三阶卡尔曼滤波数字锁频环设计及性能分析

三阶卡尔曼滤波数字锁频环设计及性能分析
作者：李金海， 巴晓辉， 陈杰， LI Jin-hai， BA Xiao-hui， Chen Jie
作者单位：中国科学院微电子研究所,北京,朝阳区,100029
刊名：
电子科技大学学报
英文刊名：JOURNAL OF UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA
年，卷(期)：2008，37(5)
被引用次数：1次
1.HINEDI S.STATMAN J I High-dynamic GPS tracking final report[JPL Publication 88-35] 1988
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3.HINEDI S An extended Kalmaa filter based automatic frequency control loop[TDA Progress Report 42-95] 1988
4.VILNROTTER V A.HINEDI S.KUMAR R Frequency estimation techniques for high dynamic trajectories 1989(04)
5.BAR-SHALOM Y.LI X R.KIRUBARAJAN T Estimation with applications to tracking and navigation:Theory algorithms and soRware 2001
6.张厥盛.郑继禹.万心平锁相技术 2005
7.JURY E I Theory and application of the z-transform method 1964
8.邓自立.郭一新现代时间序列分析及其应用--建模、滤波、去卷、预报和控制 1988
9.GREWAL M S.ANDREWS A P Kalman filtering:theory and practice using matlab 2001
10.ARNOLD W UB A J Generalized eigenproblem algorithms and software for algebraic Riccati equations 1984(12)
1.学位论文孙峰高动态多星座接收机捕获和跟踪技术的研究与实现2009
全球导航卫星系统(GNSS)是用于定位用户接收机地理位置的一种卫星系统。

目前，GNSS包括现已投入运行的三个卫星定位系统：全球定位系统(GPS)、全球导航卫星系统( GLONASS)、北斗一代系统(BD)。

鉴于多星座导航定位系统的建立，多星座接收机将大大提高卫星导航定位的可靠性、精度和实时性。

高动态接收机的捕获和跟踪技术一直是研究的热点和难点。

许多学者针对高动态的特殊应用做出了一些卓有成效的研究，提出了多种设计方案，重点为伪码的快速捕获和多普勒频率的跟踪。

伪码的快速捕获的主要方法为：基于FFT和匹配滤波的并行捕获方法以及串并结合的滑动相关捕获方法。

这些捕获方法在捕获性能和复杂性上各有优劣。

本文采用了串并结合的滑动相关捕获方法，这种算法的捕获性能较好，硬件实现简单。

载波多普勒频率跟踪的主流方案是采用锁频环(FLL)+锁相环(PLL)的环路跟踪结构。

使用FLL来跟踪频率的快速变化，当频率引导到PLL可处理的范围时，通过PLL来跟踪相位的变化，精确的锁定载波频率。

本文采用二阶锁频环辅助三阶锁相环的环路结构，可很好的跟踪接收机的动态。

本文的主要内容为：
1.完成了多星座卫星信号接收机的硬件设计，为系统的实现搭建了硬件平台。

2.在分析了GPS、GLONASS、BD的伪码特性的基础上，采用串并结合的时域相关捕获的方法，缩短了伪码的捕获时间。

3.研究并设计了DLL码跟踪环路。

经过测试验证了设计的DLL环路的正确性。

4.载波跟踪环采用三阶二象限反正切Costas环和二阶四相锁环相结合的方法，有效的消除了高动态的影响。

本论文设计的捕获和跟踪的方法最终在高动态多星座接收机上得到了实现，测试结果表明本文的设计满足系统指标要求。

2.学位论文郑宏磊GPS在干扰环境下的可用性研究2006
全球定位系统(GPS)能在全球范围内提供精确的位置、速度和时间信息，在军事和民用领域发挥着极其重要的作用。

