并行高采样实现PN码捕获的井下扩频测距方法

在扩频测距技术中,伪随机(Pseudo-Noise)码捕获时间长,扩频信号需要高带宽信道,井下多径效应还会引起PN码相位延迟,因而使得扩频测距技术难以在煤矿井下应用;为了将扩频测距技术应用于井下,设计了一种并行的PN码同步精测算法,利用FPGA高速的并行处理能力,开辟L-1条相位彼此相差一个PN码片的相关通道,在各相关通道中分别对扩频码调制的数字基带信号相关运算后进行高频率采样,大幅度提高了信号处理带宽,能够在粗同步的基础上直接得到更高的时间分辨率;仿真结果表明,所提出的方法能够抑制井下严重的多径干扰,能将测距PN码所占带宽限制在50 MHz以下而测距精度达到1 m以内,是适应煤矿井下特殊环境的一种高效扩频测距方法。     

一种脉冲超宽带测距的门限选择算法

多径衰落和接收机系统噪声是影响脉冲超宽带(IR-uwB)测距精度的主要因素.在能量检测过程中,能否在干扰下准确估计IR-uwB信号的首径到达时间(TOA),是开展IR-UWB测距研究的重点和难点.鉴于此,为提高测距精度,提出一种IR-UWB测距的门限选掸算法.首先建立接收机输出信号统计特性与UWB信道衰减特性的关系式,使用全概率公式推导出TOA估计均方误差(MSE)闭合表达式,给出估计误差与多径衰减系数以及信噪比(SNR)等系统参数的严密数学表达,以最小均方误差为性能指标的门限选择算法进行仿真.仿真结果表明,改进算法可提高IR-UWB测距的性能,使测距精度达到30cm,证明是一种有效的门限选择算法.     

民航卫星导航干扰信号多径抑制算法仿真

针对日益严重的卫星信号多径干扰问题,提出一种有效的民航卫星导航干扰信号多径抑制算法,在多径干扰卫星信号数据模型基础上,通过空间平滑技术采用损失天线阵列孔径方法实现多径卫星信号的解相干处理,得到不同阵列子阵数据协方差矩阵;再采用豪斯霍尔德变换的广义旁瓣相消技术,根据广义旁瓣相消器输出的多径和噪声功率以及不同阵列子阵数据协方差矩阵,计算直达信号最佳权重矢量,采用低复杂度自适应度算法迭代计算最佳权重矢量,获取最终旁瓣相消器多径抑制后的直达卫星信号,实现民航卫星导航干扰信号的多径抑制。仿真结果表明,所提算法在任意载噪比环境下的码相位跟踪误差均较小,对民航卫星导航干扰信号的多径抑制性能较强;且算法多径抑制耗时短、民航卫星导航的定位精度高。     

抑制多径的BD2/GPS双模自适应扩展卡尔曼滤波算法

当BD2/GPS卫星信号受到多径效应干扰时,接收机的定位精度将会严重下降。针对这一问题提出了一种抑制多径的BD2/GPS双模自适应扩展卡尔曼滤波算法。通过观测误差协方差估计和粗差检测来调整卫星参与定位的受信任程度和个数,分析了多径效应对伪距残差和多普勒残差的影响,同时对比了原始EKF算法和AREKF算法在多径干扰下复杂动态路况的定位性能。实验结果表明,AREKF算法能够有效抑制多径信号对定位效果的干扰,明显提高了定位精度和可靠性。     

一种异步CDMA智能天线系统的盲空时接收机

提出一种新的基于异步CDMA蜂窝通信系统的盲二维RAKE接收机。系统中采用智能天线结构。在接收信号矢量经过传统的匹配滤波器后,按照“最大信干比”准则选取输出矢量样本,并进行最优化空时二维合并。采用这种接收结构,当系统具有较大扩频增益时,能够在没有任何用户多径的先验知识以及码同步的前提下,充分有效地利用多径环境的延时结构,因而可以使用较低的空时处理维数在抑制多址干扰的同时充分地合并强多径分量。仿真结果表明：该接收机能够以简单的结构和较低的复杂度实现良好的性能,比之前的接收机在整体上能够明显地改善信干比。     

多径传播下的超宽带通信编码算法研究

研究超宽带通信编码优化问题,由于超宽带通信中,发射机和接收机之间受障碍物的阻挡,使得编码信号不能直接传输,而是多径传播到接收机端。传统的Gold编码通过多径传播造成信号的衰落,导致传播误码率较高的问题。提出一种截短平衡Gold码的超宽带通信编码算法,将传统的Gold码截短平衡,采用PAM调制后通过Intel信道传输,将Gold截短增强了信号反射性减少了信号衰减,取平衡码传输降低了传播误码率,避免了传统的Gold码在多径传播中误码率较高的问题。实验证明,编码方法能够提高多径传播的准确率,满足超宽带通信的准确性要求,取得了满意的结果。     

