Kalman滤波理论在GNSS信号跟踪中的应用

在分析传统GNSS接收机跟踪环路的基础上,对传统的码环滤波和载波滤波在复杂的环境下精度不高的问题,提出一种以自适应Kalman滤波算法代替码环和载波环中的两个环路滤波器,并依据新息自适应的对测量噪音实时调整,将调整结果输入到卡尔曼跟踪环路,估计跟踪误差、实现GNSS(扩频信号)信号的跟踪,提高环路在复杂应用环境下的跟踪精度。仿真结果证明了这种方法提高了跟踪精度,对环境的适应能力有了明显的增强。     

卫星导航信号码跟踪精度理论的适用性研究

针对码跟踪精度理论在导航系统信号体制评估中的广泛应用,利用自主研发的卫星导航信号仿真平台对导航跟踪优化的适用条件进行了研究,对不同载噪比环境、前端接收带宽以及超前滞后间距条件下的信号伪距误差进行了测量,将仿真结果与理论结果对比,分析了实际应用中滤波器、鉴别器的非理想特性对信号码跟踪精度所造成的影响.仿真结果表明,在非相干超前滞后(NELP)码跟踪环的条件下,当载噪比较高时,前端接收带宽接近发射带宽,并在超前滞后间距足够小时,计算结果能够较真实的反映信号的性能,并可以为导航信号体制的理论评估以及新型导航信号的设计提供参考.     

一种新的高动态GPS载波跟踪算法

提出了基于无迹粒子滤波（UPF）算法的高动态GPS载波跟踪环路,仿真分析了该方案在高斯噪声和非高斯噪声环境下对高动态GPS信号的跟踪性能,并与分别基于扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）、粒子滤波（PF）及扩展卡尔曼粒子滤波（EPF）这四种算法的载波跟踪环路进行了性能对比。仿真结果表明,基于UPF估计器的载波跟踪环路在高动态、弱信号以及非高斯噪声环境下具有优越的跟踪性能,既可以提高跟踪精度,又解决了非高斯噪声干扰问题。通过模拟实验验证了该方案的有效性。     

多路GNSS欺骗干扰互相关噪声模型

为开展GNSS欺骗干扰源定位研究，构建了多路GNSS欺骗干扰互相关噪声模型。首先分析了欺骗干扰原理并给出了信号模型；通过对噪声构成和规律的分析，研究建立了PRN码间互相关噪声模型；最后利用信噪比和欺骗信号方位角分布进行描述。仿真结果显示，多路GNSS欺骗干扰中码间互相关噪声，在接收通道噪声中的比重随欺骗信号功率增加趋于100%。这表明测向精度与多路GNSS欺骗信号功率是一组矛盾，实际测向结果可通过欺骗信号信噪比寻优。     

不同参数下GNSS软件接收机跟踪环性能分析

针对用户接收机实际跟踪卫星信号过程中跟踪环参数设置模糊性问题,着重分析了GNSS(Global Navigation Satellite System)接收机跟踪环路参数设计的范围,然后通过Matlab仿真环境对不同环路参数下信号跟踪效果进行了仿真,得出了接收机环路参数的经典取值（阻尼系数ζ=0.707,带宽BL=25 Hz）,最后通过软件接收机实验平台对实际采集到的卫星中频信号进行了跟踪验证,实验结果证明了跟踪环路参数选择的有效性。     

新型的卫星导航信号体制设计

为进一步提高导航信号精度、频带效率及增强导航系统可靠性,提出一种基于低密度奇偶校验(LDPC)码的最小频移键控-二进制偏移载波(MSK-BOC)调制信号体制(LDPC-MSK-BOC)。以Compass和GPS信号典型参数为例,采用功率谱密度、码跟踪误差、多径误差包络、误比特率、解调抗窄带/匹配谱干扰品质因数、码跟踪抗窄带/匹配谱品质因数、谱分离系数等参数来评估二进制偏移载波(BOC)和MSK-BOC两种信号的导航性能。理论分析和仿真结果表明:在频带资源受限的条件下,与BOC信号体制相比,所提出的信号体制在码跟踪精度和抗多径方面有更好的性能;同时可进一步提高系统的可靠性,改善频带利用率。     

基于自适应强跟踪Kalman滤波的GNSS跟踪环路设计

为提高GNSS接收机跟踪环路在复杂环境下的跟踪性能,提出一种基于自适应强跟踪Kalman滤波(ASTKF)的跟踪环路,在传统跟踪环路的基础上,以鉴相器输出为观测量进行自适应强跟踪Kalman滤波,滤波结果用于计算导航滤波器的观测量,同时将伪码频率和载波多普勒频率反馈到码NCO和载波NCO,在ASTKF中使用基于卡方分布的渐消因子计算方法,提升跟踪环路鲁棒性。半物理仿真实验表明,相比于基于Kalman滤波的跟踪环路和基于强跟踪Kalman滤波(STKF)的跟踪环路,所提出方法在水平方向上的位置误差和速度误差减小20%以上,有效提高了卫星导航接收机的定位性能。     

