一种高动态弱GNSS信号跟踪解调算法研究与实现

在某些高动态弱信号场景中,载波相位难以锁定。为实现对高动态弱全球导航卫星系统(GNSS)信号的跟踪,考虑锁频环较锁相环更为鲁棒,提出了一种基于锁频环(FLL)+差分解调的算法,实现对GNSS信号的跟踪和解调。该算法采用二阶FLL实现对卫星信号的频率进行跟踪,差分解调算法实现对比特数据的解调。工程应用上,算法采用现场可编程门阵列和数字信号处理器(FPGA+DSP)的架构实现,在FPGA中实现信号的跟踪信号的前处理,在DSP中实现跟踪环路算法、位同步和差分解调。本文在Matlab平台中实现算法的仿真,通过模拟器平台和对天接收真实的GNSS信号对算法进行验证。仿真结果与实验结果表明,该算法在高动态弱信号条件下能实现对卫星信号的稳定跟踪和数据的解调,克服了锁相环难以锁定导致数据无法解调的难题,最终实现GNSS信号在该条件下的位置、速度和时间(PVT)解算。

GNSS信号接收机的构件初识──GNSS导航信号的收发问题之十

GNSS信号接收机是GNSS导航卫星的用户设备,是实现GNSS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GNSS卫星导航定位信号的无线电接收设备,既具有常用无线电接收设备的共性,又具有捕获、跟踪和处理弱达3.5E-16W^2.5E-17W卫星微弱信号的特性。为此,GNSS信号接收机的构件必须满足这种捕获、跟踪和测量GNSS信号的需求。

高动态GNSS信号多普勒模拟任意阶直接数字合成器设计

为高精度模拟高动态条件下GNSS信号的多普勒特性,提出一种任意阶直接数字合成信号合成器的设计方法。设计任意阶直接数字合成信号合成器的结构;通过理论分析,推导各级累加器相位初值的计算公式;给出字长选择方法。经仿真验证,该方法能精确模拟GNSS信号的多普勒特性。此外,提出的直接数字合成器设计方法不受阶数的限制,可普遍应用于各类信号模拟器的设计。

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。

星载GNSS信号接收机的研制思考

星载GNSS信号接收机能够为在轨航天器提供稳定、高精度的七维状态参数测量,具有广泛的工程实用价值,但需要解决下述研制问题:1细致分析系统间的差异,处理好不同的导航信号之间、时间系统之间和坐标系统之间的差别;2提取卫星导航信号之间的结合点,寻求接收机的公共频率源;3研发内置机内定位星座优选软件,获取较小GDOP值,提高七维状态参数测量精度;4研发星载GNSS信号软件接收机,节省星载硬件设备。

GNSS信号接收机的研制思考──GNSS导航信号的收发问题之十四

本文首先论述了GNSS信号接收机的优越性,进而详解了研制GNSS信号接收机必须认真解决的下述问题:细致分析系统间的差异,处理好不同的导航信号之间、时间系统之间和坐标系统之间的差别;提取卫星导航信号之间的结合点,寻求接收机的公共频率源;研发内置机内定位星座优选软件,获取较小GDOP值,提高7维状态参数测量精度。

基于TMBOC信号的新型GNSS信号模拟器的设计

为模拟GPS L1C频点的TMBOC信号,提出一种基于FPGA+DSP硬件平台的TMBOC信号生成方法,并给出了FPGA和DSP程序设计方案。FPGA进行数字中频信号的调制,包括12个独立通道的信号调制,DSP生成FPGA信号调制通道中的参数、导航电文和频率控制字。在Modelsim上仿真TMBOC信号,并通过频谱仪测试其频谱,实验结果表明,TMBOC信号模拟器能生成稳定的TMBOC信号。

GNSS信号接收机软件化的实现方法——GNSS导航信号的收发问题之十五

基于软件无线电技术的GNSS信号软件接收机,是近年来GNSS技术研究的一个热点,也是GNSS用户设备的一个重要发展方向。本文综析了GNSS信号软件接收机的四大优点,以及研发GNSS信号软件接收机的关键技术,并用我们研发的GPS软件相关器模拟平台给出了仿真结果。

