基于局部和值比的GPS接收机P码频域直接捕获技术研究

GPS接收机采用码分多址(CDMA)方式进行卫星分址和测距,它需要对接收到的卫星信号进行跟踪、解扩解调和导航电文获取等,并利用捕获到的至少3颗卫星信号进行目标定位。 GPS接收机实现的关键技术包括伪随机码(PN)如C/A码、P码的生成和捕获、定位算法的实现等,C/A码短、易于直接捕获、用于粗测距,P码特长、难于直接捕获、用于精测距。P码直接捕获分为时域法和频域法,频域法比时域法效率高。P码频域的直接捕获法分为扩展复制重叠法XFAST和均值法,本文深入地研究了这些捕获法特点,提出了进一步提高P码捕获效率的基于局部和值比的P码直接捕获法,文中对结果进行了分析。     

GPS软件接收机系统设计及仿真实验研究

软件接收机通道模块设计体现着软件算法的核心,接收机运行控制设计决定着整个软件系统的循环。在接收机通道状态分析的基础上设计实现了GPS单频软件接收机,并对自行开发的C/A码信号仿真器产生的数字中频信号进行了实验,分析了捕获和跟踪状态中通道重要参数的时间序列关系,验证了时域串行搜索捕获策略、超前—滞后非相干码跟踪环路以及直方图位同步算法的正确性和通道模块结构设计的合理性。     

圆周移位在伪码补零BDS信号捕获算法中的应用

D1导航电文中加入了NH码,且D2导航电文的速率也比GPS信号的快很多,使得BDS的信号结构增加了捕获难度。采用伪码补零的方法可以对BDS信号进行有效捕获,但是该方法积分时间较长导致捕获耗时变长。本文提出了一种基于圆周移位的改进伪码补零算法,将搜索中复杂的载波剥离运算用计算量很小的频谱序列的搬移操作来代替,使算法复杂度大幅下降。试验结果表明,该方法可以有效减少运算量和捕获耗时。     

接收机温启动状态下辅助长码快捕的钟差预测算法

卫星导航接收机中,时间是影响长码快捕实现的重要因素。接收机钟差预测是压缩码相位不确定范围,减少信号搜索范围的一个方面。提出利用递推阻尼最小二乘法进行二阶钟差模型参数在线解算,并在温启动状态下利用存储的这些参数进行钟差预测的算法。以一款温补晶振为例进行了实验验证,数值结果表明该算法可以将钟差误差范围压缩6倍,将有效地辅助长码快捕的实现。     

PMF-FFT方法在P码捕获中的改进及参数设计

部分匹配滤波器与FFT相结合的捕获模型使用在高动态环境下导航信号的捕获中,由于它对多普勒频率误差有较高的容忍度,因此可以直接进行频域的并行搜索,大大降低了平均搜索时间,并使整个系统依然具有较高的检测概率. 文中通过建立数学模型,对PMF FFT捕获算法的原理及特性及其在捕获流程中的各部分损耗进行了详细的分析,并针对P码的非周期特性,使用重叠保留法对PMF FFT算法进行了改进,使用基于FFT的并行码相位搜索的方法,在频域内实现了时域相关运算,进一步减少了捕获时间. 最后依据“达到等效判决信噪比时总运算时间最少”原则,对算法中各项参数的设计提出了指导意见,具有一定的参考价值。      

基于FPGA的GPS信号快速捕获方法实现

介绍了一种基于平均相关器的GPS信号快速捕获算法，通过VHDL语言描述在FPGA上实现了该算法。平均相关器是一种将输入的5000点GPS样本信号平均化为1024点样本，然后通过FFT方法实现GPS信号快速捕获的基带相关器。这种相关器可以一步搜索到所有可能的码相位偏移，大大提高了捕获速度，比较好地满足了实时处理的要求。     

GPS接收机数字码跟踪环性能研究

从数字码跟踪环的角度研究了高动态体制下GPS接收机性能，对伪码捕获和跟踪过程建立了数学模型；推导出伪码捕获的检测概率和虚警概率，提出改进的双Dwell搜索方法；对高阶DDLL的动态跟踪性能及输入随机噪声影响进行了定量分析。通过MATLAB及Simulink动态仿真结果表明，双Dwell搜索方法能显著缩短平均捕获时间；可根据具体应用环境，选择不同的环路参数，以优化码跟踪环的特性。     

GPS／BD2／GALILEo反射信号接收机兼容分析与设计实现

探讨了多系统反射信号接收机GNSS—R的关键技术,介绍了基于FPGA＋DSP平台的GNSS—R接收机多系统兼容方法。通过数据插值技术、存储CA码发生器技术、FFT频域搜索CA码相位和载波多普勒频移技术,利用分段积分和FFT技术得到反射信号的复相关功率值等技术,解决了多系统在采样、捕获、跟踪、处理等方面的兼容性问题。搭建了验证系统,实现了对多系统反射信号接收机的信号的兼容处理。     

