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。     

基于相位补偿的舰船升沉位移测量方法

为了解决舰船升沉信息测量过程中传统升沉数字滤波器存在输出信号相对于实际信号相位超前的问题,提出了一种基于相位估计与补偿的自适应滤波算法。分析了传统升沉数字滤波器输出相位超前的原因,采用加权傅里叶线性组合频率估计算法实时估计输入信号的频率,并设计自适应FIR滤波器对传统升沉数字滤波器的输出进行相位补偿。将自适应FIR滤波器与传统升沉数字滤波器的估算结果进行模拟实验对比。实验结果表明自适应FIR滤波器输出的升沉位移精度达到厘米级,有效提高了舰船升沉信息测量的准确性和实时性。     

几种GNSS接收机跟踪环路配置的对比分析

在分析传统跟踪环路、载波平滑伪距技术、卡尔曼跟踪环路基础上,比较研究了基带信号处理滤波算法,从GNSS终端系统层次设计了四种基带处理的配置方案,通过理论分析及跑车实验进行了不同配置方案的对比。结果表明,相较于其他跟踪环路滤波算法,卡尔曼跟踪环路充分利用了各个参数的内在物理关系,由系统误差和观测误差可得到全局优化的参数跟踪估测,经定位、定速精度对比分析,卡尔曼跟踪环路等效码相位跟踪精度较传统方案提高近70%,多普勒频率精度提高近80%,为后续的导航解算、高精度载波相位差分算法等提供了稳定可靠的信息源。     

联邦滤波器理论研究

应用矩阵理论和信息分配原理导出集中卡尔曼滤波、分散化滤波和联邦滤波之间的等价关系，证明联邦滤波器的全局滤波精度和集中卡尔曼滤波的滤波精度相同，并用信号流程图直观清晰地说明联邦滤波比分散化滤波结构更简单，计算量小。提出一种动态最优信息分配系数确定的方法，该方法使联邦滤波局部滤波器的设计也成为最优，并从理论上证明其具有最高的软故障检测灵敏度。     

UKF在深组合GPS/INS导航系统中的应用

采用联邦滤波的深组合GPS/INS导航系统预滤波器量测模型具有很强的非线性,导致扩展卡尔曼滤波（EKF）的预滤波器估计精度不高。Unscented卡尔曼滤波（UKF）方法是一种非线性分布近似方法,它使用有限数量的sigma点去逼近整个非线性动态系统的分布可能,从而避免了对非线性测量模型进行线性化,具有较高的精度和较好的鲁棒性。在分析深组合导航系统预滤波器模型和UKF原理的基础上,设计了基于UKF滤波算法的预滤波器,对码相位误差、载波相位误差、载波频率误差、载波频率变化率等参数进行估计,同时将UKF和EKF算法进行了仿真比较。结果表明,在深组合导航系统中使用UKF滤波比EKF有更高的导航定位精度。     

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。     

基于神经模糊网络的自适应α-β-γ目标跟踪算法

针对传统α-β-γ滤波器噪声统计特性未知时,受色噪声的影响精度严重降低,甚至出现发散等现象,设计了一种基于神经模糊网络的自适应的α-β-γ滤波跟踪器。该滤波器通过利用神经模糊网络作为误差估计器,估计出α-β-γ滤波器的估计误差,从而对α-β-γ滤波跟踪器的预测结果进行修正,得到更优的预测值。通过计算机仿真以及在图像目标跟踪平台验证结果表明,该算法可以克服传统算法的局限性,有效地防止滤波器发散,缩小实际的滤波误差,提高滤波精度,实现对跟踪结果的在线改进。     

载波平滑伪距紧组合导航系统鲁棒自适应滤波算法

传统惯性/卫星紧组合导航系统采用载波相位平滑伪距可以有效提高伪距观测量精度,但平滑伪距后观测量噪声不符合白噪声特性而导致卡尔曼滤波器容易发散;同时由于周跳的存在会更加严重影响滤波器的稳定性。针对上述问题,分析了平滑伪距噪声特性并建立了噪声模型,在此基础上设计了鲁棒自适应滤波算法对观测噪声进行实时估计和补偿,结合抗差估计理论进行滤波以减小观测量噪声水平和模型不确定对滤波器带来的影响。理论分析和仿真结果表明,在复杂环境下,基于载波相位平滑伪距的鲁棒自适应紧组合导航系统定位精度提高了一倍以上。     

道路约束条件下的移动机器人跟踪

为提高移动机器人的位置估计精度和跟踪效果,提出一种基于道路约束条件下的移动机器人鲁棒约束H∞滤波(CHF)跟踪算法.首先,将机器人移动的道路网络作为跟踪的约束条件,并利用当前统计模型对机器人的运动进行建模.其次,将道路约束条件作为机器人跟踪的非线性状态约束,利用最小协方差估计推导了鲁棒CHF递推方程.通过拉格朗日乘子法对非线性约束优化估计问题进行求解,并利用约束信息对CHF算法的状态更新过程进行了改进.最后,通过对CHF算法和无约束的H∞滤波算法的跟踪性能进行了对比分析和验证.仿真结果表明,该算法可以实现机器人的跟踪,且跟踪精度优于HF算法.     

