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.     

高斯干扰下GNSS信号码跟踪精度分析

码跟踪精度是导航系统兼容互操作评估的重要参数。为定量分析高斯干扰下GNSS信号的码跟踪精度,从常见的高斯干扰信号出发,针对CELP,NELP及DP环路模型,基于MATLAB软件对GNSS信号的码跟踪精度进行仿真分析,并给出了NELP及DP环路的CT-SSC表达式,同时对环路模型的CT-SSC及Cramer-Rao下界进行分析。仿真结果表明:在相同条件下,GNSS信号的码跟踪误差受高斯窄带干扰及宽带干扰比较明显,而在一定信干比范围内,受高斯匹配谱干扰和带限白干扰比较稳定;在DP环路下,GNSS信号的CT-SSC三维曲面较CELP及NELP显得“平滑”,相应的跟踪性能也最好。对GNSS信号的码跟踪性能进行分析,有助于给GNSS系统的兼容与互操作评估及现代GNSS接收机的设计提供重要参考;给出的NELP及DP的码CT-SSC表达式,可作为与CELP的CT-SSC进行并行分析的参照依据。     

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。     

Multipath effects on vector tracking algorithm for GNSS signal

The vector tracking algorithm uses a single extended Kalman filter （EKF） to predict the time-delays and the Doppler deviations of the GNSS signal, while also estimating the user＇s position, velocity, and clock state. In this paper, the effects of multipath on the tracking performance of the vector delay / frequency lock loop （VDFLL） is studied for better application in the multipath environment. The error expressions of the measurements are given in theory. The tracking error caused by multipath is reduced by VDFLL, which is proved by the tracking error of VDFLL through a new iterating method. The theoretical analysis is verified by the Monte Carlo simulation.     

基于抗差自适应容积卡尔曼滤波的超紧耦合跟踪方法

为降低基于单一调节回路的超紧耦合结构存在的反作用影响,设计了一种基于双回路的超紧耦合结构.基于此,为解决所设计结构中跟踪环路的非线性滤波问题,针对测量异常误差和动力学模型误差,提出了一种基于抗差自适应容积卡尔曼滤波(Robust adaptive cubature Kalman filter,RACKF)的超紧耦合跟踪算法.该算法采用稳健M估计调整容积卡尔曼滤波 (Cubature Kalman filter,CKF)算法,对观测量中粗差的影响“程度”进行探测和处理,以减小观测量异常误差产生的影响,同时利用自适应调节因子对算法进行调节修正,以处理动态扰动误差引入的影响.实验结果表明: 所提出的方法能有效地处理模型不准确所引入的误差,较好地实现全球定位系统(Global positioning system,GPS)卫星信号的高精度和稳定跟踪,其跟踪性能远优于基于单一回路的跟踪方法,同时优于基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)和基于CKF的跟踪方法,提升了导航系统在高动态条件下的适应性能.     

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。     

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。     

基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法

针对传统全球定位系统(GPS)接收机在高动态环境下跟踪性能不理想,提出一种基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法。利用锁频环(FLL)辅助锁相环(PLL)的方式代替传统单一跟踪环路,通过卡尔曼(Kalman)滤波器对接收机各跟踪通道中频信号进行综合处理。根据多条跟踪通道的伪距和伪距率残差对系统状态参量进行综合估计,并搭建Kalman滤波器的状态方程和量测方程,给出了跟踪环路反馈量,与传统标量跟踪模式下的跟踪性能进行了对比。仿真结果表明,基于载波频率辅助相位的GPS信号跟踪算法进入稳态时间减小了100 ms,位置误差精度提高了5 m,速度误差精度提高了近3 m/s,在接收机用户快速运动的环境下,能够很好地处理高动态信号。     

基于相关滤波技术实现激光陀螺抖动信号的剥除

为了满足惯导系统对机械抖动激光陀螺快速跟踪方面的应用需求,基于相关滤波技术实现了激光陀螺抖动误差信号的剥除.首先从理论上对基于相关滤波去除抖动的思想进行了详细的分析,提出了基于相关滤波进行抖动剥除的开环模型,为了提高系统的稳定性,在开环模型的基础上提出了闭环模型.其次介绍了基于相关滤波闭环模型实现抖动剥除的软硬件设计,最后用所研制的系统对某一型号的激光陀螺进行了测试,通过对采样信号和误差信号的观测,系统工作稳定,在5 kHz的采样条件下,陀螺剥除后的剩余脉冲控制在±1内.     

