基于北斗B1C信号的DPE方法定位性能分析

城市峡谷环境的高精度定位是全球卫星导航定位系统亟待解决的重要问题之一。近年来提出的直接位置估计(Direct Position Estimation, DPE)方法是基于“导航域”实现位置的最优估计,现有研究集中于全球定位系统(Global Positioning System, GPS)信号进行分析验证,缺乏新体制信号的对比和抗多径原理分析,并且计算量过大不易实现。针对以上问题,基于北斗卫星导航系统(BDS)B1C信号,设计了一种快速DPE软件接收机,并基于城市峡谷环境下的真实信号验证了BDS B1C新体制信号DPE软件接收机的实际性能。实际试验表明,相同信号相干积分长度和卫星几何精度因子情况下,DPE接收机使用二进制偏置载波调制(Binary Offset Carrier, BOC)新体制信号相较于二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)信号在城市峡谷环境下定位精度具有显著提升。

基于PCF重构的北斗B1C信号无模糊捕获算法

针对B1C信号自相关函数存在多峰性会导致基带信号处理过程中存在模糊性问题,提出一种基于伪相关函数(pseudo-correlation function,PCF)重构的无模糊捕获算法,对互相关函数进行重构消除副峰并提高主峰峰值,将B1C信号的数据和导频分量进行联合捕获提高捕获灵敏度,同时引入降采样和FFT并行捕获策略降低计算复杂度.仿真结果分析表明:改进算法可以实现B1C信号捕获,改进算法在提高主峰的同时,完全消除了副峰,实现了B1C信号捕获的无模糊性.其捕获时间相比其他算法缩短近1/2,在信噪比高于13 dB时,主峰比例均值趋于稳定,最高相比Filtered法提高67.74%,在捕获概率为0.9时联合捕获载噪比低于导频单通道捕获1.8 dB·Hz,并在较低载噪比情况下较其他算法具有更好的适应能力.

基于EKF的北斗B1C信号数据/导频联合跟踪方法

针对北斗B1C信号在低载噪比情况下跟踪精度低的问题,提出一种基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的北斗B1C信号数据/导频联合跟踪方法.通过构建数据/导频双通道联合跟踪模型,增加对B1C信号利用率,并在联合跟踪模型的基础上引入扩展卡尔曼滤波器,削弱传统跟踪环路中鉴别器和环路滤波器带来的跟踪误差,进一步提高跟踪环路对低载噪比信号的跟踪性能.仿真结果验证:在低载噪比情况下,相比于传统单导频通道跟踪、单导频扩展卡尔曼跟踪和联合跟踪,该方法可以有效提高跟踪精度.

一种“北斗”B1C信号无模糊捕获算法

针对"北斗"B1C信号同步过程中存在的捕获模糊性问题,根据"北斗"B1C信号的信号特点,基于伪相关函数方法,设计了一种适用于"北斗"B1C信号的无模糊捕获算法。该算法采用数据分量和导频分量非相干组合的捕获策略,实现了B1C信号数据分量和导频分量的无模糊捕获,提高了捕获灵敏度。利用导航终端接收的卫星信号数据,对所提捕获算法进行了仿真验证,并分析了其无模糊捕获性能和捕获灵敏度。仿真结果表明,所提算法能准确且快速地捕获"北斗"B1C信号。

北斗B1C信号联合捕获策略

目前对含有导频通道的新信号的捕获研究,主要是设计联合捕获算法,提高功率利用率以提升接收性能,分为等长与非等长相干积分联合算法两类.本文针对北斗B1C信号,深入分析了三种等长相干积分联合算法的加权问题,并解释了相干联合与差分联合算法的联系.理论和仿真结果表明,相干联合算法具有更优的性能;进一步,本文结合最优相干积分时间理论给出捕获参数设计方案,对比了不同场景条件下等长与非等长相干积分联合算法的性能,给出了捕获B1C信号的优化策略.

“北斗”三号B1C信号的硬件实时生成

从节省资源、提高实时性以及简化实现复杂度的角度出发,对"北斗"三号B1C信号进行硬件实时生成。首先,介绍了B1C生成相关理论并将B1C信号生成拆分成子模块进行研究和生成;其次,采用统一的系统时钟和精密的相位控制保证了B1C信号数据分量与导频分量及分量内部之间的严格对齐;最后,针对导频分量虚部,给出了一种硬件上可消除虚数运算的生成方式,解决了硬件上虚数信号难以生成这一难题,最终实时生成B1C信号。生成结果表明,理论仿真与硬件生成结果相吻合,验证了该B1C信号硬件生成方式的正确性,且该生成方式简单、灵活,占用资源少,易于工程实现。B1C信号的实时生成不仅可为接收终端基带信号处理提供模块设计参考,同时也可为信号接收处理提供测试用信号。

