基于卡尔曼和扩展卡尔曼滤波的耦合载波跟踪方法

鉴于低信噪比高动态环境下的载波跟踪过程中,接收信号存在显著的各阶频偏变化率,故提出了一种基于卡尔曼和扩展卡尔曼滤波的耦合载波跟踪方法。载波跟踪通过基于卡尔曼滤波的锁频环辅助基于扩展卡尔曼滤波的锁相环来实现,对频率斜升信号和频率加速信号分别进行了载波跟踪环路结构的分析,得到系统方程,并进行了载波跟踪系统性能仿真。经仿真验证,在信噪比为-20 dB条件下,该方法跟踪频率斜升信号收敛时间小于60 ms,跟踪频率加速信号收敛时间小于90 ms,对两种信号的频率跟踪残差均小于5 Hz,相位跟踪残差均小于0.25rad,跟踪性能显著优于传统环路。

载波跟踪算法综述

随着GPS软件接收机技术的飞速发展,作为其关键技术之一的载波跟踪算法也取得了长足进展。基于一种典型载波跟踪环的结构,将载波跟踪算法归类为纯载波跟踪算法和有外部辅助载波跟踪算法两大类。其中纯载波跟踪算法的关键技术主要有:环路鉴别算法,环路滤波器的优化设计,基于锁相环和锁频环的混合载波跟踪环的设计,智能降噪技术、智能控制技术、智能估计算法和自适应算法的引入等;外部辅助的载波跟踪算法主要存在于各类组合导航系统中,最典型的就是紧耦合或超紧致耦合组合导航系统中利用惯导测量信息对载波跟踪进行辅助。分析了上述各种技术研究的侧重点及工作原理,总结了各种研究侧重点的特点及优缺点,指出了载波跟踪算法的发展方向。

多普勒频率变化率快速最大似然估计辅助的高动态载波跟踪环路

高动态环境下接收信号含有较大的多普勒频率及其变化率,传统载波跟踪方法难以在高动态应力和跟踪精度两方面取得较好折中,针对这一问题该文提出一种多普勒频率变化率快速最大似然估计方法,并利用估计值辅助载波跟踪环路。首先指出了多普勒频率及其变化率的最大似然估计可等效采用分数阶傅里叶变换(FrFT)来实现;其次,针对频率及其变化率2维搜索运算量大的问题,提出一种瞬时自相关与分段离散傅里叶变换(DFT)求相位差相结合的频率变化率估计方法,根据粗估值可大大缩小搜索范围;最后,利用估计值辅助载波跟踪环路,降低动态应力,提高跟踪精度。理论分析与计算机仿真表明,在典型高动态参数条件下,输入信噪比为-30 dB时,搜索运算量降为原来的5.25%,输出频率的均方根误差仅为8.46 Hz/s,和传统载波跟踪方法相比,灵敏度提高3 dB以上。

一种低复杂度GPS载波跟踪环路设计

GPS接收机载波跟踪环路的鉴别器和滤波器设计决定了跟踪环路的性能,也在很大程度上决定了GPS接收机的性能.本文在分析了传统锁相环和锁频环鉴别器算法的基础上,提出了一种锁相锁频环共用四象限反正切函数单元的鉴别器算法;同时,在研究了基于双线性Z变换积分器与矩形波数字积分器的滤波算法基础上,提出了一种基于矩形波数字积分器的锁频环辅助锁相环的滤波器算法.综合这两种新算法给出一种低复杂度的GPS接收机锁相锁频环设计方法.通过理论分析与仿真实验,证实该GPS载波跟踪环路设计不但具有良好的跟踪性能,且与传统设计方案相比具有运算量小,复杂度低,占用资源少等优点,更易于工程实现.

高动态扩频信号的载波跟踪技术研究

针对高动态环境下扩频信号的载波捕获与跟踪问题 ,本文分析了多普勒频移对锁相环、锁频环以及环路滤波器设计的影响 ,以及高动态环境中载波快速捕获问题 ,在此基础上提出了一种数字复合软环的设计方法 。

大多普勒频偏SOQPSK信号FFT引导COSTAS环载波跟踪技术

SOQPSK信号包络恒定、相位连续,拥有很高的功率、频谱效率,在卫星通信、深空通信、航空遥测等系统中具有广泛的应用前景.为保证SOQPSK信号能够适应上述系统较大的载波多普勒平移,本文提出一种FFT引导COSTAS环的SOQPSK信号载波跟踪技术.算法首先利用FFT粗略估计多普勒频率,将载波频偏牵引至较小的误差范围,再利用改进的COSTAS环跟踪载波残差及相位误差,进而实现了对大频偏SOQPSK信号载波的稳态跟踪.仿真结果表明,本文所提算法不仅能够跟踪大频偏载波,而且在小频偏时性能亦优于传统方法.