基于优选几何分组增强的假设检验RAIM方法

针对传统接收机自主完好性监测(RAIM)算法对15~50m级较小故障检测和排除率低,不易满足多测距故障场景应用问题,建立4种典型卫星分布几何结构模型,通过研究各模型对含偏差测距带来的定位误差与检测统计值间耦合性的影响,提出了一种基于几何优选分组增强的RAIM方法。该方法在假设检验方法基础上,利用分组间残差矢量建立新型检测统计量与门限值,通过检验子集一致性来检测和排除含有偏差的测距。仿真表明:该方法能够提升较小故障检测和排除率,增强接收机自主完好性性能水平,且支持联合导航系统单、多测距故障场景假设,有效降低定位估计误差,保证了定位解的精度。     

多径环境下直扩信号PN码捕获性能分析*

针对多径环境下极微弱动态长周期伪码直扩(DS-SS)信号的捕获问题,拓展了单径环境下基于部分相关值与功率谱累积平均相结合的捕获算法,提出了多径环境下直扩信号的伪码捕获算法。该算法通过部分相关,得到了反映多普勒频偏的正弦信号,然后将部分相关值的功率谱累积平均,从而达到在多径环境下检测微弱信号的目的。给出了基于该算法的多径直扩信号模型,分析了该算法在多径环境下的捕获性能,通过计算机仿真验证了多径环境下该算法的可行性,并对比了多径和单径环境下的捕获效果。     

传感器网络节点定位算法在煤矿安全中的应用

研究煤矿井下安全问题,对井下人员进行定位跟踪,提高煤矿安全生产水平,应建立安全监测系统.针对煤矿井下巷道狭长,无线通信条件差,信号多径效应明显,在传统的监测中,无线传感器节点定位算法对井下环境敏感,导致节点定位误差较大.为了提高定位的精度,提出了一种基于RSSI的质心无线传感器定位算法.算法通过对无线电信号传播路径损耗模型的分析,利用锚定节点与待定位节点间的RSSI值确定质心的权值,从而提高算法对环境的适应性和定位精度.仿真结果表明,在相同的实验环境下,算法定位精度优于传统无线传感器节点定位算法,能够满足井下人员定位准确性,为煤矿安全生产监测系统设计提供了依据.     

一种基于无线传感网络的实用性地下坑道定位方法

各种地下作业都要求工人在地下坑道内进行施工,其工作环境比较恶劣.为了在事故导致工人被困地下时,能够快速确定幸存工人所处的位置,无线传感网络被应用于地下坑道环境定位.本文在对比分析现有经典测距、定位算法的前提下,针对地下坑道的具体环境提出了一种基于无线传感网络、采用无线射频信号测距、使用信标节点和目标节点,具有实用意义的地下坑道定位方法.详细论述了影响测距精度、定位精度的各种因素,根据节点硬件给出了定位精度的数值,对使用无线射频信号测距的可行性进行了论证.     

A gradient boosting decision tree based GPS signal reception classification algorithm

In urban areas, GPS signals are often reflected or blocked by buildings, which causes multipath effects and non-line-of-sight (NLOS) reception respectively consequently degrading GPS positioning performance. While improved receiver design can reduce the effect of multipath to some extent, it cannot deal with NLOS. Modelling methods based on measurements have shown promise to reduce the effect of NLOS signal reception. However, this depends on their ability to accurately and reliably classify line-of-sight (LOS), multipath and NLOS signals. The traditional method is based on one feature using signal strength as measured by the carrier to noise ratio, C/N₀. However, this feature is ineffective in capturing the characteristics of multipath and NLOS in all environments. In this paper, to improve the accuracy of signal reception classification, we are using the three features of C/N₀, pseudorange residuals and satellite elevation angle with a gradient boosting decision tree (GBDT) based classification algorithm. Experiments are carried out to compare the proposed algorithm with classifiers based on decision tree, distance weighted k-nearest neighbour (KNN) and the adaptive network-based fuzzy inference system (ANFIS). Test results from static receivers in urban environments, show that the GBDT based algorithm achieves a classification accuracy of 100%, 82% and 86% for LOS, multipath and NLOS signals, respectively. This is superior to the other three algorithms with the corresponding results of 100%, 82% and 84% for the Distance-Weighted KNN, 99%, 70% and 65% for the ANFIS and 98%, 35% and 95% for the traditional decision tree. With the NLOS detection and exclusion, the proposed GBDT with multi-feature based method can provide a positioning accuracy improvement of 34.1% compared to the traditional C/N₀ based method.     