采样时钟抖动对GPS信号跟踪性能影响研究

本文分析了晶振的漂移对GPS接收机的影响,从锁相环理论的角度,重点分析了采样时钟抖动对基带载波跟踪和伪码跟踪性能的影响,并给出一种环路分级降带宽的方法来消除这种影响.该方法在保证最终伪码跟踪精度的前提下,增加了跟踪环路对动态应力的容忍范围.提高了GPS接收机跟踪环路的稳定性.     

微型测控应答机再生测距码跟踪精度研究

微小卫星的星载测控应答机由于功率和天线增益受限,测距误差较大.而再生伪码测距能显著减少下行链路的噪声,从而提高伪码跟踪精度.针对最新的再生测距码,利用线性分析的方法,对伪码跟踪环的理论均方定时误差进行了推导,并对这些测距码的跟踪性能进行了仿真和比较.与理论值不同的是,环路的实际跟踪性能由于VCO相位噪声的存在,不是环路带宽的单调函数.因此,需要根据信噪比条件设置相应的最佳带宽,以得到最佳的跟踪性能.与理论情况相比,各测距码实际环路跟踪性能的差异有所减小.     

伪码调相雷达高度表中多径信号抑制算法研究

多径误差是伪码调相雷达高度表中重要的误差源之一,为了提高系统的测距精度,建立了采用strobe相关器的伪码跟踪环数学模型,给出了其实现的结构框图;在考虑单路多径信号的基础上分析了多径信号的参数对伪码跟踪环的跟踪误差的影响,并在Matlab环境下对伪码跟踪环的跟踪性能进行了仿真;仿真结果表明在相同的多径参数条件下,strobe相关器可以有效地减小多径引起的跟踪误差,性能优于窄相关器,运算量较多径估计延迟锁定环要小,易于在硬件上实时实现,具有实际应用价值。     

基于组合相关函数的AltBOC（15，10）信号的无模糊跟踪方法

针对由于自相关函数的多峰性质导致的交替二进制偏移载波（AltBOC）（15,10）信号的跟踪模糊问题提出一种基于组合相关函数的无模糊跟踪方法。首先设计了两个特殊的本地信号,然后通过码跟踪环路实现本地参考信号与接收信号的相关运算,从而获得两个互相关函数,最后将这两个互相关函数相乘以获得无模糊相关函数来消除模糊问题。分析了该方法的热噪声跟踪精度以及抗多径干扰性能,结果表明：1）该方法实现了无模糊跟踪;2）其跟踪精度介于类二进制相位键控（BPSK Like）方法和伪相关函数（PCF）法之间,当载噪比大于40 dB·Hz时跟踪精度与PCF方法相当;3）当多径延迟大于0.1个码片时,多径误差明显小于BPSK Like方法和PCF方法。     

基于组合相关函数的AltBOC（15，10）信号的无模糊跟踪方法

针对由于自相关函数的多峰性质导致的交替二进制偏移载波（AltBOC）（15，10）信号的跟踪模糊问题提出一种基于组合相关函数的无模糊跟踪方法。首先设计了两个特殊的本地信号，然后通过码跟踪环路实现本地参考信号与接收信号的相关运算，从而获得两个互相关函数，最后将这两个互相关函数相乘以获得无模糊相关函数来消除模糊问题。分析了该方法的热噪声跟踪精度以及抗多径干扰性能，结果表明：1）该方法实现了无模糊跟踪；2）其跟踪精度介于类二进制相位键控（BPSK Like）方法和伪相关函数（PCF）法之间，当载噪比大于40 dB·Hz时跟踪精度与PCF方法相当；3）当多径延迟大于0.1个码片时，多径误差明显小于BPSK Like方法和PCF方法。     

半无数据调制信号捕获跟踪算法研究

半无数据调制是指在每个节点发送的信号上都调制有同相和正交两路伪码,同相通道上无数据信息,正交通道上调制数据信息,两通道上的伪随机码相互正交。根据半无数据调制的信号样式,采用联合捕获及联合跟踪算法对信号进行基带处理。在捕获阶段,对单通道捕获与相干联合、非相干联合及差分相干联合等捕获算法在捕获概率及捕获时间方面的性能进行对比,在码跟踪、载波跟踪阶段,通过比较单通道跟踪与联合跟踪算法在不同干扰场景下的跟踪误差协方差,选择最佳的捕获及跟踪算法。仿真结果表明,相干联合捕获算法捕获概率最高且平均捕获时间较短,而码环和载波跟踪环的联合跟踪算法具有较高的跟踪精度及可靠性。     

