卫星导航系统接收机原理与设计——之六

4.5.2数字信号检测Signal Detection上文假设接收机已经获取当前导航信号伪码延迟和多普勒频移参数对的预估值,因此,接收机可以利用当前估计的伪码延迟和多普勒频移参数对产生本地复制码。但是,GNSS接收机基带数字信号处理通道首次建立初始状态时,接收机并不能预估出导航信号的参数对(伪码延迟和多普勒频移),因此数字信号处理通道需要搜索可见范围内的所有的卫星(信号),即所谓的“冷启动”。接收机利用信号处理通道中的捕获模块     

GNSS信号中多普勒频移的估计与补偿技术

为了提高全球导航卫星系统(GNSS)的信号捕获速度,提出了一种校正与补偿由卫星运动导致的GNSS信号中的多普勒频移的算法。讨论了由卫星运动的动力学方程计算卫星运动速度的方法、(GNSS接收机位置下的)可见卫星的确定,分析了由卫星运动引入GNSS信号中的多普勒频移,通过建模仿真了24颗卫星信号的多普勒频移变化曲线。仿真结果表明,多普勒随时间变化的曲线是具有周期性和单值性的光滑曲线,可依据接收机时钟估计出多普勒频移值,在半径800 km左右的范围内,大部分时间上的估计误差小于500 Hz,有效地缩减了多普勒频移的不确定范围,提高了GNSS信号的捕获速度。     

LEO卫星信道多普勒频移估计与补偿

为削弱LEO卫星信道的时间选择性衰落,提出了一种多普勒频移估计与补偿方法。基于差分相关检测器,从中频信号提取下行信号中的多普勒频移信息,然后利用A/D和DSP进行相应地采集与处理。用得到的多普勒频移估计实时调节接收机本振频率,实现对下行信号的多普勒频移补偿,同时计算出上行多普勒频移并进行补偿。该方法无需符号同步,特别适合于超过符号速率的多普勒频移估计。     

低轨非同步卫星的多普勒频移分析

在低轨非同步卫星通信中,地面站与绕地球旋转的低轨卫星存在径向的相对运动,接收信号频率会与原信号频率发生偏移,产生多普勒效应。由卫星轨道参数和地面站最大可视仰角可以得到低轨卫星的多普勒频移计算公式。通过对连续四轨STK(卫星工具包)仿真数据和多普勒频移公式计算值的对比,得到多普勒频移及其变化率的相关曲线图,可为低轨非同步卫星的多普勒频移提供估算与补偿依据,以确保卫星通信的质量。     

面向高轨航天器的北斗导航特性分析

利用卫星导航信号实现高轨航天器的自主定轨与导航已成为当前国内外的研究热点， 高轨星载导航接收机面临可见卫星数少、接收导航信号微弱、动态性较大等问题。针对以上问题， 分析了高轨环境下星载导航接收机获取到的信号功率、可见星数、DOP 值及多普勒频移状态。首先建立了北斗星座模型与高轨航天器动力学模型，构建星间测距链路，对高轨卫星的可见性进行了仿真分析，结果表明当星载接收机功率为-177 dBw 时，可见星数能达到 4 颗以上，能满足定轨需求；然后对高轨卫星的定轨精度进行了仿真，DOP 值的均值为 15.657 8；最后对导航卫星和高轨卫星之间的多普勒频移进行了分析，仿真的多普勒范围为±14 kHz。相关研究结果可支撑高轨航天器星载接收机的开发。     

基于扩展卡尔曼滤波的高动态多普勒频移估计

精确的频率估计及跟踪是GPS接收机设计的关键问题.在高动态环境下,接收的载波信号会产生较大的多普勒频移,将直接影响C/A码的捕获以及导航电文的解调.在此采用四阶扩展卡尔曼滤波器,对高动态条件下的多普勒频率进行时域估计.这种卡尔曼滤波器收敛性好,估计精度高,计算复杂度较低.仿真结果表明,该算法可得到精准的频率估计,实现频率的精确跟踪,具有实际的使用价值.     