随着GPS的广泛应用，它易受到干扰的弱点也随之暴露出来，针对GPS进行的抗干扰技术也日益成为研究的热点。

本文阐述了全球定位系统的工作原理，系统组成以及信号格式，在此基础上着重分析了GPS受干扰特性，为以后的工作奠定了基础。

本文将理论分析和实验相结合，结合商用GPS接收机的实际测量结果，对GPS信号受干扰前后的特性进行了分析。

针对射频RF等干扰源以及多路径
，本文介绍了抗干扰的总体设计方案，分析了几种可行的抗干扰措施，重点对环路滤波和自适应调零天线进行了研究设计。

论文在环路滤波器设计方面采用了由锁频环(FLL)辅助的锁相环(PLL)滤波器，在自适应调零天线方面设计空间-时间自适应阵列以代替空间自适应阵列，并采用功率最小预处理算法。

最后通过实验仿真得到了较为理想的结果，可在一定程度上保证GPS在干扰环境下的可用性。

3.期刊论文李国栋.崔晓伟.尹旭明.冯振明.LI Guodong.CUI Xiaowei.YIN Xuming.FENG Zhenming GPS接收机中锁
频环频率误锁的检测-清华大学学报（自然科学版）2007,47(1)
为了解决全球定位系统(GPS)接收机中的锁频环在载波同步过程中可能出现的频率误锁问题,在分析了锁频环在噪声环境下的工作原理及产生频率误锁原因的基础上,基于有无发生频率误锁时同一信息符号对应的多个预检测积分值的变化规律,提出了一种用于频率误锁检测和快速纠正的算法.仿真结果表明:该方法能够在锁频环完成工作之后及时判决是否有误锁发生,误锁时可在1～2个导航比特时间内把载波频率调整到正确频率上.该方法实现简单,可
有效消除频率误锁给信号同步时间带来的影响.
4.学位论文杨明轩高动态GPS信号的快速捕获与跟踪方法研究2008
GPS(全球定位系统)是新一代的导航定位系统，它向广大用户提供精确的定时和定位服务。

高动态给GPS信号带来较高的多普勒频移，使伪随机码产生动态时延，很容易造成载波跟踪环和码跟踪环失锁，难以保持载波和码跟踪同步，使接收机难以自适应调整。

为缩短盲捕时间，快速捕获信号，防止伪码延迟锁相环失锁，提高跟踪环路的动态应力等方面都成为研究高动态接收机快速捕获和跟踪技术的核心和关键。

本文正是研究高动态GPS信号的快速捕获与跟踪方法。

本文首先阐述了C/A码的生成原理，为适应快速捕获，针对高动态C/A码的特性，研究在高动态条件下基于时域滑动相关捕获法、基于FFT的并行捕获算法、基于特征值的匹配滤波器捕获算法等方法，通过仿真分析、比较了这些算法的性能，包括捕获时间、计算复杂度等指标上的差异，除时域滑动相关捕获法不适合于高动态捕获外，其它的捕获算法都能适合对高动态GPS信号的快速捕获，而且性能优良。

把信号处理和模式识别的思想运用于高动态GPS信号的捕获，提出了基于特征值的匹配滤波器的快速捕获算法，并建立起计算和选取特征值的理论依据(模型和处理步骤)，通过与FFT并行捕获算法作仿真比较，得到了与其相近的快速捕获性能，验证了算法的有效性。

