基于FPGA的数字匹配滤波器的实现

对数字匹配滤波器的原理和结构进行了简要的介绍,重点给出了在现场可编程门阵列(FPGA)中数字匹配滤波器倒置结构的硬件实现。通过对设计电路的实时仿真表明:该数字匹配滤波器具有捕获精度高、速度快的特点,可应用于其它扩频系统的数字接收机中。

BPSK-R信号与BOC信号码跟踪性能分析及比较

分析了射频前端带宽与BOC信号自相关函数的关系,研究了射频前端带宽和早迟码间距对S曲线的影响。在规范的TOA误差估计模型框架下,采用非相干延时码跟踪锁定环,推导出非相干延时锁定环理论计算的码跟踪误差与射频前端带宽、早迟码间距、载噪比、积分时间和码环路带宽之间的关系表达式,从而定量地分析了非相干延时锁定环的码跟踪误差。最后对BPSK-R信号和BOC(10,5)信号的码跟踪性能做了比较,比较表明,BOC(10,5)信号的码跟踪性能优于传统的BPSK-R信号,在相同的码跟踪精度条件下,BOC(10,5)比10.23 MHz BPSK-R信号所需要的载噪比约低7 dB,比1.023 MHz BPSK-R信号低15 dB左右。

子载波相位与BOC信号功率谱密度的关系研究

首先介绍了导航信号功率谱密度求解的一种通用方法,基于该方法,经过建模和推导,得到任意相位子载波BOC(二进制偏移载波)信号的功率谱密度显式表达式。通过仿真及分析表明,不同的子载波相位对应的BOC信号功率谱密度存在差别,正是这些差别影响了导航系统的性能,同时也为导航系统的信号体制设计带来了灵活性。文中得到的一些结论,可以给未来的导航信号体制设计中BOC信号子载波相位的选择提供一些借鉴。

组合模型预报导航卫星钟差

导航卫星原子钟在运行过程中,不可避免地受到环境和其他因素的影响而产生噪声,导致卫星钟差不规则变化。研究表明钟差是5种噪声共同作用的结果,并且有多种模型可以预报钟差,但它们各具特点和适用性,因此可以考虑组合这些模型预测的结果,以提高预报结果的可靠性。讨论了经典权、最优权、神经网络3种组合方法,并运用IGS精密卫星钟差数据,以二次多项式和灰色模型预报为基础,计算了组合模型的预报结果。研究表明:3种方法都能有效地组合单一模型预报结果,预报精度也大体相当,其中,经典权法最优、最优权法次之、神经网络法稍逊。

基于修正线性组合模型的原子钟钟差预报

原子钟钟差预报在时频工作中起着重要作用.目前常用的预报模型各有优缺点,为了综合各种预报模型特点,可以考虑组合这些模型预报的结果.针对线性组合模型预报钟差时存在的问题,提出了学习权的概念,以有效地利用各种精度信息,建立了修正组合预报模型.为了验证该方法的有效性,选取了4颗GPS卫星IGS(International GNSSService)钟差序列,组合了二次多项式模型和灰色模型的预报结果.结果表明,修正后的模型能在保证可靠性的基础上进一步提高结果的平稳性和准确性.

一种双向测距与时间同步系统的设计与分析

在研究双向单程伪距测量原理的基础上,设计了双向测距与时间同步(DRTS)终端系统总体构架,阐述了在系统中使用的技术,并搭建了基于DSP+FPGA的双向测距与时间同步系统软硬件平台。实验结果表明,此系统的码速率为5 MHz、中心频率为15 MHz时,测距和时间同步的分辨率可达0.15 cm和5 ps(@1 s),采用不同频率源时测距和时间同步的精度分别为1.038 m和3.46 ns,采用相同频率源时分别为0.28 cm和9.43 ps(参考频率稳定度1×10-10/d量级)。与国外同类产品相比具有测量精度优势,但考虑通用性,此系统的硬件仍需进一步优化,软件上需要做到码速率可调。

线性加权组合Kalman滤波在钟差预报中的应用

建立原子钟运行模型,实时预报钟差,在时频工作以及卫星导航定位中有着非常重要的意义.目前,Kalman滤波是一类重要的钟差预测模型.为了充分利用各种Kalman滤波模型的特点,提出了线性加权组合Kalman滤波模型.因此详细讨论了如何对每种Kalman滤波模型赋权,并且给出了两种简单而又实用的赋权方法.最后,以IGS(International GNSS Service)精密铷钟数据为例,运用该模型计算了预报误差.结果表明,线性加权组合Kalman滤波模型有利于提高钟差预报的准确性和可靠性.

