一种新型的GPS弱信号精捕获方法

为提高GPS接收机在低信噪比环境中的捕获精度和灵敏度,提出了一种新的弱信号精捕获算法。该算法采用差分相干积分缓解平方损耗,并利用积分结果的相位信息修正载波频率,使其估计精度不再受到频移搜索步长的限制。此外,该算法根据载波多普勒和码多普勒的比例关系,直接对本地码相位进行校正,保证了信号积累时间较长时不同相关峰之间的重叠性,有助于提高捕获灵敏度并能够得到接收信号末端精确的码相位。仿真结果表明,载波频率和码相位的估计误差分别小于20 Hz和1个采样点,在给定的信号积累时间下,本地码相位校正对捕获灵敏度的提升可达3.2 d B。     

基于分段折叠算法的北斗C_(B2I)码快速捕获

以最新公布的北斗B2信号为研究对象,针对采样频率较高时,利用传统的并行码相位搜索捕获算法对北斗CB2I码进行捕获存在总运算量和单次FFT运算点数较大的问题,提出了一种基于分段折叠的基带信号快速捕获算法,即利用本地CB2I码前后两段折叠处理形成本地折叠CB2I码进行捕获运算。利用仿真的北斗B2信号源对本文提出的改进算法进行了验证,仿真结果表明,和传统的捕获算法相比,改进的快速捕获算法将捕获过程的总运算量以及单次FFT运算的点数降低了约一半,提高了北斗CB2I码的捕获速度。此外,可以根据信号强度的不同对捕获速度和捕获灵敏度进行权衡,保证北斗B2I信号捕获性能的最优。     

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。     

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。     

提高北斗BOC信号捕获精度的伪码相位估计法

针对北斗二号将要采用的BOC信号粗捕获精度不足的问题,提出一种改进的伪码相位估计法。首先根据北斗将要采用的MBOC(6,1,1/11)调制方式,利用ASPeCT方法大幅削弱BOC信号旁瓣的影响;其次,利用频域FFT码相位循环相关法进行MBOC信号的粗捕获;最后,采用最小二乘拟合和三次样条插值的伪码相位估计法提高捕获精度。仿真结果表明,使用ASPeCT方法削弱旁瓣的影响后,最小二乘拟合和三次样条插值都能够使捕获误差均值减少到粗捕获误差的约1/10,三次样条插值误差均值最小,最小二乘拟合稳定性较好,具有更小的方差,适合干扰较大的场合。     

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。     

基于分段分裂基FFT的GPS L1辅助L2C信号快速捕获算法（英文）

为了缩短GPS L2C CM/CL长码的搜索捕获范围进而提高捕获速度,提出了一种基于分段分裂基FFT的L1辅助L2C信号快速捕获算法,可以有效降低计算量和节省存储空间,因而适合在嵌入式系统中实现。首先根据捕获到的L1信号的多普勒频率将L2C信号的多普勒搜索范围缩至一个固定的值,然后综合利用S-SFFT、补零和重叠舍弃算法快速准确地确定L2C CM/CL码的码相位。利用本文设计的L2C信号产生器产生L2C信号对该算法进行了仿真验证。实验结果表明,当L2C信号强度较强时,该算法可以以显著降低的计算量完成对码相位的准确快速捕获。     

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。     

惯性辅助的多段重合P码快速直接捕获方法

为满足复杂环境下快速高精度定位的需求,针对传统P码捕获方法存在信号检测概率与捕获速率低的问题,设计了多段重合折叠的P码处理方法,对本地码序列进行折叠预处理,有效增加了相同长度本地码的信息利用率,提高相关运算处理效率。提出惯性辅助多段重合折叠的P码直接捕获方法,采用惯性辅助信息缩小多普勒频率搜索范围,同时自动调整相关控制参数,实现高动态及弱信号环境下P码的快速捕获。仿真分析表明,此方法能有效提高了P码捕获效率,尤其在高动态状态下能有效提高对卫星信号检测能力,在载噪比为30⁴0 dB·Hz的环境下,利用惯性辅助P码的方式能使捕获概率可提高10%,捕获时间可减少30%左右。     

