GPS信号的差分相关捕获算法研究

随着人们活动范围的日益扩大和周边环境的日益复杂，低信噪比环境下捕获卫星导航信号逐渐成为国内外研究的重点。本文分析两种常用的改善检测统计量信噪比的方法：相干累加和非相干累加，指出它们各自存在的问题。引出差分相关捕获算法，详细介绍差分相关捕获算法，分析了其数学模型。从理论上研究差分相关捕获算法的性能，并借助MATLAB仿真，分析各个参数对算法性能的影响，同时与相干／非相干累加算法进行比较。     

改进差分相干累加算法的北斗卫星导航弱信号捕获

以提升北斗卫星导航能力为目的,设计了改进差分相干累加算法的北斗卫星导航弱信号捕获方法。该方法通过构建北斗卫星信号模型,利用该模型获得北斗卫星导航中频信号;然后以改进差分相干累加算法为基础,建立北斗卫星导航弱信号捕获模型,将北斗卫星导航中频信号作为该模型的输入,经过北斗卫星导航弱信号捕获模型对中频信号块实施累加处理和多普勒圆周位移搜索,以及快速傅里叶变换和反傅里叶变换等步骤后,通过判断北斗卫星导航弱信号捕获判决,输出北斗卫星导航弱信号捕获结果。实验结果表明：该方法在捕获北斗卫星导航弱信号时的运算量较小,可有效捕获-36 dB的北斗卫星导航弱信号,同时其捕获概率较高,应用效果较为显著。     

弱GPS信号捕获算法的仿真实验研究

针对低信噪比环境下导航的需要,文章对低信噪比环境下弱GPS信号捕获算法进行了分析,重点对相关累加、非相关累加以及多重数据位循环相关累加捕获算法的信号处理流程和算法捕获性能进行讨论。通过特定的硬件装置获得真实的GPS信号,利用Matlab对上述3种常用的弱GPS信号捕获算法进行计算机仿真研究。根据理论分析和仿真结果可以看出,多重数据位循环相关捕获算法更适合检测低信噪比环境下的GPS信号。     

随机共振算法在北斗微弱信号捕获中的应用

为了提高北斗二代卫星接收机的捕获灵敏度,提出了一种基于自适应随机共振算法的微弱北斗信号捕获方法。将DBZP（Double Block Zero Padding）方法和自适应随机共振算法相结合,消除了导航数据位和NH码跳变的影响,显著提高了信噪比,能够实现微弱北斗信号的高灵敏度快速捕获。仿真结果验证和实际测试表明,该方法应用于微弱环境下的北斗信号捕获实时性好、灵敏度高,具有较高的应用价值。     

用于GNSS信号的可变相干积累时长的时频域结合捕获算法

对于全球导航卫星信号的捕获问题,设计了一种可变相干积累时长的时频域结合捕获算法,在延长相干积累时间的同时,等效提高了FFT运算的点数,从而保证了算法不会增加额外的FFT损耗,提升信号的检测性能。蒙特卡洛仿真验证了可变相干积累时长捕获算法的正确性和有效性,得出了文中所提出的算法可以通过延长信号的相干积累时长,提升导航信号捕获性能,但带来的代价是增加了算法的计算负荷。      

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。     

北斗非GEO卫星信号码并行捕获

2012年12月,北斗二代的接口控制文件正式公布。北斗B1I频点的非GEO卫星上调制20bit的NH码,因此每1ms信号可能存在比特跳变。借鉴传统GPS并行码相位捕获算法,本文研究一种基于补零FFT的并行码相位算法。该算法能够实现1-20ms相干积分,利用非相干累加提高信噪比,并采用一种对信号强度和采样率不敏感的判决变量。仿真表明,通过相干积分和非相干累加,该算法使用400ms数据可以捕获24dBHz的弱信号。     