一种适用于多普勒高阶变化率的载波跟踪算法

针对多普勒高阶变化率的载波跟踪问题,分析了现有二阶锁频环辅助三阶锁相环的局限之处,设计了一种三阶锁频环辅助四阶锁相环的载波跟踪算法,从理论上证明了该算法可以对多普勒高阶变化率信号进行无误差跟踪,并根据环路传递函数和环路带宽,推导出了环路所有参数的计算方法,最后通过环路模式切换及环路带宽设置策略,既加快了整个载波跟踪环路的收敛速度,又提高了载波频率跟踪精度,保证了跟踪的稳定性。仿真结果表明,对于多普勒高阶变化率信号,该算法能够有效地完成信号的载波跟踪并正常解调出原始数字信息,因此有较高的应用价值。     

基于相干解调实现激光陀螺抖动信号的剥除

为了满足惯导系统对激光陀螺高动态响应方面的需求,本文基于相关滤波技术实现了激光陀螺抖动误差信号的剥除。首先从理论上对基于相关滤波去抖的思想进行了详细的分析,提出了基于相关滤波进行抖动剥除的开环模型,为了提高系统的稳定性,在开环模型的基础上提出了闭环模型。其次介绍了基于相关滤波闭环模型实现抖动剥除的软硬件设计,最后用所研制的系统对某一型号的激光陀螺进行了测试,通过对采样信号和误差信号的观测,系统工作稳定,在5KHz的采样条件下,陀螺剥除后的剩余脉冲控制在±1内。     

一种基于BOC信号的多径抑制技术

针对卫星导航接收机容易受多径信号干扰的影响,提出了一种基于最大似然估计的加权ELS（超前/滞后斜率）技术BOC多径减弱方法。该方法先经过最大似然估计得到直射信号估计值,再检测多个BOC信号自相关函数峰两边的斜率,可以有效地减小多径信号对环路的影响,性能优于传统的窄相关技术和ELS技术,并且只增加较少的计算复杂度。通过对BOC（10,5）的多径误差包络仿真分析表明：该方法能有效减小多径干扰引起的跟踪误差。     

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。     

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.     

Adaptive vector-tracking loop for low-quality GPS signals

Recently, several researchers have studied a vector-tracking loop to improve tracking performance for Global Positioning System receivers. The advantage of the vector-tracking loop is that noise is reduced in all of the tracking channels. In addition, the vector-tracking loop can operate successfully when the independent scalar tracking loop approach fails. However, the vector-tracking loop is vulnerable to low-quality signals because all tracking channels are dependent on each other. To solve this problem, this paper proposes an adaptive vector-tracking loop based on a linear local filter and an adaptive navigation filter. The covariance rescaling method is used to lessen the effect of low-quality signals. The proposed adaptive vector-tracking loop shows a better tracking performance compared to the conventional vector-tracking loop that is used when satellite signals are low quality.     

基于GPS软件接收机的C/A码捕获算法

为了尽量减少导航电文数据比特跳变带来的影响,在基于FFT的并行码相位搜索算法的基础上,采用两相邻毫秒数据进行捕获,再利用DFT细化频率估计,得到C/A码相位和较精确的载波频率。利用实际采集的数据进行实验,结果证实了该方法能快速有效地对C/A码进行捕获,为后续跟踪环路提供了良好的初始条件。     

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。     

基于UKF的高动态GPS载波跟踪

在高动态环境下,传统的GPS载波跟踪环无法保证可靠的跟踪．本文提出一种改进的基于无迹卡尔曼滤波的高动态载波跟踪方法,采用频率快速牵引方法来保证滤波快速收敛,并加入了一种载波幅度的估计方法．利用美国喷气推进实验室高动态载体模型对环路的跟踪性能进行了测试．测试结果表明,该方法在高动态环境下不仅能快速牵入和锁定载波信号,而且在高达lOOg／s的加加速度作用过程中也能持续精确的跟踪．     

风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制

针对欠驱动船舶的模型参数不确定和外界风浪流干扰问题,为实现水平面的航迹跟踪控制,提出了一种基于上下界的滑模控制方法.首先利用反步法将控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路.其次,在运动学回路中为实现位置跟踪误差的收敛,根据期望航迹与当前位置信息,设计船舶的纵向与侧移参考速度,并视为镇定位置误差的虚拟控制律;在动力学回路中,将虚拟控制律作为新的跟踪目标,利用滑模方法设计实际控制律实现对参考速度的跟踪控制,最终实现了欠驱动船舶的跟踪控制.最后对有无干扰下的欠驱动船模分别进行了仿真实验,仿真结果证明了控制律的有效性.