一种基于FQFD／FLL／PLL的混合载波跟踪算法

载波跟踪技术是GPS软件接收机的关键技术之一,载波跟踪算法在很大程度上决定了GPS软件接收机的性能。基于一种典型载波跟踪环的结构,分析了当前载波跟踪环常用的四相鉴频器、锁频环、锁相环的工作原理及其性能,设计了一种基于三者的混合载波跟踪算法。仿真结果表明,所设计的载波跟踪算法在多普勒频率为一固定值、阶跃函数、斜坡函数和加速度函数时都能准确跟踪载波,证明所设计的载波跟踪算法行之有效。

基于卡尔曼滤波器的高动态GPS载波跟踪环

为解决传统锁相环(PLL)在高动态环境下对全球定位系统(GPS)信号的跟踪精度问题,将自适应渐消滤波和二级卡尔曼滤波相结合研究了一种新的自适应二级卡尔曼滤波算法,并且提出了一种利用新息协方差计算渐消因子的方法,通过自适应渐消因子在线调节误差协方差矩阵补偿不完整信息的影响,使滤波器在系统模型不完整或者噪声统计特性不准确时仍接近最优。基于自适应二级卡尔曼滤波算法提出了一种高动态GPS载波跟踪环的设计方案。仿真结果表明,提出的方案较传统PLL的跟踪精度有显著提高,频率跟踪精度提高到9.28Hz。

高动态GPS载波跟踪算法和环路控制策略研究

在接收信号有较高的多普勒频率及其一阶、二阶导数存在的情况下仍能正常工作的接收机被称为高动态接收机。设计高动态接收机的关键是设计参数与结构合理的载波跟踪算法。本文针对高动态环境下载波跟踪所遇到的问题,重点研究了频率牵引算法,FLL辅助PLL复合环算法及重要参数的设计,并提出了一种新的分阶段载波跟踪控制策略。本文采用GPS模拟器产生的高动态信号为实验源,基于Matlab平台建立系统模型,仿真结果表明:采用文中提出的载波跟踪算法的GPS接收机能在加速度100g,加速度变化率40g/s的动态指标下正常工作。

智能GPS软件接收机载波跟踪环路设计

传统的GPS接收机设计较为固定,用户不能改变接收机各类参数以适应不同导航信号处理的需要.而软件接收机只需做较小改动就可以适应不同信号,能够迅速分析、仿真、实现各类算法.在GPS软件接收机的基础上,利用鉴频器辅助鉴相器的输出,引入一个模糊逻辑控制器,使得环路能够智能跟踪GPS信号的动态变化.实验结果证明所提出的设计方法与传统环路相比可大幅度缩短跟踪时间,减小环路滤波器带宽,并能消除周跳.

高动态GPS载波跟踪算法研究

为了寻求更好的高动态GPS载波跟踪解决方案,设计了适于高动态环境的基于参数估计的载波跟踪环路,分析了高动态GPS载波跟踪系统模型,比较了EKF、UKF和PF三种滤波算法的参数估计性能。在此基础上,完成了基于EKF、UKF和PF的载波跟踪环路的设计,并以JPL提出的高动态模型为例进行仿真验证。仿真结果表明,虽然这三种算法均能实现对高动态信号的精确跟踪,但总体而言,基于PF的载波跟踪环路具有更好的动态适应能力。另外,鉴于高动态GPS接收机应用场合的特殊性,又对PF滤波算法在非线性、非高斯GPS载波系统的假设下进行了仿真验证,结果显示了应用粒子滤波算法解决非高斯噪声干扰载波跟踪问题的可行性。

高动态环境下无数据辅助的扩展Kalman滤波载波跟踪环

针对高动态及低信噪比情况下的GPS载波跟踪问题,该文提出一种无数据辅助情况下基于扩展Kalman滤波的载波跟踪环。该环路通过直接判决去掉调制信息,并利用去掉调制信息后的积分-清零滤波器输出直接作为扩展Kalman滤波的观测向量,以避免引入鉴相器而使环路在低信噪比情况下工作时受到限制。仿真结果表明,相比较于三阶锁相环,及利用鉴相器辅助的线性Kalman滤波载波跟踪环路,该文提出的环路具有更低的失锁概率及更小的相位跟踪误差。

基于锁频环与锁相环相结合的载波跟踪技术

针对锁频环与锁相环各自在载波跟踪方面的优点与不足,设计了一种基于Costas环的锁频环与锁相环相结合的载波跟踪环路。基于锁频环与锁相环各自锁定时残余频差与残余相差都接近于0的原因,提出了mc、mpe两个阈值,当阈值满足设定的条件时,载波跟踪环路自适应地选择相应的工作状态。仿真结果表明,在阈值达到设定的条件时环路能够正确地实现工作状态的转换,在多普勒频移为固定值以及阶跃函数时能进行准确的跟踪,达到了设计目的。

基于带宽优化的载波跟踪算法

在现有的高动态微弱信号的载波跟踪算法中,针对锁频环(FLL)辅助锁相环(PLL)载波跟踪算法,环路调整不连续,易出现跟踪失锁的问题,给出了FLL与PLL的更优组合算法,并确定了组合环路状态转换的过程以及环路状态转换的门限值,从而优化环路性能;针对带宽调整不准确影响环路跟踪性能的问题,分析得出最优带宽值,确定了试探法带宽调整策略,对环路带宽进行实时调整,最终在信噪比为3 d B,且存在加加速度分量时,环路的跟踪误差达到3 Hz左右.