一种用于BDS-3接收机工程实现的两级B1C信号捕获技术

北斗三号卫星导航系统(BDS-3)B1C信号相较北斗二号卫星导航系统卫星信号,从信号结构、编码方式再到导航电文结构都发生了改变,包括引入导频信号、二次编码、BOC调制、LDPC编码和B-CNAV1导航电文结构等.这些改变一方面提高了信号性能(如抗多路径、信号捕获和跟踪精度等);另一方面,也带来了一系列问题,对接收机的信号捕获技术提出了全新的要求,如需处理更大的数据流,解决由二次编码带来的符号翻转和BOC调制造成的捕获多峰性问题.针对BDS-3接收机的工程实现,本文提出了一种新颖有效的两级B1C信号捕获技术.其中第一阶段采用扩展并行平均相关搜获结构,用以解决符号翻转问题,同时实现高效的信号粗捕获;第二阶段在缩小的搜索范围内进行高精度搜索,此步骤可有效避免信号多峰性造成的误锁可能.除此之外,本文还介绍了单信道和多信道组合式捕获技术,用户可根据资源占用和捕获灵敏度需求选取更有效的捕获方法.实验结果表明,本文提出的方法允许使用更小更经济的快速傅里叶变换(FFT)模块,并通过大量并行处理的方法实现快速捕获.相较传统的高精度捕获技术,此方法在采样频率超过50MHz时,能够在保证相近的捕获精度的同时减少至少61%的运算量.

一种BDS B1C信号捕获改进方法

针对B1C信号复杂的特点和捕获的复杂性,提出一种基于ASPeCT的BOC(1,1)信号捕获算法:通过对B1C信号的接收体系建立数学模型,与相关信号的传统捕获算法进行比较,说明各自捕获时存在的问题,在此基础上提出B1C信号的改进捕获算法;最后作捕获仿真分析,利用蒙特卡洛方法模拟验证捕获检测概率。结果表明,该算法可缩短捕获时间,同时检测概率与匹配算法的相同,能够有效完成捕获的要求。

B1C信号调制实现与性能分析

北斗三号在B1频点采用新一代民用导航信号B1C调制信号。介绍了B1C信号的结构,并采用Simulink实现信号调制,比较信号分量的自相关函数和鉴相器曲线图,并对串行和并行捕获方法下的副峰误捕检测概率以及非匹配接收方法下的相关输出信噪比损失进行了仿真。仿真分析表明,导频分量自相关函数尖锐,鉴相牵引范围更大,串行捕获和并行捕获误捕概率较数据分量减小10%,而非匹配接收情况下的信噪比损失约20 d B,接收性能未能达到预期值,处理方法有待进一步提高。

B1C信号非匹配捕获研究

针对B1C信号捕获的灵活性和多样性,提出将TMBOC信号与BOC(1,1)信号分别对其进行非匹配捕获的研究。首先建立B1C信号数学模型,对算法研究原理进行了数学推导,其次针对信号捕获的检测概率进行了分析,并对非匹配捕获中存在的信噪比损失给出了理论分析,并对实际采集到的B1C信号做捕获仿真研究。仿真表明,BOC(1,1)信号捕获能够获得更高的峰均比,而TMBOC信号在捕获B1C信号导频分量时峰均比更优,但整体相较前者峰均比下降约0.46 dB,算法的研究为B1C信号同步提供了新的思路。

北斗B1C信号及导航电文的特点分析与比较

我国北斗全球卫星导航系统工程建设已经启动,北斗互操作信号B1C的接口控制文件已经发布。本文重点对北斗B1C信号及导航电文进行介绍,并对其信号及导航电文的设计特点进行分析,同时与GPS L1C和Galileo E1OS互操作信号进行比较。分析显示,北斗B1C的信号和导航电文编排,在充分借鉴GPS L1C和Galileo E1OS信号特点的基础上,进行了优化设计。B1C信号具有与L1C信号和E1OS信号相同的中心频点和频谱结构,采用了数据导频支路、MBOC调制、分层码结构等设计方案,导航电文与GPS L1C也较为相近,实现与GPS L1C、Galileo E1OS信号的互操作。同时B1C也具有自身独有特点,如B1C导频支路采用QMBOC(6,1,4/33)调制方式、导航电文采用64进制LDPC编码,在实现互操作的基础上,也创新了自身特色。相对于北斗B1I信号,北斗B1C信号具有更好的弱信号跟踪、更短的首次定位时间等服务性能。

基于GPU的北斗B1C信号快速捕获技术

捕获灵敏度和实时性是衡量软件接收机基带信号处理性能的关键指标,然而这两个指标之间却存在着此消彼长的关系。文中提出了一种基于CPU和GPU异构计算平台的北斗B1C信号快速捕获方法,可以较好地平衡捕获灵敏度和实时性能之间的矛盾。通过分析B1C信号捕获模块的各个部分访存量和计算量,该方法可以针对性地对计算和带宽资源消耗较大的部分进行GPU并行优化。复杂的逻辑判断和状态转换依靠CPU实现,而大量的彼此之间独立的数据计算则依赖于GPU实现。与CPU实现的软件接收机相比,文中的实现不仅在捕获总耗时上大幅度减少,而且在捕获灵敏度上也比捕获传统的B1I信号提高了将近8个d B。