基于广义延拓逼近的GPS卫星信号多普勒频移估计方法

对并行码相位捕获GPS卫星信号时多普勒频移的栅栏效应进行研究。为了减小栅栏效应的影响,提高多普勒频移的捕获精度,提出用广义延拓逼近法来提高多普勒频移的估计精度,并在不增加算法运算量的基础上,对此方法进行优化,进一步降低了噪声对捕获多普勒频移精度的影响,仿真结果验证了该方法的有效性。     

一种数字中频GPS信号生成方法

研究了一种数字中频GPS信号生成方法。给出了数字中频信号数学模型,模型考虑了各种因素对信号的影响。通过导航电文分析,提出信号传播时延、多普勒频移以及信号入射方向的估计方法。给出了中频信号产生的流程,对其中时延的设置,信号的上变频、信号幅度设置以及方向信息的导入进行了阐述。对所生成的信号模型进行了仿真分析,给出了信号产生各个阶段的频谱,对所生成的信号进行了相关捕获。仿真结果表明频谱特征符合理论分析,能够被捕获并找出信号时延从而实现定位。证明该信号模型能作为信号源应用于GPS接收机研制中。     

基于FFT的GPS快捕方法设计和实现

在GPS接收机中扩频信号的捕获是系统的关键技术之一.卫星和接收机的相对运动使GPS信号产生相位延迟和多普勒频移,传统的滑动相关的捕获方法需要很长的捕获实践.通过分析GPS的信号特征,推导出卫星信号和本地信号经过相关累加后成为以多普勒频率变化的正弦信号,证明了运用FFT方法可以快速估计出卫星信号的多普勒频率.同时详细介绍了基于此方法而设计的FPGA硬件方案,提出了一种分时复用的方法使12个通道共用一个FFT捕获硬件,提高了效率节省了面积.通过实验验证了改算法的有效性,缩短了捕获时间.     

GPS信号的多普勒频移和时移分析推算

对GPS信号总是采用相干接收和处理，本地信号需要时刻保持与卫星信号之间频率和码相位的严格对准。GPS卫星和用户的运动将使接收信号的频率发生改变，同时也将使信号中的码速率发生改变，从而影响对信号的捕获、跟踪和对伪距的测量，这成为GPS接收机设计者和对抗者关注的焦点之一。文章仔细分析推算了多普勒频移和时移及其变化率，取得了重要数据，并简要分析了对环路的影响。     

卫星信号模拟器中多普勒频移模拟的研究

文章分析了动态环境下多普勒频移的产生,研究了多普勒频移的估算方法并建立了数学模型,在此基础上提出了一种运用DSP结合专用的DDS芯片AD9954模拟多普勒频移的方案。并根据所模拟数据的要求选择了一种可行AD9954的工作模式,介绍了参数的计算方法,给出了DSP控制AD9954进行多普勒频移模拟的程序流程。     

大频偏卫星扩频信号的基带处理算法的FPGA实现

多普勒频偏一直是卫星通信中不可忽视的消极因素。针对多路混叠的卫星扩频信号下变频以后所产生的大多普勒频偏,在匹配滤波结构中采取改进的部分相关算法,在基于并行导频的信道估计中根据信道状况改变估计长度,实现了大频偏下卫星扩频信号的基带处理。     

Frequency Offset Estimation Algorithm of High-Order M-APSK Modulation Signal Based on DFT

How to accurately compensate the Doppler shift is the main challenge for broadband satellite terminals. In this paper, a frequency offset estimation algorithm based on frequency domain window function iterative peaking search is proposed with high-order M-APSK signal models, considering both algorithm complexity and estimation accuracy. The variance of the new algorithm is derived mathematically, and performance curve compared with Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) is also simulated under various SNR (signal-to-noise ratio). The effectiveness of new method is verified by simulations.

