环路跟踪卡尔曼滤波算法的性能分析

基于卡尔曼滤波的环路跟踪算法多是通过一定仿真证明算法性能,没有系统性性能评估,难以较好指导工程应用。在原有算法基础上进行了优化,并系统性地对比分析、评估了基于卡尔曼环路滤波算法性能,以期为算法工程化提供指导。首先提出对跟踪环路反馈调整量进行预测,使之更符合系统实际,减小环路跟踪误差。而后基于卫星信号模拟器输出信号和自生产信号源,充分评估基于卡尔曼滤波环路跟踪算法的收敛时间和灵敏度。仿真结果表明,相比目前工程常用的二阶FFL辅助三阶PLL算法,基于卡尔曼滤波环路跟踪算法能够缩短环路所需稳定时间约90%,并能提升跟踪灵敏度约5 d B,有效改善弱信号场景中接收机输出信息的完好性和连续性。

基于扩展卡尔曼滤波的环路跟踪算法仿真分析

针对接收机定位动态适应性需求,分析了采用扩展卡尔曼滤波的接收机环路跟踪算法,给出了基于扩展卡尔曼滤波的接收机环路跟踪算法的数学模型,基于采集卫星信号模拟器输出的射频信号与程序生成的接收机中频信号,从动态适应性和跟踪灵敏度两个方面,仿真分析了基于标准卡尔曼滤波和基于扩展卡尔曼滤波的环路跟踪算法性能。仿真结果表明,基于扩展卡尔曼滤波的环路跟踪算法在动态环境中具有更好的跟踪性能,且能够改善跟踪灵敏度1 dB,这表明其对复杂应用场景具有更好的适应性。该分析结果能够为算法工程化提供参考和借鉴。

惯导辅助的北斗接收机深组合环路跟踪方法研究

为了减小接收机信号跟踪环路的滤波带宽,提高接收机的灵敏度和动态应力承受范围,提出一种惯导辅助北斗接收机深组合环路跟踪方法。该方法将外界惯导系统的测量值反馈给接收机信号跟踪环路,使接收机能准确地预测出接收到的载波信号的多普勒频移变化量,进而准确、及时地调整载波数控振荡器的输出频率。仿真结果表明:该方法能有效改善北斗卫星信号跟踪效果。

基于Kay加权的高动态载波跟踪环路初始频差估计方法

在高动态环境下,过大的载波跟踪环路初始频差会导致环路失锁或误锁。针对该情况已有学者通过增强环路跟踪稳定性和鉴频能力来解决,但仍存在鉴频范围小,精度低和运算量大等问题。为解决上述问题,提出了一种基于Kay加权的载波跟踪环路初始频差估计方法,该算法首先对跟踪环路中I、Q两路的短时积分结果进行二倍角处理,然后,再对其使用四象限反正切鉴频器鉴频,最后借鉴Kay算法对鉴频结果加权得到频差估计值。通过与传统方法做计算机仿真对比,结果表明:在信噪比为-26 dB及以上时,在相同运算采样点数的前提下,本文方法估计精度相较于最大似然估计和三阶锁频辅助四阶锁相环路方法分别提升8.72 dB和19.59 dB或更高。在达到相同估计精度情况下,本文算法运算采样点数为最大似然估计方法的6.25%,算法运算量中加法与乘法次数仅为其1.7%和5.6%,计算时长为其1.56%。

基于带宽调整的两种混合载波跟踪环路研究

针对高动态导致载波复现频率与实际载波频率相差较大的问题,锁频环和锁相环已无法满足环路的跟踪需求,依据频率判决因子实现三阶锁频环辅助四阶锁相环和四相鉴频器之间相互切换的2种混合载波跟踪环路算法;在三阶锁频环辅助四阶锁相环的基础上,通过相位判决因子完成对载波环带宽的动态调整。结果表明,在动态为5000/150 g/120 g、载噪比为42 dB/Hz、跟踪初始多普勒为300 Hz时,基于带宽调整的2种混合载波跟踪环路能准确地剥离出电文信息,而单一的三阶锁频环辅助四阶锁相环载波跟踪环路不能实现;当跟踪初始多普勒为0时,环路稳定跟踪后加入25/20 g/20 g的动态,基于带宽调整的2种混合载波跟踪环路可以重新完成稳定跟踪并剥离出电文信息,而三阶锁频环辅助四阶锁相环载波跟踪环路直接失锁;低载噪比下的基于带宽调整的2种混合载波跟踪环路的跟踪相位误差方差相对较小、跟踪精度较高。