基于最大似然估计的高动态GPS载波跟踪环

基于最大似然估计提出了一种全新设计的GPS载波跟踪环结构,并将该环路应用于高动态、低信噪比条件下的GPS载波频率跟踪.文中给出了环路的设计细节,并详细讨论了环路中各模块的功能及模块之间的参数传递.利用具有典型高动态参数的GPS载波信号对环路的跟踪性能进行了测试.测试结果表明,与普通GPS接收机的载波跟踪环相比,该环路对高动态环境下的失锁门限和门限附近的频率跟踪精度均有显著改善.

跳频对DS/FH接收机载波跟踪精度影响分析

面对日益复杂的电磁环境,将DS/FH混合扩频技术引入航天测控领域是一种尝试.针对DS/FH信号的特点,推导了航天测控背景下的DS/FH混合扩频系统接收机关键节点的数学模型,分析了航天测控应用中由于DS/FH混合扩频信号的相邻跳频频率不同导致附加在载波上的多普勒频率跳变和载波初始相位跳变对混合扩频接收机捕获跟踪的影响,重点分析了载波多普勒频率跳变和载波初始相位跳变对接收机载波跟踪精度的影响;提出了一种减小由于跳频载波初始相位不确定造成相关累积能量损失的方法,并利用跳频图案辅助降低了跳频对混合扩频接收机载波跟踪精度影响,仿真验证了该方法的有效性.

一种新型结构数字载波跟踪环及其Z域稳态性能分析

提出一种具有串联环路结构的新型数字载波跟踪环,以解决极低载噪比下高动态载波信号的跟踪问题.在输入纯载波信号时,通过建立Z域全相位模型,对新型载波环稳态性能和稳定条件进行了理论推导,得到稳态相差和稳定条件与环路参数间的解析式.理论分析表明,该新型载波环的动态跟踪能力等价于高阶锁相环,且稳定条件比后者更容易满足.仿真结果验证了上述结论.所得结论可用于评估接收机载波跟踪性能及指导环路设计,并为设计高阶锁相环提供了一种新思路.

基于FLL与PLL级联的高动态载波跟踪技术

高动态给载波的跟踪带来了很大的困难,本文研究采用锁频环(FLL)和锁相环(PLL)相结合的方法来实现载波跟踪。对常用的叉积自动频率跟踪环(CPAFC)提出了改进,改进后的鉴频算法具有更宽的鉴频范围和更小的估计误差。通过MATLAB对整体环路进行了仿真,结果表明该环路可实现在低信噪比、多普勒频移为±300 kHz、频率一次变化率为30 kHz/s下实现载波的跟踪。

INS辅助GPS载波跟踪环分析

高动态环境会造成较大的多普勒频移,这使得一般的GPS接收机在没有外界辅助的情况下难以可靠工作。为了同时满足高动态GPS接收机动态性能和噪声抑制两方面的需要,GPS/INS紧耦合系统利用INS的信息辅助GPS接收机的载波跟踪回路。对紧耦合系统的关键技术———INS辅助GPS载波跟踪回路进行了系统分析,阐述了INS信息辅助GPS载波跟踪回路的详细原理。由于在该紧耦合系统中,动态信号和相位噪声分别作用于不同的传递函数,动态信号环路带宽大大高于相位噪声的环路带宽,从而使跟踪环路既能很好响应高动态信号又能有效抑制噪声,提高了载波跟踪环的跟踪性能与抗干扰能力。

四相鉴频器辅助的高动态BOC信号载波跟踪

叉积鉴频器的输出频率范围比较窄,捕获信号以后的多普勒频偏可能不在其跟踪范围内。针对此问题,提出了使用四相鉴频器(FQFD)算法辅助已经成型的二阶锁频环加三阶锁相环模型。首先,利用四相鉴频器的非线性特性将接收信号频偏大步长牵引到较低范围,然后使用锁频环消除其大部分动态性,最后利用锁相环跟踪精度高的特点实现高动态二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)信号载波的快速准确跟踪。在分析各跟踪模块算法的基础上,讨论了其本身的热噪声误差、动态适应力以及最优带宽等相关问题,理论分析和仿真结果验证了该方法比原有跟踪算法提高了300 Hz左右的鉴频范围,并且跟踪效果良好。