BOC信号改进码相位捕获算法研究

BOC(binary offset carrier)信号自相关函数存在多值性,BOC信号的捕获不能简单地移植GPS信号捕获算法。在分析经典并行码相位算法和BOC信号互相关特性基础上,仿真分析了并行码相位搜索算法对BOC信号进行捕获的有效性,并针对经典算法在低信噪比条件下捕获信号存在的不足,对经典算法进行了改进设计,并利用改进算法对多种BOC信号进行了仿真分析。结果表明,本文提出的改进捕获算法适用于BOC(pn,n)信号(p为整数),扩展了经典算法的适用范围,且与经典算法相比,改进捕获算法对所给定BOC信号能够改善捕获信噪比10dB,可显著提高接收机捕获灵敏度,对接收机BOC信号捕获算法设计具有重要意义。     

GNSS双频兼容互操作接收机信号捕获方法

随着我国北斗导航系统“全球组网”序幕的拉开,设计实现接收机的兼容互操作功能已变成接收机设计领域的一个研究热点。文中针对GNSS双频兼容互操作接收机信号捕获环节设计中遇到的处理时间长、捕获精度低、硬件资源消耗大、兼容性差等问题,设计一种基于频域处理的信号捕获算法。该算法在传统频域捕获的基础上,优化频域转换资源利用与遍历方式,在能量累加方面加入相干与非相干累加方式,达到微弱信号捕获。借助Xilinx软件Vivado及其仿真工具,对整个捕获系统进行了仿真实现,验证了算法设计的准确性,本算法可以捕获信号功率-135 dB以上的信号,可捕获的载波多普勒频率范围满足实际工程需求。在实际工程验证中,本算法能较好地满足工程应用性能要求。      

一种基于FFT的GPS中频信号捕获方法

本文针对GPS导航接收机对定位信号快速捕获的要求,给出了基于FFT并行运算的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、弱信号等方面分析了提高中频信号快速捕获的关键技术。数据实验表明：基于FFT的快速捕获方法具有抗干扰、捕获速度快和可捕获低信噪信号的能力,满足GPS接收机快速定位的要求。     

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.      

空间碎片激光测距微弱信号实时识别方法

针对传统二次滤波算法在空间碎片激光测距微弱信号实时识别中表现出误检率高的问题,基于空间碎片激光测距回波信号时间相关性的特点,本文提出采用一次滤波和线性拟合相结合的方法,顾及微弱信号实时识别的搜索代价与识别精度,实现了空间碎片激光测距微弱信号的实时识别。利用空间碎片激光测距实测数据进行了算法验证,结果表明：本文提出的激光测距微弱信号实时识别算法能够快速准确提取空间碎片的微弱信号,误检率由原来的5.72%降低到0.12%,漏检率由原来的0.77%降低到0.34%,对提高空间碎片的探测成功率具有重要意义。     

使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度

B2a信号是北斗三号（BeiDou-3 satellite navigation system, BD-3）新增的高宽带信号,具备非常高的伪距测量精度,适合开展基于全球导航卫星系统反射信号（global navigation satellite system-reflectometry, GNSS-R）的水面高度测量。由于BD-3近两年才开始为全球提供服务,基于BD-3反射信号的研究较少。中国科学院国家空间科学中心研发了具备自主知识产权的GNSS-R接收机,接收机专门增加了BD-3 B2a的捕获跟踪功能,可以对直射和反射B2a信号同时进行捕获和跟踪。接收机同时具备了交叉定标功能,能够有效消除由电缆和接收机通道间差异引起的系统偏差。在中国北京市怀柔开展的岸基实验过程中,累计获取了BD-3 B2a、北斗二号（BeiDou-2 satellite navigation system, BD-2）B1I和全球定位系统（global positioning system, GPS）L1C/A反射信号的相关波形数据,成功反演了水面高度并进行了系统偏差消除。数据处理结果表明,基于BD-3 B2a的水面高度在30 s非相干积分时间条件下反演精度达到了5.9 cm,比BD-2 B1I的高度测量精度提高了13 cm,比GPS L1C/A信号的高度测量精度提高了20 cm。     