多普勒与伪码相位值结合的A-GPS快速定位算法研究

辅助全球定位系统通过蜂窝网基站提供给A-GPS接收机捕获辅助信息、辅助星历、时间与概略坐标,解决了微弱信号下的定位问题。从信号捕获到完成跟踪,解码导航电文需要经历相关锁定、相位锁定、比特同步、帧同步等过程,在信号很弱以至于无法实现帧同步、不能解调卫星TOW的情况下,常规定位算法无法实现定位。文中提出多普勒与伪码相位结合的A-GPS快速定位算法,利用伪码相位值进行伪距重构法消去整数毫秒伪距中隐含的公共误差,利用多普勒定位提供的初值保证初始位置和时间误差在0.5光毫秒以内,实现了粗时间、粗位置辅助下利用多普勒与伪码相位值的A-GPS快速定位。     

GPS中频信号快速捕获技术分析

为解决GPS中频信号快速捕获问题,在介绍GPS码相位和载频信号捕获原理的基础上,重点阐述了基于FFT的并行GPS中频信号快速捕获方法,同时在非相干累加、接收信噪比、先验信息等方面分析了提高中频信号快速捕获的可能性,最后利用一组GPS实测数据对上述分析进行了的仿真计算。仿真结果表明基于FFT技术的中频信号快速捕获方法具有抗干扰、捕获速度快和检测低信噪比信号的能力,可以满足GPS软件接收机定位的要求。     

基于匹配滤波方法的直接序列扩频系统伪码捕获性能分析

通常对匹配滤波法伪码捕获的性能分析都假设检测量独立。但对于实际的捕获系统,由于相邻检测量之间有公共的观测数据段,当伪码搜索间隔小于一个码片时,相邻检测量之间并不独立。建立了此条件下的基于匹配滤波的伪码捕获模型,并给出了高效的虚警分组验证策略,定义了该模型下的检测概率和虚警概率。用Monte Carlo方法分析了伪码搜索步进以及伪码相位偏移残差对捕获性能的影响。研究结果可用于指导扩频通信和导航系统接收机的设计。     

基于SIC的伪卫星系统抗远近效应捕获算法研究

地基伪卫星系统中由于远近效应的影响,近场伪卫星信号可能对远场伪卫星信号形成压制干扰,导致远场伪卫星信号无法被捕获. 针对该系统中使用的跳时直接序列扩频(TH-DSSS)信号的捕获问题,引入串行干扰消除(SIC)技术,缓解伪卫星系统中的远近效应问题,通过本地重构强信号和干扰对消降低强信号对弱信号捕获的影响,并从理论和仿真两方面对其性能进行了分析. 仿真结果表明,相比传统未采用干扰消除的捕获算法而言,基于SIC的信号捕获方法在不改变伪卫星基站结构和接收机框架的基础上,可有效降低远近效应的影响,提高弱信号捕获概率,扩大系统工作范围,从而为接收机在强远近效应场景下的捕获、跟踪和定位解算提供有效保障.      

基于伪码测距技术的无线定位系统设计与仿真

分析、研究了伪码测距技术的基本原理和基于伪码测距技术对空间中目标进行单点静态无线定位的实现方法,重点研究了载波分离与解调、伪码捕获与伪码跟踪等核心模块.采用MATLAB对系统方案进行仿真,验证方案的合理性;在Modelsim软件中采用Verilog语言对伪随机序列的生成载波调制载波分离与解调以及伪码同步进行仿真.根据系统功能,参考软件无线电的设计思想,设计了工作在2.4 GHz频段、基于伪码测距技术的无线定位系统硬件平台方案.文中采用理论研究仿真与实际测试对伪码测距技术进行研究实现,采集记录了测试数据,并进行了分析,为后续的方案改进提供了数据参考.      

