该样机中实现了快速的基于循环卷积的并行捕获算法,并联合使用超前滞后环和对相位反转不敏感的科斯塔斯锁相环分别对码相位和多普勒频偏进行跟踪,解调得到导航电文。仿真和测试结果表明,使用GPS软件接收机进行信号处理的思想使用户在算法处理和软件升级等方面具有更大的灵活性,可应用于下一代任何全球导航卫星定位系统(GNSS)和空基增强系统(SBAS)接收机的设计。     

弹丸入水特性的SPH计算模拟

应用SPH方法研究弹丸入水过程中的动力学特征。利用拉格朗日形式的N-S方程自编SPH程序,建立弹丸入水的计算模型,赋予相应的材料参数及状态方程,研究弹丸外形、入水速度和角度等因素对入水过程的影响。模拟结果表明:空化泡的形态及发展规律主要由弹丸的运动姿态决定;弹道越稳定,阻力因数就越小,弹丸的存速就越大。SPH方法具有较强的自适应性,适用于研究弹丸入水的流固耦合问题。     

侵彻弹体结构纵向振动频率特性分析

加速度传感器测试弹体加速度历程时,测试结果包含由于目标阻碍导致弹体减速的过载加速度和弹体结构振动引起的加速度。通过将弹体简化为均匀的长直圆杆,从理论上分析弹体纵向振动的频率特性。利用ANSYS建立了弹体有限元模型,通过模态分析得到了弹体纵向振动对应的固有频率及固有振型,并对弹体进行谐响应分析,一阶纵向振动固有频率的理论值、模态分析与谐响应分析的模拟结果都在1 200 Hz。利用Fourier变换和小波分析,对加速度传感器测试数据的频率特性进行了分析,Fourier变换得到的信号功率谱峰值在1 114 Hz,与理论计算结果、模拟结果都能较好吻合。     

基于磁/惯性传感器旋转弹体定姿的Kalman滤波器设计

微惯性传感器精度较低,其漂移会引起很大的姿态误差,不能提供长时间稳定姿态;磁传感器组合的姿态角误差不随时间累积但姿态角更新速度慢。针对这一问题提出了利用磁/惯性传感器构建低成本姿态探测系统的方案,设计了Kalman滤波器融合二者信息——以磁传感器解算的姿态角和等效旋转矢量法解算的姿态角之差作为观测量,以惯性传感器的漂移和姿态误差角作为状态变量,整个解算过程无需使用地磁场强度。仿真结果表明了该算法的有效性,二者组合定姿可实现高精度的姿态测量。     

惯导速度辅助接收机跟踪环路算法

针对接收机在强干扰高动态环境难以定位导航的问题,提出基于惯导速度辅助卫星跟踪环路算法,通过惯导速度估算环路多普勒频移,压缩了环路需承载的动态范围,从而减少了环路等效噪声带宽,进而降低了跟踪环路带内干扰,提高了卫星接收机抗干扰能力。对提出算法的普适性、动态性、抗干扰性以及惯导估算误差影响等方面进行了仿真评估,仿真结果验证了算法的正确性,同时证明提出算法相比传统算法,载体运动加速度由91g提升至193g,同时抗干扰能力提升5~8 d B,可以容忍较大惯导辅助信息误差,为算法工程化奠定了基础。     

高速侵彻弹体层合木靶脱壳

利用实验和数值模拟方法研究一种利用层合松木靶作为脱壳装置的机械式脱壳方法。首先讨论了一种正交各向异性材料模型用于高速侵彻木材的可行性及其参数变化规律,结合美军的高速侵彻实验数据对数值模拟方案进行了验证与确认。在此基础上,讨论了不同弹靶作用下含弹托弹体对松木靶的侵彻/贯穿规律。数值模拟与实验研究结果表明:在垂直入射条件下,通过合理的层合木靶设计可对次口径发射弹体有效脱壳,高速侵彻弹体可垂直入射靶板,弹体速度衰减可控;在初始攻角入射条件下,层合靶将使高速侵彻弹体攻角放大。随入射速度增加,弹体贯穿层合木靶消耗动能增加,体现了木材具有明显的应变率增强效应。     

车载紧耦合MIMUs/GPS的神经网络辅助强跟踪滤波方法

微惯性测量单元由三轴正交的微机械陀螺、加速度计和微型地磁传感器组成.将上述装置与GPS接收机组合,可构成最佳导航定位模型,其中紧耦合MIMUs/GPS对全导航参数(位置、速度及姿态)的测量精度可大幅提高.由于微惯性传感器具有大漂移特性,为获得具有自适应的线性参数模型,提出了融合滤波的信息处理方法,利用强跟踪滤波实现状态预测,二阶EKF实现测量更新,并借用神经网络技术完成对状态预测的修正.由于系统组件具有非线性,该神经网络辅助的强跟踪滤波方法旨在逼近MIMUs/GPS的真实特性,并为车载用户提供更为精准的导航参数信息.动态环境下的仿真试验表明,尽管MEMS惯性传感器的精度有限,所提出的方法能够有效用于实际的导航参数解算.