微弱信号下基于模糊度搜索的辅助式GPS定位算法研究

针对微弱信号下GPS接收机无法测量得到完整信号发射时刻的问题,提出了一种基于模糊度搜索的辅助式GPS定位算法。基于该算法接收机不需要位同步、帧同步和解调导航电文,仅对GPS信号进行伪码相位测量,在获取卫星星历、卫星钟差参数等辅助信息的基础上完成定位解算。论文从数学上严格推导了消除信号发射时刻模糊度的条件,并对五颗以上的观测卫星建立了定位解算方程,给出了算法流程。利用实测数据仿真验证了该算法的有效性。比较表明,该算法的定位精度与常规GPS定位算法(信号发射时刻不存在模糊度)相当。     

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。     

基于粗时段导航与RAIM算法的A-GNSS室内定位

针对GNSS接收机在室内环境中面临的强烈的信号衰减、非视距传播和互相关效应的问题,提出了一种基于粗时段导航和RAIM算法解决A-GNSS室内定位问题的方法,并利用BDS数据验证了该方法的可靠性。结果表明,粗时段导航算法能够提供连续可靠的定位结果,应用于微弱信号环境;基于组合FDE的RAIM算法能够增加定位结果可用率,解决室内卫星信号存在的非视距传播和互相关效应的问题。基于粗时段导航与RAIM算法的A-GNSS定位技术能够应用于室内定位,仿真定位结果水平方向RMS在10 m以内。     

基于ICEEMDAN的多滤波算法在超高层动态变形监测中的应用

针对监测数据中存在多路径误差和随机噪声的问题,本文提出了一种基于改进的带有自适应噪声的完备集合经验模式分解(ICEEMDAN)、小波包分解(WP),以及递归最小二乘算法(RLS)的联合滤波算法(IWPR)。该算法首先对原始信号进行ICEEMDAN分解,得到一系列本征模态函数(IMF)分量;然后基于标准化模量的累积均值将IMF划分为高频IMF和低频IMF;最后考虑相关系数,利用WP和RLS分别对高频IMF、低频IMF进行去噪,重构两者降噪信号,获得动态位移响应。结果表明:相对于单一算法EMD、CEEMDAN、ICEEMDAN等,IWPR算法能够更有效地消除多路径误差和随机噪声,从而提高超高层GNSS RTK监测数据的精度。     

ICESat-2机载实验光子云数据自适应去噪及分类算法

第二代星载激光雷达冰、云和陆地测高卫星ICESat-2（The Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2）搭载了先进光子计数式激光雷达,使用了全新的微脉冲多波束光子计数式激光雷达。由于光子计数式激光雷达的自身特点,其光子云数据具有受噪声光子影响大、信噪比与扫描时间相关、光子分布密度不均匀等问题,目前开发的去噪算法并不能很好的应用于不同的光子云数据。基于以上问题,本文提出一种改进的去噪算法,首先分析光子云内部特征并自适应选择最优参数进行粗去噪,然后进行两次精去噪,最后对光子云进行分类并拟合出地面线及冠层顶线,为提取森林冠层高度提供基础。使用该算法对MABEL数据进行去噪实验,实验结果表明：该去噪算法的一次去噪对不同环境下MABEL数据在夜间的去噪平均精确度为94.5%,F1-score为96.3%,日间平均精确度为86.7%,F1-score为91.7%,且三次去噪算法完成后能够显著提升光子云去噪精度。实验证明该算法对MABEL光子云数据具有较好去噪效果和稳定性,可为ICESat-2数据处理提供参考。本文的光子分类算法能够从光子数据中提取冠层顶点、地面点及林内光子并在此算法中进一步精确去除剩余噪点,最终光子分类结果显示该算法能够从复杂光子云数据中提取森林剖面结构。