基于DP83640硬件辅助的IEEE1588研究及实现

随着高精度时间同步的广泛应用,采用硬件辅助的IEEE1588协议已成为减少同步误差提高同步精度的理想途径。分析了DP83640物理层芯片的功能结构与IEEE1588时间同步基本原理,构建了以DP83640为主要组成部分的时钟同步功能模块,验证了同步过程。实验及分析表明,在局域网内采用DP83640硬件辅助的IEEE1588协议同步精度可达到纳秒量级。

基于FPGA的高动态P码直捕算法设计与实现

长周期精密测距码(P码)的直接捕获技术对提高导航接收机的性能十分关键,为了设计出高动态、低信噪比环境下的P码快速直接捕获接收机,采用部分匹配滤波器组实现伪码时域并行搜索,结合小点数的快速傅里叶变换(FFT),将匹配滤波器输出的部分相关值进行功率谱分析,完成多普勒频率偏移的并行搜索。硬件实现时结合FPGA的特殊结构,提高资源利用率,同时采用并行流水机制处理ADC的采样信号,对于每一个采样点,均可以在下一个采样点到达之前完成该点的码相位和频率的二维搜索。对比国内外P码接收机的研究成果,算法在捕获时间上有很大改进。在信号功率为-165 dBW,伪码相位±1 s的时间不确定度,以及多普勒频率偏移±16 kHz的条件下,捕获时间小于10 s,完全适用于高动态环境下的P码快速直接捕获。

自适应Kalman滤波用于实时求解原子钟运行参数

实时准确掌握原子钟运行情况,对卫星导航和守时工作来说有着重要意义.针对标准Kalman滤波实时求解原子钟运行参数存在的问题,提出了运用基于预报残差的自适应Kalman滤波模型实时求解钟参数.该模型在标准Kalman滤波模型基础上,构造了一个自适应因子,使得当原子钟在调频或调相后能较快地给出准确可靠的运行参数估值.最后结合导航和守时工作的3个算例,验证了该方法的有效性.

CAPS模拟器基带控制关键技术

以我国自主创新的CAPS(China area positioning system)导航定位系统为研究平台,提出了CAPS卫星信号模拟器的系统架构,给出了总体设计框图,对各模块的功能进行了划分和设计。针对CAPS导航系统的特点,开展了模拟器关键技术的研究,给出了相关参数的计算方法。利用已开发出的成型的CAPS模拟器进行测试,结果表明:本文的设计方法是可行的,该模拟器可以用于测试接收机的捕获、跟踪和定位性能等。

基于JFNG站的北斗PPP-B2b服务实时精密单点定位精度评估

北斗三号PPP-B2b服务能够给中国以及周边区域提供免费的高精度服务。通过司南K803系列接收机接收PPP-B2b信号,利用JFNG站2021年11月5日至11月13日共9天的观测数据,评估了基于PPP-B2b产品的BDS和GPS的精密单点定位(PPP)的精度,包括静态和动态定位的精度以及对流层天顶延迟(ZTD)精度。结果表明:BDS静态PPP的定位偏差均方根误差(root mean square,RMS)在N、E方向为1.5 cm左右,在U方向上为3 cm左右;GPS静态PPP在N方向上的RMS在1 cm以内,E方向RMS在5 cm左右,U方向RMS在2 cm左右;BDS动态PPP在N方向RMS在3 cm左右,E方向RMS在4 cm左右,U方向上的RMS在8 cm左右,GPS动态PPP在N方向上为4 cm左右,在E方向上为6 cm左右,在U方向为10 cm左右。BDS的ZTD静态平均误差RMS小于1 cm,动态在1.3 cm以内;GPS的ZTD误差稍大一些,静态平均误差在1.5 cm左右,动态平均误差在2 cm以内。最终可以得出:基于JFNG站的北斗PPP-B2b服务实时精密单点定位BDS的定位精度和ZTD精度优于GPS。

北斗三号PPP-B2b信号跟踪环路的极点分布法设计

2020年7月,北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件精密单点定位服务信号PPP-B2b(1.0版)正式公布,PPP-B2b可以实现中国及其周边地区静态厘米级、动态分米级的高精度定位,其播发的BDS、GPS增强信息可用性分别达到97.5%和91.5%。为解决PPP-B2b接收机跟踪环路参数设置复杂的问题,从PPP-B2b信号接收处理的层面入手,采用极点分布法进行信号跟踪环路设计,将传统跟踪环路的多个参数统一到一个参数。通过实时采集卫星播发的PPP-B2b信号,对比分析极点分布法和经典理想锁相环数字化设计的环路。结果表明:与经典理想锁相环数字化方法相比,极点分布法跟踪环路只需设置环路噪声带宽B_(L)就可实现PPP-B2b信号的快速解扩与解调,物理意义明确且简单易行,利于PPP-B2b接收机的工程实现。