其次，为进一步提高捕获精度，加快后续跟踪环路的入锁时间，比较与研究了载波和码跟踪性能。

锁频环是通过测量本地载波频率和输入载波之间的频率差来保持对输入信号频率的跟踪，锁相环是通过测量本地载波相位和输入载波之间的相位差来保持对输入信号相位的跟踪。

伪码跟踪主要是以超前-滞后结构形式的延迟锁定环(DDLL)，载波跟踪主要是以Costas(科斯塔)环为主。

最后，用Matlab对这些算法进行了仿真，仿真的结果验证了算法的正确性。

5.学位论文李继忠高动态GPS接收机设计与仿真2006
目前，GPS 全球定位系统在全世界得到了广泛的应用，其用户端设备—GPS接收机的技术水平随之迅猛发展。

本文对高动态环境下GPS接收机关键模块的设计做了理论分析，并对实现方案做了仿真验证。

论文的主要工作包括以下几个方面：
概括介绍了GPS系统及GPS接收机原理，总结了在方案设计中由高动态工作环境引入的问题，讨论了适应高动态环境特点的几项关键技术的原理：基于FFT的信号快捕技术、非相干超前一滞后延迟锁定环技术、AFC叉积自动频率控制环技术和高阶Costas环跟踪载波相位技术。

在此基础上提出了一种高动态GPS C/A码接收机设计方案，并对其实现的系统结构和参数设计作了详细说明，仿真验证了算法的可行性。

对基于FFT实现伪码快速捕获的环路结构和算法做了重点分析，提出了固定阀值与最大值检测相结合的峰值判决算法。

对锁频环和锁相环跟踪载波的性能进行了分析比较，得到二者在噪声性能和动态应力方面互补的结论，提出了一种二阶FLL与三阶PLL相结合的载波跟踪方案。

在matlab仿真平台上
，设计了的L波段单载频高动态GPS卫星信号，设计方案中涉及的捕获与跟踪环路的所有算法在此平台上通过了仿真验证。

基于环路仿真方案，编写了GPS软件接收机的代码，并对GPS卫星实测信号数据做了处理，成功捕获到多颗可视卫星信号，且成功跟踪到信号并解调出导航数据。

最后给出了该软件接收机的部分实现程序。

6.学位论文孙晓文基于FPGA的GPS信号捕获与跟踪系统设计研究2007
互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。

目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。

然而，我们对GPS核心技术的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。

GPS接收机工作时，为了将本地信号和接收到的信号同步，要完成复杂的信号处理过程。

其中，如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪是最重要的核心技术。

很多研究者提出了多种解决方法，但这些方法多数都只停留在理论阶段，无法应用于GPS接收机系统进行实时处理。

本课题在分析了多种现有算法的基础上，研究设计了基于FPGA的GPS信号捕获与跟踪系统。

在研究过程中，首先利用Nemerix公司的GPS芯片组设计制作了GPS接收机模块，它能正常稳定地工作，并可用作GPS基带信号处理的研究平台；该平台可实时地输出GPS数字中频信号；本课题在中频信号的基础上深入研究了GPS信号的捕获与跟踪技术。

先详细分析比较了几种GPS信号捕获方法，给出了步进相关的捕获方案；接着分析了跟踪环路的特点，给出了锁频环和锁相环交替工作跟踪载波以及载波辅助伪码的跟踪方案，并最终实现了这些方案。

本课题设计的GPS信号捕获与跟踪处理系统是通过硬件和软件协同工作的方式实现的。

硬件电路主要实现数据速率高、逻辑简单的相关器功能；而基于MicroBlaze软处理器的软件主要实现数据速率低、逻辑复杂的功能。

本文给出了硬件电路的详细设计、仿真结果以及软件设计的详细流程。

本课题最终在FPGA上实现了GPS信号的捕获与跟踪功能，而且系统的性能良好。

由此可以得出结论：本设计能够满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。

本课题的研究得到了大连市信息产业局集成电路设计专项的资助，项目名称是“定位与通信集成功能的SOC设计”，研究成果将在2008年上半年投入试用。

7.学位论文杨逸卫星接收机信号跟踪技术研究及其实现2008
卫星导航系统是空间无线电通信领域研究的热点，它在军事上为武器平台、部队乃至单兵提供高精度的时间信息和导航定位服务，在民用中是海洋救援、车辆导航的重要组成部分。