GNSS信号数字畸变频域模型的建立

从BPSK、BOCs(1,1)以及BOCs(m,n)信号的自相关函数和数字畸变互相关函数出发,推导出BPSK、BOCs(1,1)以及BOCs(m,n)信号数字畸变的互相关功率谱,建立了数字畸变频域模型,通过比较传统数字畸变模型和数字畸变频域模型的测距偏差,证明在分析畸变信号影响时,数字畸变频域模型可以代替传统数字畸变时域模型,从而简化了数字畸变信号影响的分析过程。

一种加速GNSS信号捕获的短时傅里叶变换算法

提高GNSS信号捕获速度从而减少定位时间,是目前GNSS信号处理研究热点之一。短时傅里叶变换是一种通过设立窗口函数与采样信号相乘从而提高捕获速度的方法。为了提高GNSS信号捕获速度,利用短时傅里叶算法对GNSS信号捕获的算法进行了改进。实验中选取了不同的窗口函数对GNSS信号峰值以及处理速度的变化进行了分析。在其码相位和频率基本不变的情况下,得到了在峰值变化较小时,短时傅里叶变换能有效提高其捕获速度的结论。

GNSS信号仿真平台中频信号源硬件平台设计及实现

GNSS信号仿真平台包括上位机软件单元、中频信号产生处理单元和射频信号产生处理单元,本文主要研究基于FPGA+DSP+PXIE架构的GNSS中频信号源硬件平台的设计及实现,包括总体方案设计、原理图的设计和PCB绘制。本文以模拟生成GALILEO E1OS中频信号为例,验证了本设计的硬件平台的可用性和稳定性。

分数傅里叶变换在GNSS信号捕获中的应用

首先给出了分数傅里叶变换的数学模型并分析其相关性质,在此基础上,将分数傅里叶变换用于BPSK调制的GPS信号和BOC调制的信号的捕获当中,分析捕获结果与分数傅里叶变换角度的关系,实验证明分数傅里叶变换的角度取较小值时,存在模糊问题,取较大值时能正确捕获。因此GNSS信号捕获过程中,可以采用分数傅里叶变换,无需进行频域搜索,从而节省捕获时间。

基于GNSS信号模拟器的卫星定位设备精度检定方法研究

随着北斗兼容定位设备的推广应用,传统利用检定场测试方法受气候环境变化、多路径、成本高、重复性和可控性差等影响,给性能和精度评估带来诸多不便,基于此,本文提出了利用GNSS信号模拟器仿真混合信号检定卫星定位设备精度的方法。通过研究该方法的可行性,验证其正确性,为室内GNSS接收设备的动态精度检定与评估开辟新的途径。实验表明:该方法结果可靠,应用方便,可作为检定卫星定位设备精度测试方法,具有一定的现实指导意义。

GNSS信号遮挡处水下地形测量方法的研究

现代海洋测绘中,内河及近海RTK三维水深测量技术已经相当成熟。结合GNSS实时定位技术,实现了高效的三维水深测量,为水下地形测绘、障碍物探测及航海导航提供了支持。但在一些GNSS信号遮挡的区域,如码头岸坡、船闸闸室内、船厂水工建筑物等位置进行水深测量时,由于GNSS信号遮挡而需要重新获取测深仪的三维坐标,然后进行水深测量。文章介绍了在GNSS信号遮挡区域的定位及水深测量方法,并讨论相关误差来源。

GNSS信号模拟器通道群时延标定方法

传统的全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟器通道群时延标定方法有相位翻转点法和相关峰法两种,两者均在零伪距或固定伪距的特殊仿真场景下进行测量,且在通道传输特性非理想的情况下测得的群时延均存在偏差.提出了基于闭环伪距测量的模拟器通道群时延标定方法,并设计实现了GNSS信号模拟器通道群时延标定系统.首先,采用高速直接射频采样存储系统对模拟器正常星座动态仿真场景下输出的导航信号和秒脉冲(1 PPS)信号同时进行记录.其次,使用软件接收机对信号进行捕获跟踪,利用三次样条插值判定1 PPS上升沿位置作为伪距观测历元时刻,对软件接收机的伪距观测量和模拟器仿真的伪距记录值做数据比对,得到模拟器的群时延标定值.最后,分别利用上述方法对两种商用模拟器的群时延进行了标定,实验结果表明,闭环伪距测量法有效可行,测量不确定度优于0.7 ns.