基于块处理的扩频信号实时捕获及其FPGA实现

块处理方法实现扩频信号的捕获因其运算量巨大到目前为止多用于软件接收机中。本文从扩频信号的实时捕获出发,研究了块处理技术及其结构,设计了基于块处理技术的扩频信号捕获的总体实现方案和各个功能模块,详细介绍了其实现方法并用FPGA给予实现。并给出了实际运行结果。结果表明该设计能成功完成扩频信号实时快速捕获。

应用于数字下变频中CORDIC算法的FPGA实现

正余弦信号在GNSS接收终端的数字下变频中有着重要的应用,CORDIC算法是实现正余弦信号的最重要方法。立足于DDS与CORDIC算法的基本原理,针对CORDIC算法实现主要存在的3个问题,结合变象限法、流水线技术及相幅量化数据格式,在FPGA上通过实现CORDIC算法可在一个时钟周期内计算出正余弦信号幅值。仿真结果表明:与传统CORDIC算法实现相比,本文实现的正余弦信号精度高且速度快,并能满足GNSS接收终端数字下变频对正余弦信号的需求。

基于FPGA和TDC芯片的高精度时间间隔计数器研制

大型物理实验、国防和工业等应用场合对时间间隔测量精度需求通常达到百皮秒甚至十皮秒量级,并对多通道同步测量提出了新的要求。利用FPGA(field-programmable gate array)使用灵活的特性,研制了一种基于FPGA和TDC(time-to-digital conversion)芯片的高精度时间间隔计数器,使用Verilog硬件描述语言设计系统所需的配置模块、UART接口、SPI接口等完成测量。利用中国科学院国家授时中心钟房产生的10MHz标准频率信号作为参考时钟,1PPS时间信号作为测试信号,搭建平台对设计的时间间隔计数器进行测试评估。实验结果表明本计数器测量精度优于60ps,量程可达1.6s,可实现4通道同时测量,同时具备脉宽测量功能。该计数器采用模块化设计,可作为嵌入式设备使用。

基于码密度法的FPGA进位链时延标定

现场可编程门阵列(FPGA)内部专用进位链资源可应用于时间数字转换(TDC)的高精度测量。各级专用进位链的延迟时间很小,一般量级为数十皮秒至一百多皮秒。基于FPGA实现TDC精密测量要解决的一个核心问题是如何精确标定各级进位链的延迟时间,码密度法是实现延迟时间标定行之有效的手段之一。基于EP2S60F1020C4芯片,通过向进位链输入基准时钟周期范围内大量的随机脉冲,经统计处理得到每一级进位链单元的延迟时间。测试表明,延迟时间测量的分辨率为42.6ps。

接收机天线相位中心变化对PPP解算的影响研究

针对精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)解算过程中,接收机毫米级天线相位中心变化(Phase Center Variations,PCV)误差对PPP解算位置、时间及大气对流层参数的影响问题,采用PPP算法模型对国际全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)组织分析中心BRUX测站一周的实测数据进行实验,使用多系统自动精密定位软件(Multi-GNSS Automatic Precise Positioning software,MG-APP)研究毫米级PCV误差对PPP解算参数的影响。验证结果表明,毫米级PCV误差对高程定位误差影响较大,对水平方向定位误差的影响较小,对计算天顶对流层和接收机钟差参数会产生较大的系统性常偏误差。

国产激光抽运铯原子钟的性能分析

铯原子钟是建立和维持高精度守时系统的关键设备,其性能直接影响所建立守时系统的准确性和稳定性。在介绍铯原子钟主要性能指标及测试方法的基础上,对目前国产激光抽运小型铯原子钟的频率准确度、频率稳定度和频率漂移率等进行了测试、分析,并与美国5071A(优质管)型铯原子钟的性能进行了对比。结果表明:国产激光抽运铯原子钟的频率准确度优于9×10-13,但与5071A型铯原子钟频率准确度还存在差距;频率稳定度可达4.02×10-13/1 ks,1.27×10-13/10 ks,7.46×10-14/1 d,9.77×10-14/10 d,短期稳定度与5071A基本相当,长期稳定度与5071A有一定差距,可基本满足高精度守时系统的要求。

一种基于GNSS的可驯频标的设计与实现

重点介绍了GNSS可驯频标软件设计方法。在软件设计中,采用了滑动中位数方法以滤除测量数据中的奇异值;利用了Kalman滤波器对测量时差数据进行滤波以抑制测量噪声;提出了一种改进型的压控电压产生方法。采用GPS定时接收机1 PPS信号作为参考基准,对原来准确度为1×10-9恒温晶振进行驯服,驯服后频率准确度优于2×10-11。