矢量分析（精选十篇）
矢量分析 篇1
关键词：矢量信号分析,PXI模块,小型化
基于PXI硬件平台的矢量信号分析设备的小型化和模块化在现代仪器设备的设计、尤其是小型化、手持式、便携式测试中得到广泛应用, 也是各大厂家进行小型化设备设计追求的重要目标。本文通过系统设计, 利用接收模块输出的中频A/D后的数据流, 在基于PXI的系统中实现ASK、FSK、PSK、BPK、QPSK和QAM64等几种典型数字调制信号的矢量分析, 包括信号的频域、时域和调制域分析以及EVM、相位误差, 幅度误差、I/Q偏移误差、模板散射、通道功率和邻道功率测量等功能;并通过矢量图、星座图、眼图和相位网格图等测试模型, 计算矢量分析误差等各种测试参数;测量结果存储为数据文件并以多窗口形式显示, 包括频谱图、矢量图、星座图、眼图、格图等图形显示;支持调制准确度测量, 具备时域、频域和调制域多域参数同步显示, 分析结果可进行多窗口、多轨迹显示以及多频标关联标定;数字解调具备参考信号生成功能, 解调参数可以灵活配置。最后的测试结果表明, 所设计的系统运行可靠, 适用于小型化和模块化的设备设计需求。
1 系统设计
矢量信号分析软件功能复杂, 包括各种可配置参数, 以及多种格式的输入和输出数据, 多窗口同步显示, 以及强大的数据分析功能。为了满足软件的可配置、可升级以及友好的用户界面, 本方案采用面向对象软件设计方法, 以数据为中心, 各功能模块均为对数据的处理, 并且根据用户设置可动态装载;每个功能模块设计多个参数可配置实例, 以实现指标要求的不同信号分析算法, 中间计算结果以文件形式存储;最终结果可以根据用户设置的触发条件进行分析, 并转换成多种数据形式存储, 按用户需求在多窗口显示。
1.1 软件框架
矢量信号分析软件框架如图1所示。图中, 粗线为数据流向, 细线为控制参数传递;红色框为功能模块, 橙色框为设置和显示界面, 灰色框为数据。
首先读入中频数据流存入数据文件;然后根据用户设置, 进行可变带宽信号降采样后在基带生成数字I/Q信号;利用用户输入校准数据或自动校准算法, 生成时域均衡滤波器, 对重采样后的数据进行时域修正;接下来通过匹配滤波器进行脉冲成形, 再计算FFT频谱, 然后进行数字解调、解码, 获得码流;最后根据用户设置的触发条件进行数据分析和误差计算, 并以多种形式显示结果。
1.2 静态模型
矢量信号分析软件采用三层体系结构, 如图2所示, 包括以下方面。
1) 表示层:实现用户交互和多窗口显示等, 对外提供统一的接口。
2) 处理层:实现信号处理和矢量分析算法。
3) 存储层:实现数据存储和文件管理。
三层体系结构将具体处理算法与数据存储以及结果显示等隔离, 可以较好地适应不同的信号处理算法。
表示层提供一个一致的接口, 采用Façade模式可以简化外部界面程序和算法系统间的交互, 降低外部用户接口与内部算法子系统之间的依赖。另外, 设置一个专门的更新管理器, 作为Observer, 当有新的数据/结果更新时通知显示进行修改。
存储层采用Bridge模式, 将数据存储和文件管理的具体实现细节隐藏, 可以提高系统的可扩充性。
处理层采用Strategy模式, 以便封装算法, 并支持一系列可重用的算法, 从而可以在运行时方便地根据需要在各个算法之间进行切换。其中的时域处理包括图1中的模块1~4;频域处理包括图1中的模块5;调制域处理包括图1中的模块6~8。
1.3 动态模型
