论文研究-一种提高多普勒精度的方法 .pdf

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一种提高多普勒精度的方法,廖卓,,全球定位卫星系统(GNSS)的速度测量在高动态运动环境下具有重要意义。接收机跟踪环路提供的多普勒频移是用户速度求解的重要观测��
国科技论文在线 )△ 个Δ再次求平均,进一步抑制噪声,Δ即为补偿偏差; 修正补偿偏差后的多普勒值,即为算法的输出 Step3:补偿偏差修正 输入原始值f; ∑}①/H 1 原始值f )“平位 原始值f1 平均值 2)(2M 原始值f+1 平均值 平均值 Step I:平均 Sep2:补偿 图多普勒处理方法小意图 基于多普勒的速度解算算法 用以上算法对跟踪环路给岀的多普勒进行滤波处理后,运用速度解算算法即可实现速度 求解。卜面将介绍如何利用载波多普勒解算用户速度。 多普勒频移是由于卫星和用户间有相对运动而产生的。由相对运动引起的多普勒偏移可 由式()表示: 其中,Δ为多普勒频偏,为接收到的频率,为上星发射信号频率,”为上星速 度矢量,’为用户速度矢量,”为沿从用户指向卫星的直线方向的单位矢量,为光速 对」第号卫星,其接收信号的频率估计值为,卫星发射频率是 与实际接收 频率是有差别的,而且与其相差一个频偏偏移。可以把这个偏移与用户时钟相对于 系统时钟的漂移关联起来。和之间有下列关系式 如用户时钟走快了,这里的为正号。 国科技论文在线 将式()中与卫星相关的量加上下标,代入()式得 式()等号右边的—在数值上非常接近于,可取为。并引入一个新的变量, 定义为 () 有个未知数 ,再定义 ,则()式可以表示为 式()中有: 则得到用户速度和时间漂移率的解为:= 性能评估和仿真验证 仿真环境 图给凵了彷貞系统的结构,基本过程为:接收机模拟源发岀模拟卫星信号,经过射频 模块下变频后得到模拟中频信号,模拟中频信号再经过转换成数字中频信号,然后进 行信号的捕获和跟踪。再由跟踪环路模块提供多旾勒观测值,经过以上方法设计的滤波器滤 波后,得到精确的载波多普勒值。根据跟踪环的码环提取伪距观测值,可计算出用户的位置 矢量。由滤波后的多普勒、用户位置和从导航电文提取出来的卫星位置、卫星速度,利用速 度估计算法即可计算出高精度的用户速度 多普勒 滤菠器 精确多普 接收下变中颇 AD变挨字口 捕获「叫跟踪 速度运度输出 模拟源 用户位置 用户位 伪距 置计算 川户位置输乩 图仿真系统结构示意图 本文提山的算法主要是实现多普勒平滑,抑制由跟踪环路提供的原始多普勒的嗓声。用 于仿貞的貞实多普勒包括阶变化率和二阶变化率。接收机的运动速度为 ,接收机和卫星相对运动产生多普勒频移,其次变化率和二次变化率如图所示。 国科技论文在线 dooler 2000 4000 500 1000 1500 P000 300 doplerrate 500r 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 20ms dopler acceleration 100 0 -100 50o 1000 1500 2000 2500 3000 3500 20ms 图多普勒及其高阶导数 仿真结果和性能分析 图给岀了山跟踪环路提供的原始多普勒的误差,是将眼踪环路输岀的多普与仿真祭 件下的真灾多普勒相减得到的。该误差取决于跟踪环路的性能,与接收杋热噪声,动态应力 误差等因素有关。对于高动态下遠度旳髙精度要求,必须对原始多普勒进行处理,抑制噪声, 才能满足速度精度要求。 10 8 2 1000 1500 200o 25o 3000 3500 20ms 图原始多普勒误差 图给出了执行算法竻一步简单平均后,多普勒中残余的噪声,是将第一步处理后的多 普勒结果与仿真中真实多普勒相减而得的。由图可知,由于只是做了简单平均,没有考虑多 普勒木身的线性变化(短时间内多普勒看成是线性变化的),噪声中包含了没有考虑动态特 性而造成的误差。 国科技论文在线 15 10 5 10 15 1000 1500 250o 300o 3500 20ms 图简单平均后的残留噪声 图给出了第二步线性补偿后多普勒中的残余噪声,是将第二步处理后的多普勒结果与 仿真中真实的多普勒相减得到的。在粗略补偿过后,图中的动态误差明显减小,但是从图 中可以看出,残余噪声中包括一部分补偿偏差。 5 5 0.5 1.5 2.5 3 5Oo 100O 150o 2000 2500 300O 3500 图粗略补偿后的残留噪声 图给山了第三步补偿偏差修止后的多普残余噪声,是将第三步处理后的多普勒结果 与仿真中真实多普勒相减得到的。从图中可以看出,残余的噪声几乎不再有前面的补偿偏差, 与图相比,通过处理后,输出的噪声幅度明显减小,起到了明显的噪声抑制效果,并且保 持了多普勒本身的动态特性 国科技论文在线 o.5 5 2.5 O 500 100 150o 2000 2500 300O Oms 图修正后的残留噪声 参数设计 仿真中参数设置为: ,实测的速度精度为 参数的选 择要适中,过大,不符合木算法的重要前提(即将平均时间段内的多普勒看成是线性变 化的),太小,抑制噪声的效果不明显;和的值也要在多普勒动态变化中折中取得 按照仿真经验,一般取 取 结论 本文给出了一种提高 接收机跟踪环路原始多普勒精度的算法,利用平均,线性补 偿以及补偿修正等方法,有效地抑制了原始多普勒中的噪声,并能很好地保持多普勒的动态 特性。通过分析和仿真实验可知:该算法能芫高接收机跟踪环路提供的原始多普勒的精度, 对噪声有很好的抑制能力,为晑精度速度测量提供精确的观测信息 参考文献 肖云,夏晢仁,利用相位率和多普勒确定弌体速庋的比较,武汉大学学报信息和学版, 寇艳红译,原理与应用(第二版),电子工业出版 社 数字信号处理理论、算法与实现,胡广书,清华大学出版社

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