基于自相关侧峰消除的北斗B1C快速高精度捕获算法

北斗三号播发的B1C信号采用二进制偏移载波(BOC)调制方式和10ms周期的伪随机码,可以与现存L1频段上的导航信号共有载波频率,同时提高导航信号的跟踪精度和伪距测量精度。然而,BOC调制会带来相关函数多峰性问题,10ms周期的伪随机码会极大增加信号捕获的计算量,影响捕获速度,同时长码的跟踪需要更小带宽的跟踪环路,这对捕获精度提出更高要求。为此,根据北斗B1C信号的特点,在利用ASPeCT技术消除BOC信号相关副峰的基础上,兼顾捕获的快速性与精度,提出一种北斗BIC信号快速高精度捕获算法。所提算法先利用多级搜索和降采样策略快速实现信号的粗捕获,将捕获频率范围缩小,再利用多项式曲线拟合的方法进行多普勒频率精捕获,提高捕获精度。在多级搜索过程中,相关计算融合ASPeCT技术,通过本地码与副载波调制码构造无副峰相关函数,确保搜索过程无模糊度。所提捕获算法经接收前端采集的北斗B1C信号测试,实验表明,该捕获方法对相关副峰的消除程度可达到86.70%,多普勒频率误差缩小到1Hz以内,捕获耗时相对缩短了近2/3,实现了快速高精度捕获,保障了后续跟踪算法的成功率。     

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GPU的GPS信号并行捕获

针对计算机中央处理器上串行实现GPS捕获算法耗时长的缺点,利用具有强并行处理能力的图形处理器设计实现了两种分别适用于不同载噪比信号的并行捕获算法以提高捕获速度。所提算法基于计算机统一设备架构的设计思想,采用了并行码相位搜索捕获策略,通过对GPS星座32颗卫星多通道、多频点的并行搜索实现了强信号捕获,而对弱信号则采用非相关积分法,通过对单颗卫星多时段、多频点的并行搜索再进行通道的串行处理来实现并行捕获。仿真结果表明:两种并行捕获算法比串行实现的捕获算法速度提高了10倍;采用非相干积分提高了弱信号捕获能力,对于载噪比为40 dB的10 ms中频数据,在保证捕获速度的同时,仍能够有效实现正确捕获。     

基于组合FFT的多核北斗软件接收机并行捕获算法

目前数字信号处理器已经由单核系统发展为多核并行系统,可通过并行执行任务加快信号处理速度。北斗C_(B2I)码是GPS C/A码码长的两倍,若使用传统捕获算法将会延长信号捕获时间。基于此问题,提出了一种基于组合FFT的并行捕获算法。该算法将信号奇偶点分开进行并行处理,可将单次FFT变换点数减半,并通过高效利用多核资源加快信号捕获速度。为了验证算法性能,对比了传统算法和改进后算法的PTP值。仿真结果表明,两算法PTP均值分别为2.961和2.938,改进后算法未降低捕获精度。最后,以多核嵌入式平台为基础分析了两算法的单核运算量,结果表明:当待处理的信号点数由1000增加到256 000时,改进后算法单核乘法运算量减少比例由33%增加到了40%,而加法计算量始终减少50%,改进后算法可达到快速捕获的效果。     

基于LabWindows/CVI的ASK＋DPSK数字信号的解调实现

为实现软件无线电中频数字解调功能,采用矢量信号发生器产生ASK信号,使用PXI-9820以60 MHz对ASK信号进行数据采样,基于LabWindows/CVI软件平台设计人机对话面板,自主编码产生ASK+DPSK数字信号.设计解调程序模块对ASK信号予以载波恢复,并完成对ASK+DPSK数字信号的解调.仿真结果与设计编码相符合,该平台的数字化方案实现载波恢复可以有效地消除多普勒频移对解调结果的影响.     