矢量信号分析软件的组件协作图如图3所示, 描述了各功能组件的协作关系。用户面对配置器, 以图形化界面对参数和触发条件等进行配置;配置器将配置数据发送到统一界面接口, 并保存为配置文件;界面接口通知窗口管理器以及策略管理器;窗口管理器管理多窗口显示。策略管理器根据用户的配置装载相应的信号处理算法, 对输入的中频数据流或数据文件进行处理和分析, 包括时域、频域和调制域的处理和分析;各信号处理算法根据策略管理器传递的参数和命令, 启动不同的具体处理算法;时域、频域和调制域的计算结果保存到结果文件, 可供用户查看, 同时也是下一步数据分析的输入。数据分析也需从界面接口接收配置参数, 并根据不同要求对结果数据进行误差分析。更新管理器一直观察数据分析的结果, 一发现有更新就通知窗口管理器, 以便及时更新多窗口的显示。如果发生错误, 则以错误日志的方式记录下来, 并启动错误报告告知用户。所有对文件的操作均通过文件管理器来完成。
1.4 处理流程
矢量信号分析软件的处理流程如图4所示。对于几种不同的数字调制方式, 根据用户输入的参数, 分别调用不同的参考信号生成、解调和分析等模块, 后面会详细介绍相应算法模块的具体设计。
2 关键技术及算法
矢量信号分析软件的设计包括若干关键算法和相应的模块设计。这些关键算法和相应的模块可分为两类, 即通用的和特定的。其中通用模块包括数字下变频模块、常用的滤波器模块, 符号同步模块和载波同步模块, 及其均衡模块, 这些算法是通用的, 也是该系统的关键技术。
2.1 观察矢量信号的方法
在矢量信号分析中观察数字调制信号特性的方法通常有三种, 即矢量图、星座图和眼图。对于CPM调制而言, 通常研究其相位轨迹图。
2.1.1 矢量图
通信系统是用于传输信息的系统, 而信息是指事物的状态或方式及其状态或方式的变化, 而这种状态转换为矢量后, 状态之间的转换就演变为矢量之间的转换与过渡。而矢量图中从坐标原点到某一点之间的矢量的幅度的大小则可以度量该信号的瞬时功率的大小, 即状态过渡之间的电平大小。
2.1.2 星座图
星座图是I/Q平面上状态位置的极坐标映射, 表示所有允许符号的有效位置。通常, 如果一个符号可以表示n比特时, 系统中总计有M=2n个独立的符号。因此在相应的直角坐标系统可以用分布于内的M个点来表示。从理论上来看, 星座图应当是特定几个点。但实际系统受到各种干扰和噪声的影响, 因此其星座图通常发生“弥散”效应, 如果星座图的弥散效应越严重, 则受到的干扰或噪声的影响越大。图5给出了QPSK信号在不同信噪比的情况下相应的星座图。当噪声严重时, 则星座弥散的越开。
2.1.3 眼图
I和Q眼图是数字通信信号另一种常用的分析显示, 它描述的I路或Q路信号幅度随时间的变化的情况。眼图对于数字信号传输系统给出了很有用的信息, 它能直观地表明码间串扰和噪声的影响, 能直接评价一个数字调制信号中基带信号的性能优劣。
由图6可以看出:“眼睛”张得愈开, 测试的信号质量愈好;“眼睛”高度描述了该调制信号所能容忍的噪声容限;“眼睛”顶部宽度描述信号可抽样的时间范围;“眼线”顶部斜率可以描述对定时的敏感程度。
由图6可以看出:“眼睛”张得愈开, 测试的信号质量愈好;“眼睛”高度描述了该调制信号所能容忍的噪声容限;“眼睛”顶部宽度描述信号可抽样的时间范围;“眼线”顶部斜率可以描述对定时的敏感程度。
2.1.4 相位轨迹图
相位轨迹图又称为格形图, 用于映射被测信号或理想 (参考) 信号的相位随时间的变化 (每个符号的相位轨迹) 。MSK (最小移频键控) 信号具有恒定幅度、但要改变相位以传输信息。相位轨迹图常常用来表征这些信号, 因为它们能映射每个符号上的相位过渡和轨迹。
2.2 数字下变频软件实现
原理框图如图7所示, 150MHz输入中频 (带宽40MHz) 被高速AD量化 (带通采样率拟采用200MSPS) 后的数字中频信号送入PC进行处理或者以文件的形式进行存储以备处理。数字信号首先和正交的两路数字本振 (NCO) 实现数字下变频, 然后进抽取、滤波器组进行降速率处理。从滤波器组输出的I/Q信号送到I/Q深度存储器进行存储 (对于功率测量, 数据从输入单元直接进入存储器) , 将存储器中的数据通过FFT等数学运算, 针对不同的测量进行不同的处理过程, 完成包括频率、电平、频谱分析、调制分析和矢量分析等参量计算或分析。
