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。

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。

一种用于电离层TEC监测的GNSS信号载波跟踪算法

全球卫星导航系统(GNSS)是电离层TEC监测中应用最普遍的手段.目前方法通常是在传统导航用途的GNSS接收机输出的原始观测量基础上,经过数据后处理得到电离层TEC信息,其GNSS信号的跟踪处理算法依然采用GNSS导航接收机的算法.针对GNSS系统用于电离层TEC监测的特殊性,提出一种称为GNSS双频信号和差联合跟踪的新算法,与传统方法相比,该算法直接跟踪电离层TEC的变化,可以提高电离层TEC跟踪的灵敏度和TEC的观测精度,改善电离层TEC监测性能.

一种GNSS双频信号跟踪的新方法

在双频接收机双频L1辅助L2跟踪方法基础上提出一种GNSS双频信号载波和差联合跟踪新方法。该算法能够克服传统的L1辅助L2跟踪方法 L2信号能得到L1信号辅助信息、而L1信号得不到L2信号任何辅助信息的固有缺点。仿真结果表明:该和差联合跟踪方法相比传统的双频信号跟踪算法能够耦合双频信号实现其相互辅助跟踪,具有提高GNSS双频信号的跟踪稳健性和灵敏度等优点。

基于FFT和电文估计的GNSS弱信号载波跟踪方法

在弱GNSS信号环境中,基于传统环路的GNSS载波跟踪方法受导航电文、接收机动态和晶振稳定性的制约,难以使用较长相干积分时间提高环路输入信噪比。本文提出了一种基于FFT的电文估计方法,该方法只需计算一种电文组合下的相干积分值序列的FFT,其他电文组合下的FFT只需少量加法运算即可完成,降低了电文符号估计的计算量。通过对导航电文符号和边沿的估计,可以使用较长时间的相干积分值序列的FFT变换鉴别载波环跟踪误差,这可以克服长积分时间中接收机动态和多普勒频率估计误差造成的损耗,从而提高鉴频器的输出信噪比。仿真结果表明,本文提出的跟踪方法能够在低动态弱信号条件下跟踪载波频率。

惯性辅助GNSS跟踪环路及其适配性分析

载波跟踪技术作为GNSS接收机的关键技术,其跟踪算法在很大程度上决定着GNSS接收机的导航性能。本文基于一种典型载波跟踪环路结构,针对高动态环境下接收机跟踪环路易信号失锁的情况,设计了一种惯性辅助GNSS载波跟踪算法,提出利用多普勒频移变化量平滑伪距率算法,并对惯性辅助跟踪环路的适配性进行了分析。实验结果表明:惯性辅助GNSS载波跟踪算法适用于高动态环境,具有良好的动态性能和导航精度。

一种弱信号下的组合导航跟踪环路设计

针对全球定位系统/惯性导航系统(GPS/INS)组合导航在弱信号环境下载波跟踪性能下降的问题,从跟踪环路的结构及影响因素方面论述了接收机对于导航信号的跟踪过程,提出了双通道合作跟踪环路的设计以实现对载波的持续锁定。仿真显示,所提出的方法在信号强度低于25 dB/Hz时,仍能保持较低的速度误差,且没有出现失锁的情况。这为改善弱信号环境下组合导航系统的性能提供了参考途径,可以为实际组合导航系统的跟踪环路设计提供借鉴。

导航信号载波跟踪环路的研究

针对动态环境下的GPS导航信号,研究了载波跟踪环路的设计。三阶锁相环能准确无误的跟踪频率斜升激励,环路参数较多,在噪声性能优化上拥有更广的自由度,采用二阶锁频环辅助三阶锁相环的载波跟踪环路,并给出了环路参数的设计方案,分析了环路参数对环路测量误差的影响。

导弹自旋条件下GPS信号跟踪环路设计

根据实际中自旋导弹GPS接收天线相位中心与导弹自旋几何中心的不一致性,建立弹载天线坐标系。推导弹体自旋条件下接收的GPS卫星信号的附加多普勒频移变化规律,验证弹体自旋对接收信号的影响。提出一种新的GPS信号跟踪环路设计方法,以消除附加多普勒频率对跟踪的影响。该设计在传统环路基础上加入旋转跟踪环,实现对弹体自旋转速的估计,利用转速信息辅助环路跟踪。经过计算机仿真验证,新环路载波相位跟踪误差较传统环路显著减小,表明该设计能够获得更佳的信号跟踪性能。

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。

一种Galileo E5信号双环路捕获跟踪方法

Galileo导航系统是实现多系统联合定位的优良选择,故对Galileo信号接收的研究具有重要的理论和实际意义。当前Galileo E5信号主要采用二进制偏移载波调制,其信号接收存在精度和效率等多方面的不足。针对Galileo E5信号的特点,提出结合捕获和跟踪的双环路组合跟踪方法。研究使用并行码相位搜索的方法,实现对Galileo E5信号准确捕获,粗略估计出伪随机噪声码相位和载波频率。通过紧密耦合的码跟踪环路和载波跟踪环路,对这2个参数进行精确锁定跟踪。仿真结果显示:跟踪信号在0~1 000 ms内功率谱密度集中在频带之内,包络恒定,相位连续变化,实现了Galileo E5信号的连续稳定跟踪。