高灵敏度GPS和Galileo信号联合捕获方法

针对传统接收机无法同时捕获两种不同卫星系统信号Galileo E1或GPS C/A的问题,该文提出E1和C/A相干联合捕获和E1-C和C/A相干联合捕获两种新算法。基于E1和C/A联合相干捕获算法,利用E1的数据信号和导频信号与C/A进行联合相干捕获,推导出了捕获灵敏度的计算式,实现了对两种信号的同时捕获。采用E1-C和C/A相干联合捕获算法,仅利用E1的导频信号E1-C和C/A进行捕获,简化了联合捕获的推导过程。仿真结果显示,两种联合捕获均比单独捕获E1或C/A的灵敏度高,为新一代GNSS接收机提供了新的卫星信号捕获方法。     

基于FPGA的高动态P码直捕算法设计与实现

长周期精密测距码（P码）的直接捕获技术对提高导航接收机的性能十分关键,为了设计出高动态、低信噪比环境下的P码快速直接捕获接收机,采用部分匹配滤波器组实现伪码时域并行搜索,结合小点数的快速傅里叶变换（FFT）,将匹配滤波器输出的部分相关值进行功率谱分析,完成多普勒频率偏移的并行搜索。硬件实现时结合FPGA的特殊结构,提高资源利用率,同时采用并行流水机制处理ADC的采样信号,对于每一个采样点,均可以在下一个采样点到达之前完成该点的码相位和频率的二维搜索。对比国内外P码接收机的研究成果,算法在捕获时间上有很大改进。在信号功率为-165 dBW,伪码相位±1 s的时间不确定度,以及多普勒频率偏移±16 kHz的条件下,捕获时间小于10 s,完全适用于高动态环境下的P码快速直接捕获。     

GPS弱信号捕获算法研究

随着GNSS的广泛应用,许多新技术和新领域对GNSS弱信号捕获提出了新要求,其关键技术之一就是弱信号捕获跟踪算法的实现。在相干积分和非相干积分的基础上,通过相位补偿和时延修正、奇偶分路等方法,可以在盲搜索中捕获到比正常信号低25dB的弱信号,实现了对粗捕到的弱信号进行载波频率精化,并分别利用仿真数据和实测数据验证了算法的正确性。此外,分析了信号相位翻转对信号捕获的影响,对GNSS弱信号应用领域具有重要的参考价值。     

GPS signal acquisition using the repeatability of successive code phase measurements

This paper introduces a new method for GPS signal acquisition, which is based on the repeatability of successive code phase measurements and the M-of-N search algorithm. The performance of the proposed method in terms of probability of signal detection is similar to that of traditional methods, except that the calculation of the probability of detection does not rely on the noise distribution or the Carrier-to-Noise ratio (C/N₀). The code phase repeatability-based method is presented along with equations for probability of detection and probability of false detection. If the distribution of the noise is known, it also provides an estimate of the C/N₀. The proposed method is illustrated for coherent and non-coherent acquisition and C/N₀ estimation.     

GPS信号FFT捕获的GPU实现

缩短GPS接收机冷启动时间一直是GPS领域的热点问题,而决定冷启动时间的关键是捕获速度。针对快速付里叶变换（FFT）捕获算法的并行运算特点和图形处理单元（GPU）适合于进行并行的优势,简单介绍了FFT捕获算法原理和对比了GPU与FPGA的特点,重点设计了各通道和各频点均进行并行计算的FFT捕获算法的GPU实现方案。利用实测的GPS中频数据初步验证了本文捕获方案的正确性和运行时间。试验结果表明：与基于CPU的捕获方案相比,本文的捕获方案对卫星PRN和CA码相位的捕获结果完全正确,而捕获时间大幅度缩短了。     

弱GPS/GLONASS信号捕获算法研究

本文给出了GPS/GLONASS双模接收机的总体设计方案,重点对弱信号环境下的接收机信号捕获进行了讨论,采用并行码相位搜索方法和改进的循环相关算法分别对GLONASS信号和GPS信号进行捕获;并利用真实数据对双模接收机性能进行了仿真研究,重点对接收机捕获弱信号的能力,以及在不同信噪比和不同累加数据长度下的捕获概率进行了讨论,结果表明该双模接收机在不需要较长数据长度的情况下能够捕获低信噪比环境下的卫星导航信号,提高了接收机的灵敏度。     

A scheme for weak GPS signal acquisition aided by SINS information

In order to enhance the acquisition performance of global positioning system (GPS) receivers in weak signal conditions, a high-sensitivity acquisition scheme aided by strapdown inertial navigation system (SINS) information is proposed. The carrier Doppler shift and Doppler rate are pre-estimated with SINS aiding and GPS ephemeris, so that the frequency search space is reduced, and the dynamic effect on the acquisition sensitivity is mitigated effectively. Meanwhile, to eliminate the signal-to-noise ratio gain attenuation caused by data bit transitions, an optimal estimation of the unknown data bits is implemented with the Viterbi algorithm. A differential correction method is then utilized to improve the acquisition accuracy of Doppler shift and therefore to meet the requirement of carrier-tracking loop initialization. Finally, the reacquisition experiments of weak GPS signals are implemented in short signal blockage situations. The simulation results show that the proposed scheme can significantly improve the acquisition accuracy and sensitivity and shorten the reacquisition time.