2.3 QAM信号纠正小频偏均衡器
这里的均衡器采用四个相互独立的实滤波器器来进行共同完成均衡, 如图8所示。设输入的信号的实部序列为, 虚部序列为, 均衡器的前馈滤波器由四个实系数的滤波器构成, 其冲激响应, 表示输入的信号实部对判决前信号的影响, 冲激响应表示输入信号的实部对输出的虚部的影响, 冲激响应表示输入信号的虚部对输出的实部的影响, 冲激响应表示输入信号的虚部对输出的虚部的影响。同理, 反馈滤波器也有四个实滤波器组成, 其冲激响应, 表示对判决后信号的实部中残余的ISI的抑制作用对判决信号实部的影响, 冲激响应表示对判决后信号的虚部中残余的ISI的抑制作用对虚部的影响, 冲激响应表示对判决后信号的虚部中残余的ISI的抑制作用对实部的影响, 冲激响应表示对判决后信号的虚部中残余的ISI的抑制作用对虚部的影响。
2.4 通用的滤波器设计
由于数字通信系统是用于传输数字信元产生的数字消息的系统, 而数字消息具有有限特性。数字信源产生的消息序列通过数值映射, 得到了数值序列。这些数值序列通过成型滤波器后转换为数字基带波形, 然后将数字基带波形进行调制得到相应的带通信号, 供合适的信道进行传输。在接收端, 也需要通过适当的滤波器来抑制噪声, 而抑制噪声和较小码间干扰的最佳的方法是用匹配滤波器。图9给出了通信系统发射和接收机使用成型滤波器的情况。
从图9可知, 如果发射端使用根升余弦滤波器作为成形滤波器, 则接收端可以用相同的根升余弦滤波器进行滤波器。但是在信号的复现时需要将恢复的序列通过相应的两个, 需要将解码后的根升余弦滤波器作级联滤波处理来获得参考信号波形。
在矢量信号分析中的匹配滤波器包括测量滤波器和参考滤波器。测量滤波器器可选择IS-95测量滤波器、升余弦滤波器、方根升余弦滤波器、高斯滤波器以及关闭等, 而参考滤波器相应地可选择为IS-95参考滤波器、升余弦滤波器、方根升余弦滤波器、高斯滤波器等。
3 系统仿真与验证
3.1 MPSK及MQAM界面设计
如图10 (a) 所示, 其界面设计为四个区, 分别为:信号设置、参数显示、控制面板及图形图像显示。信号设置区主要设置控制信号产生的参数, 包括调制方式、符号数目、载波频偏及信噪比参数输入;参数显示主要用来显示产生的信号特征, 包括采样率、载波速率、符号速率、过采因子、滚降因子及延迟因子参数;控制面板主要用来控制界面的显示, 包括界面的开始结束、接收信号时频特性、星座图、眼图及矢量图信息;图形图像显示用来显示信号特征, 包括信号时频特性、星座图、眼图及矢量图的图像信息。图10 (b) 给出QPSK的测试界面和结果。
3.2 2ASK及2FSK界面设计
同样界面分为四个区如图11 (a) 所以, 分别为:信号设置、参数显示、控制面板及图形图像显示。信号设置区主要设置控制信号产生的参数, 包括调制方式、符号数目、载波频偏及信噪比参数输入;参数显示主要用来显示产生的信号特征, 包括采样率、载波速率、符号速率、过采因子;控制面板主要用来控制界面的显示, 包括界面的开始结束、接收信号时频特性、眼图、同步曲线信息;图形图像显示用来显示信号特征, 包括信号时频特性、眼图及同步曲线的图像信息。图11 (b) 给出2ASK的测试界面和结果。
4 结论
本文通过系统设计出来一套可以在基于PXI设备上小型化、模块化的矢量信号分析软件, 通过测试和分析, 该套软件是行之有效的。为国产测试装备可以提供基于PXI的矢量信号分析模块, 并有重要的应用价值。
参考文献
[1]吴增峰, 江明, 基于虚拟仪器的矢量信号分析的研究[J].安徽工程科技学院学报 (自然科学版) , 2008 (3) .