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。

微波脉冲对导航接收机跟踪环路载噪比的影响

为了明确微波脉冲对导航接收机的最佳干扰参数,通过对微波脉冲干扰下导航接收机跟踪环路相关处理的理论分析,根据微波脉冲谱线、扩频码谱线以及相干积分时间三者之间的关系,提出一种微波脉冲干扰分类方法,推导了不同参数微波脉冲干扰下相关输出功率和载噪比,并进行了试验验证。理论分析与试验结果表明,当微波脉冲宽度大于等于扩频码周期且小于相干积分时间时,进入相干积分器带宽内的多条微波脉冲谱线干扰某一条扩频码谱线,该微波脉冲参数对导航接收机的干扰效果最佳,且优于连续波干扰;随着干扰谱线数量增多,跟踪环路相关输出功率值增加,载噪比减小,干扰效果增强。

基于高动态环境下B2a信号的双通道跟踪算法

在北斗三号B2a信号中,针对在高动态环境下信号多普勒变化较大,导致导航接收机跟踪环路收敛速度较慢、稳定性差等问题,基于北斗B2a信号传统跟踪环路算法设计出基于三阶锁频辅助四阶锁相的双通道联合跟踪载波跟踪环,并对此跟踪算法进行仿真分析。实验结果表明双通道联合跟踪算法对信号的利用率明显提升且环路收敛速度快,在信号较差的情况下也能实现稳定跟踪,并且稳定性和准确度明显提升。

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。

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.

多径效应的动态特性对码跟踪环路的影响分析

接收机与卫星之间的相对运动,使得多径效应存在动态特性。针对卫星轨道的不同,分析多径效应对测距误差的影响,着重讨论静止接收机接收GEO卫星信号时出现的固有多径现象,仿真分析多径信号的衰落频率对码跟踪环路的影响。仿真结果表明,当衰落频率接近或大于码环路带宽时,多径对码跟踪精度的影响会在一定程度上被滤除;不同的卫星轨道导致多径效应的动态特性存在差异,会使测距误差在时域上表现出短时快变和长时缓变两种特征。为研究多径效应产生机理与卫星轨道因素的相关性提供了验证途径。

硬件可实现的GNSS/INS矢量深组合跟踪环路(英文)

GNSS矢量跟踪环路(VTL)跟踪灵敏度和定位精度优于标量跟踪环路(STL),但实现复杂度高,三个主要难点是:多通道联合跟踪要求各通道同时获取观测量并在同一时刻更新环路参数;高频率计算卫星位置加重处理器运算负担;无法跟踪载波相位导致无法解调导航电文。以上三个难点阻碍VTL在硬件平台上实现,因此商业接收机通常使用容易硬件实现的STL,但性能次优。为了在嵌入式硬件平台上实现VTL,引入三种方法:异步观测量线性插值、卫星位置计算算法优化、特殊的导航电文解调方法,之后通过仿真验证优化算法的功能及性能。使用航迹发生器生成飞机协调转弯航迹,再使用GNSS卫星信号模拟器产生中频采样信号,基于Matlab平台处理数据并进行了对比分析。仿真结果表明该VTL计算卫星位置效率提升55倍,成功解调导航电文,VTL位置精度优于3 m,速度精度优于0.3 m/s,基于该VTL的矢量深组合(VDI)算法位置精度优于2 m,速度精度优于0.1 m/s。

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.

编码器正余弦信号跟踪环路细分技术研究

绝大多数高精度运动控制系统都依赖于正余弦编码器作为位置和速度反馈。针对传统开环处理方法的缺点,提出了跟踪环路细分方案。为了从编码器正余弦信号中提取出高分辨率的位置和速度信息,设计了1个基于CORDIC算法的正余弦信号发生器,同时设计了1个PI控制器来抑制噪声。提出的算法通过普通的模拟器件和FPGA实现。实验结果显示该方案可以满足高精度运动控制的要求。