优化组合相关函数方法的BOC无模糊跟踪性能研究

二进制偏移载波(Binary-Offset-Carrier)调制广泛应用于现代化的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)中,但BOC信号的自相关函数(Autocorrelation Function, ACF)的多副峰性质易产生跟踪模糊。针对该问题,提出了一种基于优化组合相关函数方法来实现BOC信号无模糊跟踪。该方法以自相关函数主峰为无模糊跟踪目标函数,采用最小二乘法获得多组不同时延BOC信号自相关函数组合的加权系数,并将获得的无模糊相关函数与原自相关函数相乘构成非相干鉴相器实现无模糊跟踪。分析了正弦相位和余弦相位BOC信号的跟踪性能,仿真结果表明该方法消除了BOC信号的跟踪模糊,同时保持了良好的跟踪性能。     

Optimal signal tracking algorithm for GNSS signal using moving set-point LQG system

This paper proposes moving set-point state feedback for a LQG control system. In contrast to the independent code and carrier tracking loop of a conventional receiver algorithm, the code and carrier tracking variables are correlated in the LQG system. Not only are the multiple states correlated with each other, but also the control inputs are formulated from a combination of the states and the optimal LQG controller gain. In addition, this paper develops a moving set point to estimate the GNSS signal more accurately. To analyze the advantage of the proposed method, a signal tracking simulation using hardware GNSS simulator is performed and the simulation results show that the tracking performance of the moving set-point LQG system is better than that of a conventional loop filter, especially in terms of the code tracking performance.     

Signal tracking method of GNSS receivers for spinning vehicles

A signal tracking method of GNSS receivers for spinning vehicles is proposed in order to eliminate the influence of spinning to the GNSS signal of a vehicle. In the proposed method, a rotation tracking loop is added into the carrier tracking loop of a conventional GNSS receiver. The proposed method was verified through computer simulations and an experiment for live GPS signals. The results show that the proposed method gives an accurate tracking performance.     

基于微波暗室GNSS抗干扰接收机的测试方法

GNSS抗干扰接收机的性能测试方法研究,对提高卫星导航系统在实际应用环境下的安全性与可靠性具有重要意义。本文提出了一种基于微波暗室改进的GNSS抗干扰接收机的测试方法,该方法通过扩大模拟信号的视场角范围,实现了卫星信号的多路输出、干扰信号的动态模拟。和传统的卫星信号单路输出、干扰信号静态模拟的测试方法相比,本文提出的测试方法能够逼近室外真实的测试环境,提高了抗干扰接收机性能测试的准确性。最后通过数字仿真,分析了干扰源与信号源的夹角关系及信号模拟误差对抗干扰接收机测试带来的影响。     

基于组合相关函数的CosBOC(10,5)信号无模糊跟踪方法

二进制偏移载波（BOC）调制信号是一种设计精妙的新型卫星导航信号,充分挖掘其性能的前提是解决好其跟踪模糊问题。余弦相位二进制偏移载波（CosBOC）信号的自相关函数相对更复杂且难以简洁统一地表示,其跟踪模糊问题的研究也相对薄弱,为此,以应用于伽利略系统的E6频段上的CosBOC（10,5）信号为研究对象,提出了一种基于组合相关函数的无模糊跟踪方法。该方法首先设计了由数目尽量少的本地复现信号及其移位加权来线性组合构成的本地参考信号;然后通过码跟踪环路该参考信号与接收信号相关后得到无副峰的相关函数,从而消除码鉴别器的跟踪模糊;最后分析了该方法的码跟踪误差。实验结果表明,该方法与类二进制相移键控法（BPSK Like）、峰跳法（Bump Jump）和伪相关函数法（PCF）相比,跟踪环路结构简单,完全抑制了跟踪模糊且整体上具有较好的码跟踪性能。     

卫星定位接收机高精度伪码跟踪的设计与实现

在卫星定位接收机中,伪码跟踪的精度直接影响定位精度。介绍了延迟锁相环及其数学模型。在对比分析等量采样和非等量采样条件下延迟锁相环跟踪精度的基础上,提出了采用非等量采样延迟锁相环的伪码跟踪数字实现方案。该方案复杂度低,易于实现。实验结果表明该方案对码速率为10.23 MHz的伪码跟踪精度可达1 ns,实现了伪码的精确同步。该设计已应用于卫星定位接收机的研制开发中。