矢量分析 篇2
航空矢量重力测量中科里奥利加速度对测速精度要求分析
首先论述了航空矢量重力测量中科里奥利加速度的计算模型,给出了科里奥利加速度改正对水平、垂直速度要求的.分析模型.数值表明,在低纬地区欲达到1mGal的科里奥利加速度的精度,要求速度的精度为5cm/s左右;依据实测数据,目前GPS测得的载体速度精度为0.3mm/s,完全能够满足航空矢量重力测量对科里奥利加速度改正的要求.
作 者：王丽红 张传定 WANG Li-hong ZHANG Chuan-ding 作者单位：王丽红,WANG Li-hong(61365部队,天津,300142;解放军信息工程大学,测绘学院,河南,郑州,450052)张传定,ZHANG Chuan-ding(解放军信息工程大学,测绘学院,河南,郑州,450052)
刊 名：海洋测绘 ISTIC英文刊名：HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTING 年，卷(期)： 28(2) 分类号：P223+.4 关键词：航空矢量重力测量 科里奥利加速度 速度精度矢量分析 篇3
关键词： GPS矢量跟踪； 抗干扰性能； 噪声带宽； 适应能力
中图分类号： V249.32+ 8； TN973.3 文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）05-0012-06
Abstract： The antiinterference performance of GPS vector tracking loop is discussed deeply. The systematic models and bandwidth models of vector delay lock loop and vector frequency lock loop are established， and based on the analysis for noise bandwidth of vector tracking loop， it is illustrated that vector tracking loop is capable of adaptively adjusting the noise bandwidth to adapt to the interference environments of different intensity. The interferencetosignal ratio is computed with the measurement errors within vector tracking loop to determine the antiinterference performance in complex environments. Compared with scalar tracking loop， GPS vector tracking loop has stronger antiinterference ability.
Key words： GPS vector tracking； antiinterference performance； noise bandwidth； adaptive ability
0引言
GPS信号传输距离长， 接收功率远小于噪声电平， 且采用的扩频信号本身并不具备很大的抗干扰裕度[1]； 同时GPS不可避免地会在城市、 室内、 森林、 山谷等遮蔽环境下使用[2]， 导致信号严重衰减， 故GPS接收信号极易受到射频的干扰[3-4]。 随着GPS在精确打击武器中的广泛应用[5]和在军事领域重要性的不断提升， 对GPS的抗干扰研究与分析成为国内外学者重点关注的问题。 作为目前最先进的信号跟踪技术之一的GPS矢量跟踪技术， 不仅可使GPS接收机满足高动态环境的需求， 还能大幅提高信号跟踪的抗干扰能力[6-8]。
GPS矢量跟踪环路将所有通道的观测信息作为整体处理， 实现了通道间的信息交互以及不同卫星信号的联合跟踪[9-11]； 同时， 通过组合滤波器能够精确预测信号的跟踪参数并提供实时高精度的导航定位结果， 形成具有完整导航功能的闭合环路。 鉴于GPS矢量跟踪环路的工作原理， 从两方面提升了系统的抗干扰性能：一方面， 由于跟踪通道间的信息共享， 强信号通道能够辅助弱信号的跟踪， 从而降低环路的跟踪阈值； 另一方面， 矢量跟踪环路中的组合滤波器通过对载体动态的预测生成环路数控振荡器（Numerical Controlled Oscillator， NCO）控制量， 能够抑制动态应力的影响[12]， 使跟踪环路可在较窄的噪声带宽下正常运行， 从而提高系统的抗干扰能力。