GNSS海洋反射信号接收机设计与分析

针对全球导航定位系统(global navigation satellite system,GNSS)海洋反射信号遥感技术的需求,文章设计了一种GNSS海洋反射信号接收机,用以对GNSS直射信号和反射信号进行接收。多普勒延迟映射结构是GNSS海洋反射信号接收机中的关键部件,采用直射信号通道闭环、反射信号通道开环的方式,反射信号通道利用直射信号通道获得的扩频码和多普勒频率,在半个C/A码片时间内进行相关积分,得到反射信号的相关峰波形。由于海面反射的GNSS信号是多个不同反射信号的集合,合成码的相关波形和直射信号不同,其位置和形状包含了海洋学参数信息,通过此相关函数波形即可解算出海面风场信息。GNSS海洋反射信号接收机技术可以为海洋环境监测、基础测绘、灾害监测等领域提供技术支持。

欧美月球GNSS规划现状分析综述

月球是地球最重要的天然卫星,当前国际上正在迎来新一轮月球探索高潮,数十个机构和商业团队正在规划月球探索任务,并设想在未来实现航天员长期驻月,围绕月球的“太空竞赛”刚刚开始。月球GNSS(基于现有的地球GNSS以及新的环月卫星通信导航基础设施的月球卫星通信导航定位技术)是空间基准科研的基础,能够提供航天器着陆定位以及月面(及其覆盖空间)定位、导航与授时等服务,同时可以将月球作为试验场,将导航工具包扩展到更远的目的地(如火星)。对欧美近期发布的月球GNSS规划进行了整理归纳,其中包括美国月球GNSS接收机实验(LuGRE)计划和欧洲月光(MoonLight)计划,以及美国中远期月球通信中继和导航系统(LCRNS)计划,这些计划可以为我国开展月球GNSS规划提供参考。

GNSS导航信号仿真中运动轨迹设计

GNSS信号仿真器模拟GNSS信号时需要提供轨迹数据,要求轨迹数据连续、平滑且二阶可导。要满足上述条件,传统的方式通常是对轨迹进行分段仿真,设置仿真轨迹的时候较为复杂,在仿真高动态载体时,还常常会出现轨迹不平滑的现象。为此提出采用三次样条插值的方法来仿真载体轨迹,既满足GNSS信号仿真器对轨迹数据的要求,又保证与真实轨迹的相似性。

弱GNSS信号下基于EMD和LSTM的车辆位置预测方法研究

针对弱GNSS环境下组合导航(INS/GNSS)系统存在的定位偏差问题,提出一种基于经验模态分解和长短期记忆网络的车辆位置预测算法。首先,针对训练数据中噪声较大的惯导数据,提出一种融合经验模态分解与离散小波变换的降噪算法。该算法基于噪声能量估计和各阶本征模态函数的功率谱密度函数,提出一种确定混合模态函数阶数上下界的方法,并采用离散小波变换硬阈值法对混合模态函数进行滤波处理,最终利用经过处理的各阶模态函数重构原始数据以达到降噪目的。训练数据经过预处理后,采用改进的堆叠式长短期记忆网络离线训练位置预测模型,利用该训练模型可在线实时进行位置预测。针对车辆定位序贯数据预测,提出一种局部数据降噪方法,该方法利用一定长度时间窗口的历史数据,通过线性最小二乘给出当下时刻数据的预估值,并与实际量测值进行滑动平均滤波,优化位置预测的结果。在封闭场地模拟隧道环境下,对长短期记忆网络输入端进行局部数据降噪与不进行降噪处理比较,经度和纬度的归一化均方误差分别下降了13.34%和9.38%,经度和纬度的归一化平均绝对误差分别下降了8.64%和5.41%;在复杂城市交通环境下,检验提出的方法,经度和纬度的归一化均方误差分别下降了6.51%和5.66%,经度和纬度的归一化平均绝对误差分别下降了5.70%和8.23%。试验结果表明,在弱GNSS信号环境下,提出的车辆位置预测方法有效提高了车辆定位精度和稳定性。

基于GNSS卫星反射信号的海冰厚度探测

为了解决近海岸海冰探测的难题,该文针对岸基平台提出一种利用GNSS卫星反射信号进行海冰厚度探测的方法。该方法首先计算GNSS卫星反射信号和直射信号的强度比,即反射信号相关功率和直射信号相关功率的比值;然后根据海冰厚度的经验模型得到海冰厚度的信息。为了验证该方法的有效性,在辽宁鲅鱼圈区进行的实验中对GNSS卫星反射信号进行了长期观测,结果表明,GNSS卫星反射信号反演的海冰厚度值为10~20 cm,与同比观测值之间具有很好的一致性。