GNSS接收机在惯性速度辅助下跟踪环路的研究

全球导航卫星系统GNSS和惯性导航系统INS都是目前世界上应用最为广泛的导航方法之一。组合导航利用二者较强的非相似性和互补性,将两者组合起来,可以取长补短充分发挥各自的优点。本文通过理论推导和仿真试验的手段,比较分析了有速度和无速度辅助时接收机跟踪环路的性能,计算及方真结果表明了GNSS接收机在有惯性速度辅助的情况下接收机的跟踪性能较无速度辅助时有了明显的提高,为工程应用奠定了理论基础。

不同INS器件对GNSS/INS深耦合接收机跟踪环路的影响

针对在GNSS/INS深耦合接收机产品设计中INS器件的选用问题,仿真研究了不同动态条件下,导航级、战术级和商业级这3种不同性能级别的INS器件对GNSS/INS深耦合组合接收机跟踪环路的影响。深耦合组合接收机能较大程度上降低失锁临界带宽,提高载波跟踪精度。导航级、战术级及商业级深耦合接收机在不同动态下的载波环临界带宽可以分别压窄到1～1.8,1.5～2.7 Hz和2～4 Hz;临界带宽下的载波跟踪环的误差分别在19°,22°和27°以内;速度误差分别在0.05～0.5,0.1～1.0,0.2～2.0 m/s。上述结果为GNSS/INS深耦合接收机中的INS器件选型提供了理论依据。

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.

基于通用环路的GNSS码跟踪性能分析方法

针对缺乏非匹配跟踪性能分析方法的问题,提出了基于通用环路的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)信号码跟踪性能评估方法。以通用跟踪环路为基础,扩展了码跟踪误差分析理论,给出了适用于匹配/非匹配跟踪处理的码跟踪误差一般表达式。理论分析过程综合考虑了调制方式、接收机配置(如前端带宽、相关间距、积分时间和环路带宽)、跟踪算法(如匹配跟踪和边带跟踪)、噪声和干扰等多种因素。BOC、MBOC信号的测试结果验证了理论分析的正确性,并说明该分析方法兼容匹配和非匹配跟踪处理算法,能全面分析GNSS信号的码跟踪性能。

GNSS信号捕获与跟踪算法的改进与实现

为了缩短GNSS接收机捕获信号所用的时间,在对导航信号进行频谱观察的基础上,改进了基于FFT的捕获算法和阈值的设定,并对改进后的算法进行了仿真验证,结果表明该算法具有可行性,并可以缩短捕获时间。设计了GNSS接收机的完整跟踪通道,利用MATLAB软件对该跟踪通道进行仿真,仿真结果验证了该跟踪通道的正确性。

一种未知信号功率下的GNSS载波跟踪算法

利用卡尔曼滤波实现信号跟踪的导航接收机在城市等信号容易被遮挡的环境中,由于遮挡造成信号功率不同程度的衰减,接收机的跟踪精度会有所下降。在此背景下,文章提出一种载波跟踪环路的设计模型,利用自适应渐消滤波和卡尔曼滤波相结合的方法,使滤波器在先验信息不完整或者噪声统计特性不准确时仍接近最优。仿真结果表明在特定场景下,提出的方案较传统方案跟踪精度和稳定度有显著提高。

新体制卫星导航信号特性与跟踪环路设计

从新体制卫星信号的特性出发,论述新体制卫星导航信号跟踪环路的一种实现方式,即三环双估计器跟踪环路的设计方法,并以一个仿真系统为例给出各项参数推导的详细过程,最终的仿真结果证明所述方法合理可行。

基于GNSS模拟器的加速度辅助跟踪实验验证

具有外部辅助信息的接收机跟踪环路可以提高接收机的动态范围、跟踪灵敏度与抗干扰性能,但由于目前开展实际高动态实验非常困难,故不方便对辅助效果进行实际信号的测试。介绍了一种基于GNSS信号模拟器高动态场景采集的卫星信号与辅助信息,在软件接收机中进行捕获与跟踪处理的测试方法,其中辅助信息为用户-卫星视线速度和加速度。实验过程中采用一种根据捕获多普勒频率进行时间对齐的方法,将卫星信号和采集时间存在延迟的辅助信息进行粗略对齐。在介绍传统的速度辅助方法和一种新的加速度辅助方法基础上,分析辅助信息时间延迟对辅助结果的影响,最后基于上述数据分别测试并对比无辅助、速度辅助和加速度辅助的跟踪环路性能。结果表明,由于经粗略对齐后的辅助信息相比卫星数据仍存在约1.3 s的时间延迟,导致速度信息无法辅助高动态卫星信号跟踪,而采用加速度辅助方式可将30 Hz带宽环路的跟踪误差从0.031周减小到0.020周,最小跟踪带宽从22 Hz降低至10 Hz;加速度辅助的20 Hz带宽环路跟踪误差为0.029周。因此,加速度辅助方式可减弱辅助信息时间延迟对高动态信号辅助跟踪效果的影响,对于高动态接收机的工程实现有实际意义。