     

GPS多普勒差分测速算法

全球卫星定位系统(GPS)多普勒单点测速技术是单GPS天线测姿技术的核心,但其测速精度易受卫星速度误差、卫星钟漂、电离层延迟、对流层延迟以及飞行器位置误差等因素的影响。针对上述问题,提出结合GPS地面基准站卫导观测数据,对机载GPS多普勒观测量进行双差处理,从而得到GPS多普勒双差方程。求解该双差方程,能够有效缓解上述不利因素的影响,得到精度更好的飞行器实时速度。半实物仿真计算结果与跑车实验计算结果都表明多普勒差分测速精度大幅优于多普勒单点测速精度。     

基于插值的多普勒频偏和频率斜升联合估计算法

为解决卫星移动通信系统中突发传输在低信噪比条件下的载波快速同步问题,该文提出一种基于插值的频偏和频率斜升联合估计算法。先通过对多普勒斜升搜索结合低复杂度频偏估计获得频偏和频率斜升的粗估计结果,再以频率斜升粗估计结果为中心、计算3个频率斜升值所对应的对数似然函数并据此对频率斜升进行二次插值以获得频率斜升估计值,最后在该估计值下计算出对应的频偏估计值,完成频偏和频率斜升的联合估计。仿真结果表明,该文算法的信噪比门限较低,估计性能接近克拉美罗下界(CRLB),而且计算复杂度远低于最大似然估计算法,非常适于实际应用。     

An optimal algorithm for searching a noiselike signal with the minimum frequency-shift keying

An optimal algorithm for seeking a noiselike signal with the minimum frequency-shift keying is synthesized. The algorithm involves estimation of the signal delay time. The noise immunity of quasi-optimal algorithms is analyzed. The proposed algorithms are recommended for application in correlation receivers of noiselike signals with the minimum frequency-shift keying.     

Joint oversampled carrier and time-delay synchronization in digital communications with large excess bandwidth

This paper deals with the joint estimation of the pair dynamical carrier phase/Doppler shift and the time-delay in a digital receiver. We consider a Binary Offset Carrier shaping function as used in satellite positioning, which is a time-limited pulse with a large excess bandwidth, and a Data Aided synchronization scenario, where we have a constant time-delay and a Brownian phase evolution with a linear drift. The proposed study is relative to the use of an oversampled signal model after matched filtering, leading to a colored reception noise and a non-stationary power signal. The contribution of this paper is twofold. First, we derive the Hybrid Cramér-Rao Bound for the joint phase/Doppler estimation problem. Then, we propose a method for the joint time-delay/carrier synchronization, which couples an Extended Kalman Filter and an Expectation-Maximization type algorithm. Our numerical results show the potential gain of using the oversampled signal for carrier synchronization, obtaining better performances than using a classical synchronizer, and good time-delay estimation.     

高动态卫星链路多普勒频移特性分析

为满足高动态卫星接收机设计仿真及测试需求,以高机动飞行器典型运动模型为参考,通过合理近似与简化,推导出高动态卫星信道多普勒频偏变化理论模型。仿真结果表明,理论模型的多普勒频偏计算误差小于6‰,适合工程设计应用。在此基础上,进一步分析了高动态卫星通信信号载波同步关键技术,并提出了解决方案建议。     

卫星信道下混合信号频偏的估计方法

针对非协作卫星通信场合中同调制参数的MSK单通道混合信号的载波频偏估计问题进行研究,推导了卫星信道条件下MSK混合信号的循环谱表达式。通过搜索零频率处循环频率轴上的大强度谱线进行混合信号频偏估计,并针对谱线选择时存在的模糊问题,利用循环谱快速算法中的泄漏谱线包络辅助进行模糊消除。仿真结果表明在信噪比大于-20 dB时,对混合信号载波频偏估计较为准确。该方法对混合信号载波初相和时延等未知参数影响不敏感,并且不需要任何先验信息,其估计精度能够满足后续信号处理的需要。     

高速移动条件下的多普勒频移估计与校正

在遥测遥控通信系统中,经常会遇到发射机或接收机具有很高的移动速度。这将导致接收机接收到的数据包含很大的多普勒（Doppler）频移。多普勒效应使得接收数据的相位发生旋转,这将造成接收信号无法正确解调。对高速移动条件下的数字通信系统中存在的多普勒频移问题进行研究,并对盲估计算法与训练序列估计算法的性能进行比较与分析,并对采用训练序列算法估计频偏和相偏的FPGA实现过程中存在的主要问题进行讨论并提出解决方案。最后,仿真结果表明,所提到的硬件实现算法能够很好地估计和校正频偏与相偏。