应用频移激光测速系统测量高湍流度迴流流动

本文介绍了一种对方向敏感的频移激光多普勒测速系统。采用两个声光器件获得所需的频移量。在雷诺数2750到8250范围内,用此系统测量了平面二维单边阶跃扩张管道中的高湍流度迴流流动。通过模拟法和数字法处理数据,得到了迴流区的平均速度和湍流度分布,还从数字数据处理器得到了速度概率分布和概率密度函数。结果表明,频移激光测速系统可以成功地用于各种复杂的流动,如高湍流度流动、迴流流动和交变流动的测量。     

基于波束域信息的SINS/DVL组合导航算法

针对水下环境影响导致DVL回波个数小于4,常规惯性/DVL组合导航无法进行,对DVL的回波信息利用不充分的问题,提出了一种基于波束域信息的SINS/DVL组合导航方法。直接将DVL测量的波束域信息与惯导系统速度转化得到的频移差值作为观测量,考虑惯导以及DVL的多项误差,建立基于频移观测量的卡尔曼滤波模型,实现对惯导系统误差和DVL误差估计与修正。数学仿真及试验结果表明:所提方法与基于速度匹配的算法相比,组合导航定位精度提高30%以上,多普勒信息的利用率以及对水下复杂环境的适应性均有显著提升。     

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。     

一种新的磁传感器辅助弹载接收机跟踪环路的方法

针对弹载接收机高速旋转的特性,提出一种利用磁传感器测量弹体姿态,补偿旋转引起的载波多普勒频移和相位偏移的方法。首先,根据弹丸弹道学特征,推导弹体高速旋转引起的载波频移和相位偏移与弹体姿态的表达式;其次,研究了接收机载波跟踪环路的跟踪门限与弹体动态应力的关系;然后,给出弹体坐标系中,磁传感器测量弹体姿态的算法——极值比值法和积分比值法。仿真试验结果表明,磁传感器弹体姿态估计的方法能够有效降低弹载接收机跟踪环路的跟踪门限,其载噪比降低了3 dB·Hz,环路带宽减小了100 Hz以上,提高了弹载接收机GNSS信号跟踪能力。     

基于CFD-DEM方法的挖泥船绞刀导送性能研究

为了研究绞吸式挖泥船水下绞吸砂土的效率问题,结合计算流体力学和离散单元法提出了一种研究绞刀绞吸过程的三维数值模拟方法,并且建立了基于绞刀的流体计算域模型和砂土的离散元接触模型。利用这两个模型模拟了砂土被挖泥船绞刀切下以及通过管道排出的完整过程,得到了五臂绞刀和六臂绞刀在不同转动速度和横移速度下的绞刀转动功率和导送效率的变化规律,并与实船数据进行了对比。结果表明:转速恒定时,绞刀转动功率和导送效率随着横移速度的增大而逐渐上升;当横移速度恒定时,绞刀转动功率随着转速增大显著上升,而导送效率先上升然后又降低;在不同工况下两种绞刀的转动功率基本相同,但六臂绞刀的导送效率优于五臂绞刀;数值模拟获得的绞刀转动功率和导送效率与实船数据对比误差分别约为15%和25%,验证了本数值模拟方法的可行性。     

基于软件接收机的GPS L2C信号采集与数据处理（英文）

L2C信号是由现代化GPS IIR-M卫星播发的新一代民用信号。基于软件接收机的信号采集与数据处理的研究旨在提高信号在低信噪比环境下的捕获稳定性和跟踪精度。L2C信号结构描述了其民用中码和民用长码的时分复用特征。信号采集部分包括宽频天线和接收机前端的设计,工作频段为L1-L2频段,前端采用下变频和频谱搬移来避免频谱混叠。数据处理中采用降频处理的方法能有效增强信号捕获的稳定性,并利用圆周相关算法获得CM码的初始相位。码和载波跟踪数据处理包含计算原理的介绍和跟踪环结构设计。最后,通过低信噪比环境下的实验来验证L2C信号采集与数据处理方法的有效性。