北斗三号B1C/B2a新信号精密定轨性能分析

为分析评估BDS-3新信号(B1C和B2a)的定轨服务水平,收集2021-05-01~06-30全球均匀分布的69个MGEX测站观测数据对B1C和B2a信号精密定轨性能进行评估。48 h重叠弧段结果表明,使用B1C/B2a组合观测值时,BDS-3 MEO卫星轨道3D RMS值优于6 cm,径向优于2 cm,激光测距检核残差优于4 cm。此外,单BDS-3 MEO及BDS-3 MEO+Galileo两种情况下新老信号精密定轨结果表明,前者新老信号定轨精度相差不超过1 mm,定轨性能基本相当;后者B1C/B2a新信号相比于B1I/B3I老信号呈现出更优的定轨性能,其3D RMS提升0.38 cm。

基于PCO+FFT的B1C导航信号捕获算法

为了对采用BOC调制的B1C导航信号进行捕获,提出了基于PCO+FFT的导航信号捕获算法。首先,在深入分析B1C信号特点的基础上,对分段长度和FFT点数进行选择;其次,从相干积分增益、非相关积分增益、多普勒测频范围与测频分辨率、检测概率等几个方面对该算法进行了深入地推导;再次,给出基于新算法的FPGA实现方案;最后,通过仿真验证算法的有效性。在FPGA硬件平台上进行实测的结果显示了方案的正确性。将副载波剥离的方式以及基于状态机的控制核心的实现思路可为导航信号捕获算法的改进提供参考。

基于B1C新信号的BDS/INS深组合改进的跟踪环路设计

针对北斗卫星导航系统/惯性导航系统(BDS/INS)的深组合定位系统,提出了一种利用惯性导航系统(INS)辅助B1C正交分量的信号跟踪算法,以解决定位过程中信号较弱致深组合定位系统失锁的问题.该算法使用了考虑INS数据的卡尔曼滤波算法,并同时利用导频分量和数据分量构成本地码,对信号进行跟踪.由该算法对实测数据计算,并利用传统算法进行对比,可以得出在弱信号的环境下跟踪环路较为稳定,伪距精度较高.

基于B1C/B2a观测数据的北斗卫星精密定轨及广播星历轨道分析

利用开通全球服务以来近2 a的iGMAS和MGEX观测数据,确定并分析北斗三号卫星B1C/B2a数据的长时序定轨性能,以评估广播星历轨道对用户定位的影响。结果表明,基于新频点B1C/B2a观测数据的北斗三号MEO卫星精密轨道径向精度约为3 cm, IGSO约为8 cm。除GEO外,北斗三号IGSO/MEO卫星的广播星历轨道在径向、法向和切向的平均精度约为0.11 m、0.36 m和0.38 m,均优于GPS卫星;卫星轨道引起的用户测距误差(SISRE)约为14.5 cm。然而,广播星历轨道的激光测卫(SLR)检核残差结果显示,其轨道径向存在明显系统性偏差,最大可达近10 cm。

北斗B1C、B2a信号非理想性分析及接收约束建议

卫星导航信号的非理想性会导致不同接收机之间出现测距偏差,是影响卫星导航系统服务精度和完好性的重要因素。首先,针对北斗系统B1C、B2a新体制信号的非理想性进行分析,利用大口径天线采集了全部北斗三号在轨卫星播发的B1C、B2a信号(共27颗卫星),评估了不同接收带宽、码鉴相间距下测距偏差的大小与变化特点;然后,以双频多星座星基增强服务应用为例,分析了两个信号在相应接收机中的设计约束条件。研究结果发现,在接收机常用的参数范围内,B1C、B2a信号非理想性引入的测距偏差分别不超过0.68 m、0.44 m;在测距偏差小于0.1 m的性能约束下,B1C、B2a信号可用的约束条件参数范围优于国际民航标准草案中的相关要求。

基于低阶EKF联合的相干与非相干积分组合跟踪算法

针对弱信号环境B1C信号难以跟踪以及积分时间难以延长的问题,设计了一种基于低阶扩展卡尔曼滤波(EKF)联合的相干与非相干积分组合跟踪算法。首先,分析了B1C信号结构,建立了数据和导频通道相关器联合跟踪模型;其次,根据B1C在弱信号环境下的变化特点,设计了相干与非相干积分组合跟踪算法;最后,利用模拟信号发生器生成-144 dBm的B1C弱信号,进行了仿真实验验证。实验结果表明,低阶EKF联合跟踪算法采用20 ms长相干积分,载波与伪码跟踪误差分别为0.014 rad与0.027 chip。采用相干积分与非相干积分组合积分后,载波与伪码跟踪误差均提高14%以上,且对更长积分时间的适应性明显提高,能够改善B1C弱信号的跟踪能力。