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。     

基于外推和级联积分梳状滤波器的多普勒插值方法

INS/GPS深组合导航系统的本地码和载波数控振荡器(NCO)控制量的计算需要利用滤波修正后的惯导位置信息或速度信息,其中的多普勒频移计算需要同时利用位置和速度信息。基带I、Q信息的更新率通常为1 kHz,利用惯导信息解算出的多普勒频移为100 Hz,利用级联积分梳状(CIC)滤波器进行插值有效解决了二者更新率的匹配问题。此外,导航滤波器的更新频率通常为1 Hz,惯导解算频率为100 Hz,对于低精度惯导系统,在滤波修正周期之间误差累积较快,利用外推方法有效控制了惯导解算误差。通过半实物仿真分析,基于外推和CIC滤波器的在线插值结果与基于B-样条插值结果对比,误差标准差约为1 Hz,误差的频谱被限定在0.02 Hz以内,结果表明了该方法的有效性。     

北斗二代导航信号抗多径性能分析与仿真

针对北斗二代导航信号抗多径性能的分析需求,推导了基于相干超前减滞后延迟锁定环的码跟踪多径误差评估方法,运用该方法分析了北斗二代导航信号的抗多径性能,仿真表明在多径直达信号幅度比为-6 dB,相关间距为24 ns,信号带宽为24 MHz时,北斗二代导航信号都能区分大于300 m的多径延迟。以MBOC信号为例对不同的多径直达信号幅度比、相关器间距、信号接收带宽、信号组成时导航信号的多径性能进行了仿真。结果表明:在多径直达信号幅度比一定时,提升信号的高频分量,在接收端采用窄相关技术和宽的接收带宽可将北斗二代导航信号的多径误差限制在4 m以内,且衰减速度更快,从而改善信号的抗多径性能。     

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。     

伽利略卫星导航系统的初步性能评估

伽利略卫星导航系统是由欧盟和欧洲航天局联合打造的全球卫星导航系统。基于MGEX全球数据监测网的实测数据,对伽利略卫星导航系统的观测数据质量、单点定位和精密单点定位性能展开了评估。评估结果显示:目前伽利略系统导航卫星数较少,尚不具备全天时导航定位能力;伽利略系统多路径误差大小量级为分米级,E5频段信号的多路径效应最小,而E5b频段信号的多路径效应最为严重;一般情况下伪距单点定位平面精度可达5 m以内,高程精度可达10 m以内;动态精密单点定位平面精度可达5 dm以内,高程精度可达5 dm以内。     

导航传感器系统的信息融合

－组合导航系统中的多种导航传感器为整个系统性能的提高，提供了多余度，高可靠性的导航信息源。多种信息的融合对组合导航计算机，系统的硬件、软件接口界面，以及导航信息的显示与告譬方式都提出了新的要求。本文论述了一种基于信息融合技术的多传感器组合导航系统体系结构，并结合工程实现，提出了综合信息显示器的系统方案。     

Rolling bearing fault detection using correlation technique

It's known that auto-correlation technique is effective in extracting periodical signals from random noises. In the case of fault monitoring of rolling element bearing, we can't acquire the.fault information directly from the original signal because of the difference of signal phases. And the signal is shown as the wide band random signal in auto-correlation function. In this paper, the signal is pre-processed and the results are proved effctive. Moreow, by taking the auto-correlation fumction we can obtain the determined and comparable samples. This is very important for establishing the data base of running condition and for detecting the faults.     

一种低动态载波相位差分GPS测量中的粗差剔除算法

在分析介绍当前广泛应用的几种静态、动态粗差剔除准则的基础上，针对低动态环境下的载波相位DGPS测量，提出了一种基于中位数法的可变长度、分段抗差估计快速算法，用于粗差剔除。实验证明其可靠性好、适应性强，能为机载SAR运补用SINS／DGPS组合系统工程实际中提高运补参数事后处理精度提供可靠的GPS定位数据。     

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。     

TRAJECTORY TRACKING CONTROL AND VIBRATION SUPPRESSION OF SPACE-BASED ROBOT WITH ELASTIC FOUNDATION

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置无控、姿态受控的漂浮基空间机械臂惯性空间轨迹跟踪控制及基座弹性振动主动抑制问题。由系统位置几何关系及动量守恒关系,建立了系统运动Jacobi 关系;之后利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系建立了系统动力学方程。基于奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将该方程分解为描写系统刚性运动的慢变子系统与描写系统弹性振动的快变子系统。对慢变子系统设计了基于计算力矩法的轨迹跟踪控制器;对于快变子系统则设计了线性二次最优控制方案。数值仿真证实了提出的控制方法的有效性。