数字多波束相控阵测控系统角跟踪环路设计

为了解决相控阵天线对目标的自跟踪问题,基于数字锁相环路理论,提出了一种相控阵天线数字角跟踪环路设计方案。通过数学建模与仿真验证了方案的正确性,同时表明方案对不同的通道时延具有良好的收敛特性。该方案已成功应用于工程项目。

MIMU辅助旋转弹丸GPS接收机跟踪环路设计

在GPS导航定位系统中,多普勒频移直接影响接收机的跟踪性能.为了克服多普勒频移的影响,对高速旋转的弹载单天线GPS接收机跟踪环路进行了研究.分析了弹丸旋转产生的复杂多普勒频移的影响因素,给出了多普勒频移的数学模型,提出采用MIMU估计多普勒频移的方法设计二阶载波跟踪环路,建立了环路的模型,并对环路的跟踪性能进行了MATLAB仿真.结果表明:MIMU辅助的跟踪环路与无辅助的跟踪环路比较,带宽窄,能有效地抑制噪声干扰,较好地实现了对旋转信号的跟踪.

时滞滤波超紧耦合跟踪环路设计

针对惯性导航系统(INS)的引入导致超紧耦合跟踪环路的响应时间常数增大的问题,提出了基于时滞滤波的跟踪环路。介绍INS辅助锁相环环路的数学模型;对INS辅助全球定位系统跟踪环路的误差进行了建模分析,明确了环路跟踪误差与更新时间的相关性;将时滞滤波引入跟踪环路的结构设计中,降低了时间相关性。理论与计算表明,时滞滤波的引入能够明显改善超紧耦合系统中跟踪环路的时间常数,提高跟踪环路的性能。

一种FLL辅助PLL的GNSS接收机矢量跟踪环路

全球导航卫星系统(GNSS)接收机的设计主要包括捕获、跟踪、解算三个环节,其中,跟踪环节中载波频率和码频率的稳定性直接影响着导航定位性能。为改善动态环境中载波频率和码频率的波动性,提高定位精度,提出一种频率锁定环路(FLL)辅助相位锁定环路(PLL)的GNSS矢量跟踪环路结构。在载波环中,采用二阶FLL辅助三阶PLL的跟踪方法,通过预测载波相位、载波频率、载波频率率,更新载波相位值并反馈到载波NCO,实现载波稳定跟踪;在码环中,将解算环节获取的伪距信息反馈到跟踪环节,实时更新各跟踪通道的码频率,实现码环稳定跟踪。实验结果表明,相较于传统的标量跟踪方法,所提出的FLL辅助PLL的矢量跟踪方法能够在动态环境下输出较小的载波频率和码频率误差,且具有更高的定位精度。相较于其他的环路改进算法,该方法融合了载波改进技术与矢量跟踪技术,且利用真实卫星数据验证了所提方法的定位效果。

短延迟多径干扰下的跟踪环路鉴别器设计

针对短延迟多径干扰影响下传统多径消除方法性能下降的问题,提出了一种跟踪环路鉴别器的构造方法.首先分析了短延迟多径下同相/正交超前、滞后与即时支路的输出特性,在此基础上构建出一种改进的超前支路;将环路鉴别器的输出定义为归一化超前减滞后功率型函数,从而使得直达信号码相位与本地估计码相位的误差小于预设门限值.理论分析和仿真结果表明,与传统多径抑制方法相比,基于改进环路鉴别器的多径抑制技术,能够减小相对时延小于0.5码片时多径带来的码跟踪误差,有效抑制了短延迟多径干扰,进而提高了导航与对接系统中的跟踪测量精度.

基于强跟踪平方根容积卡尔曼滤波的GNSS信号跟踪环路设计

在GNSS接收机信号跟踪阶段,跟踪环路容易因为载体高速运动导致环路失锁。为了提高跟踪环路的动态性能和精度,提出了一种基于平方根容积卡尔曼滤波和强跟踪滤波的跟踪环路。在传统跟踪环路的基础上,以同相、正交各支路输出为观测量,在平方根容积卡尔曼滤波中引入渐消因子以提高跟踪环路的鲁棒性,对伪码相位和载波多普勒频率作统一估计。动态仿真试验结果表明,相比于二阶锁频环辅助三阶锁相环,所提出的跟踪环路定位、定速误差减小了25%以上,可以为后续的导航解算等模块提供更为可靠的观测量。