基于RSSI的自适应权重定位算法

在室内环境中,由于存在多径、反射的影响,采用传统的静态权重质心定位(SWCL)方法无法得到准确的定位精度.针对这一问题,提出了一种新的基于接收信号强度指示(RSSI)的动态自适应静态权重质心定位(RSSI—DA—SWCL)算法.对RSSI测距算法优化,消除不同发射功率和其它突发干扰对测距的影响;利用锚节点和未知节点距离等信息,让锚节点自适应地获得最优的权重系数,从而提高定位精度;将RSSI—DA—SWCL算法在ZigBee平台中实现,并通过Maltab仿真和实测实验对算法进行验证.结果表明:和传统的定位算法相比,提出算法具有更优的定位精度.     

A time-recordable cross-layer communication protocol for the positioning of Vehicular Cyber-Physical Systems

Vehicular Cyber-Physical Systems are a rapidly growing research field that has applications in a variety of locations that include urban centers, underground parking lots, as well as tunnels environments. These systems require real-time or constant location information, but the traditional satellite signal-based positioning systems do not work well in tunnels or urban centers with dense skyscraper due to satellite signal Non-Line-Of-Sight (NLOS) problem. The One-Sided Synchronous Two-Way Ranging (OSS-TWR) algorithm can remedy the imprecise positioning of satellite signal-based positioning systems by using a Dedicated Short Range Communications (DSRC) link between the vehicle and Road Side Units (RSUs). However, the unavoidable network collisions in these wireless communication systems will severely influence the measurement of the signal flight of time, thus significantly degrading positioning estimation accuracy of OSS-TWR. In this paper, a cross-layer communication protocol is proposed to enhance OSS-TWR by compensating for the impact of network collision. Firstly, OSS-TWR positioning algorithm is analyzed and the reasons for the poor precision location estimation are further explored. Secondly, a time-recordable back-off algorithm is proposed that can record the total back-off time for a frame resend resulting from a network collision. Following this, the experimental ranging results show that the proposed algorithm is practically feasible and is superior to OSS-TWR.     

GPS 中基于P码的快速直接捕获方法的研究

GPS系统采用典型的CDMA体制,目前扩频PRN码主要是用于标准定位服务的C／A码和用于精确定位服务的P码,而P码的捕获通常是利用C／A码来完成的。为保证扩频信号具有更高的扩频增益、更强的抗模仿和抗欺骗能力,GPS接收机必须实现P码的直接捕获。本文从研究信号直接捕获算法角度出发,提出了一种新的P码快速直接捕获算法,结果表明,该算法较XFAST和均值法扩大了时间覆盖域,提高了捕获效率。     

一种基于卡尔曼滤波的超宽带室内定位算法

为了减小室内环境中障碍物对超宽带(UWB)传感器测距结果的影响,提出了一种基于卡尔曼滤波(KF)的超宽带室内定位算法.利用超宽带接收信号的信噪比区分视距和非视距环境,给出了超宽带传感器测距性能最小二乘标定模型,减小测距系统误差;判断相邻测距差分是否在阈值范围内,否则用卡尔曼滤波先验估计替代后验估计处理测距结果,由此减弱多径效应和非视距误差对测距的影响;用扩展卡尔曼滤波器(EKF)实现室内定位.实验结果表明:算法在复杂室内环境中可达到亚米级的动态实时定位精度.     

虚拟星座伪卫星和双泄漏电缆覆盖的室内定位

为增强室内卫星导航信号,提出了一种双泄漏电缆覆盖的虚拟星座伪卫星室内二维定位方法。采用卫星导航模拟器产生多路虚拟轨道卫星信号,同时激励相互垂直的双泄漏电缆的末端,信号沿泄漏电缆轴向传输的同时,通过外导体上的一系列槽孔向室内空间辐射卫星导航信号,使卫星导航接收机能直接定位,输出概略位置和伪距观测量,再利用卫星间伪距差的二维定位算法对接收机位置进行二次解算。通过搭建硬件系统进行实地测试,证明能达到室内伪距定位的米级精度。     

GPS软件接收机载波跟踪环路鲁棒滤波算法

在全球定位系统(GPS)软件接收机中,环路滤波器对噪声抖动的抑制作用,是用户精确连续跟踪卫星信号的重要保证.本文用噪声未知但有界的假设,代替了传统方法中噪声统计特性已知的苛刻要求,应用半定规划方法将滤波问题转化为凸优化问题,提出了载波跟踪环路鲁棒滤波算法,获得了包含多普勒频移的置信椭球,解决了复杂多变环境下GPS软件接收机的滤波跟踪问题.应用模拟载波信号和实际卫星信号对该算法进行验证,结果表明该方法能够连续有效跟踪GPS卫星信号,为GPS软件接收机设计环路滤波器提供了新的思路.