对于某些特殊应用场合，卫星信号接收机会处于极高的动态和极低信噪比环境中，传统的信号获取方法将失效，这给卫星信号的准确接收带来了困难。

因此，针对高动态低信噪比环境，研究卫星接收机的设计具有重要意义。

卫星信号的同步是信号获取的前提，常分为两个部分：信号捕获和信号跟踪。

本文以典型的GPS全球定位系统作为研究对象，拟在其高动态信号跟踪方面做一些工作。

GPS卫星定位系统采用直接序列扩频通信方式，其信号跟踪包括载波跟踪和扩频码跟踪两部分。

在高动态低信噪比环境中，接收机在承受很大动态应力的同时又要求保持足够的跟踪精度，本文针对此提出了一种锁频环辅助锁相环，载波跟踪环辅助码跟踪环的设计方案。

考虑到无线通信中常存在的多径干扰问题，设计中对码跟踪采用了宽窄相关相结合的方案，有效的减弱了多径对信号跟踪的影响，进而提高了定位精度。

本文对介绍的载波跟踪和码跟踪算法进行了FPGA实现，经上板测试，性能指标均能达到预期要求。

8.期刊论文宋崇汶.孙向前.谢毅利用GPS对计算机实现精确授时-计算机测量与控制2002,10(7)
阐述了如何利用GPS对单个计算机进行精确授时.系统利用软件,从GPS接收器获取UTC时间码和秒定时信息,并对计算机时钟进行校准.该系统具有投资省、精度高、用途广等特点,取得了满意的效果.
9.学位论文黄栓成Galileo数字接收机关键技术研究2008
Galileo系统是由欧盟发起、旨在建立一个由欧盟运行、管理并控制的全球导航卫星系统(GNSS)。

与现在普遍使用的美国全球定位系统(GPS)相比
，Galileo导航系统定位功能将更加先进、更加有效、更为可靠。

2004年10月，中国和欧盟签署了参与Galileo计划的技术合作协议，投资2亿欧元，这标志着我国航天导航事业在与欧洲合作领域迈出一大步。

在这种国际卫星导航系统发展背景下，研究Galileo接收机系统将具有十分重要的意义。

本文首先从Galileo系统的总体结构、定位原理和服务方式出发，着重介绍了Galileo系统中新的信号调制方式--BOC(二进制偏置载波，Binary Offset Carrier)调制。

这种调制方式与传统的BPSK调制相比，具有更好的抗多径、抗干扰性能，能够充分利用现有频谱资源，减小与其它系统(例如GPS)的干扰。

本论文主要针对Galileo系统中采用的BOC调制技术开展捕获和跟踪研究。

Galileo信号的捕获过程是多普勒频率和码延时联合搜索的过程。

本文在传统串行捕获算法基础上，分析了基于FFT的两种快速捕获算法，对各算法的捕获时间作了比较。

基于FFT的快速捕获算法的频率分辨率有限，本文从理论和实际应用上改进、完善了频率精确估计算法，该算法能够弥补捕获算法在频率估计上的缺陷。

本文接着对Galileo信号的载波跟踪和码延时跟踪分别作了研究和仿真。

对于载波跟踪，本文研究了锁频环加锁相环的组合跟踪环结构，分别对相应鉴频器和鉴相器的各三种算法进行了分析比较。

对于码延时跟踪，经典早迟门结构的跟踪环在跟踪BOC信号时由于存在误锁点，因而不适用于Galileo系统；在BOC(1，1)调制基础上，本文分别设计了基于两组早迟门、三组早迟门的码跟踪环，通过矩阵计算的方法得出码鉴别器各参数的数值。

经过仿真比较，基于三组早迟门的码跟踪环能够很好地消除误锁点，同时码跟踪的稳定性和线性性均明显提高。

1.李国军.曾孝平.周晓娜.曾理.蒋勇微弱高频CW信号的自适应滤波[期刊论文]-电子科技大学学报 2010(2)
本文链接：/Periodical_dzkjdxxb200805010.aspx
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下载时间：2010年8月18日。