抗干扰性是导航系统的一个关键性能， 由于GPS矢量跟踪环路中信息流编排与融合的复杂性， 目前还鲜有文献对GPS矢量跟踪环路抗干扰性进行参数化建模与定量分析。 基于此， 本文详细推导并建立了GPS矢量跟踪环路的系统模型及噪声带宽模型， 通过对噪声带宽特性的分析说明了矢量跟踪环路具有适应高动态、 强干扰环境的能力， 并进一步对比分析了标量跟踪和矢量跟踪环路测量误差与抗干扰门限的差异， 从而为定量分析GPS矢量跟踪环路的抗干扰性能提供理论参考。
1GPS矢量跟踪环路结构
为了提高动态环境下微弱信号的跟踪性能， 完成高精度的导航解算， 提出GPS矢量跟踪方法。 该方法利用接收信号时间及空间上的相关性， 高度融合各跟踪通道信息， 并与导航解算联结， 形成具有完整导航功能的闭合环路， 其结构如图1所示。
矢量跟踪环路的具体工作过程如下：
（1） 参数初始化。 矢量跟踪模式启动前， 需要GPS接收机处于标量跟踪的锁定状态， 提供初始化参数并至少完成一次完整的导航定位过程[13]。
（2） 信号相关运算。 矢量跟踪通道内的相关器接收GPS数字中频信号， 并与该通道对应的本地复制信号进行相关运算， 分别获得同相和正交支路的超前、 即时、 滞后信号作为鉴别器的输入。
（3） 跟踪残差鉴别。 鉴别器利用六路输入信号信息， 获得码相位和载波频率的跟踪残差， 并将其作为组合滤波器的量测输入。
航空兵器2016年第5期孙兆妍等： GPS矢量跟踪建模与抗干扰性能分析（4） 组合滤波及导航解算。 组合滤波器采用扩展Kalman滤波（Extended Kalman Filter， EKF）模型融合所有通道信息， 状态量分别选取当前历元载体位置、 速度以及钟差、 钟漂等信息的残差， 量测量则为信号跟踪残差； 滤波状态量输出将作为当前历元导航解的更新信息。
（5） 跟踪参数预测及环路控制。 利用组合滤波器得到载体接收机的导航解， 并结合预存的卫星星历， 完成所有GPS接收信号下一历元C/A码和载波频率修正量的同步推测， 作为环路反馈控制量， 从而实现矢量跟踪环的高精度信号锁定。
GPS矢量跟踪环路包括矢量频率锁定环（Vector Frequency Lock Loop， VFLL）和矢量延迟锁定环（Vector Delay Lock Loop， VDLL）， 其噪声带宽直接影响环路内频率和相位的测量误差， 由于VFLL和VDLL均存在跟踪门限， 当接收信号受到强干扰导致测量误差超出该门限时， 跟踪环路就会发生失锁， 因此噪声带宽是影响GPS矢量跟踪环路抗干扰性能的重要因素。 以非相关压制干扰为例， 一般采用干信比来衡量GPS接收机跟踪环路的抗干扰性能， 因此首先需要建立准确的VFLL和VDLL系统模型， 并根据系统传递函数计算其噪声带宽； 然后通过带宽计算得到环路内的测量误差； 最后利用信号噪声理论并结合跟踪门限即可获得环路的干信比容限， 从而实现对GPS矢量跟踪抗干扰性能的定量分析。
2矢量跟踪环路模型与带宽
2.1环路系统模型
从式（14）可以看出， 影响矢量跟踪环路噪声带宽的因素主要包括可见卫星数、 信号预检测积分时间、 载体-卫星相对位置以及通道噪声（由滤波增益体现）。 星数越多或积分时间越长， 环路的噪声带宽越小， 即具有更强的抑噪能力； 同时， 由于跟踪通道内的热噪声强度和接收信号强度决定了滤波增益K的取值， 因此矢量跟踪环路的噪声带宽能够针对不同的噪声环境进行自适应的调整， 使得GPS矢量跟踪环路具有较强的抗干扰性。
2.3噪声带宽计算
为了在不同动态及信号强度条件下分析矢量跟踪环路的带宽变化， 设计载体动态分别为0g， 50g和100g； 对输入载噪比为40 dB-Hz， 35 dB-Hz和25 dB-Hz的信号进行矢量跟踪抗干扰性能仿真验证。 为了进一步确定矢量跟踪环的跟踪门限和抗干扰门限， 根据式（14）计算得到不同仿真环境下VFLL和VDLL的噪声带宽， 见表1。
（1） 随着信号C/N0的降低， 矢量跟踪环路的噪声带宽不断减小； 而在高动态环境下， 带宽相应增大。 其自适应调整的规律符合信号跟踪环路的一般要求， 验证了环路带宽模型的有效性。
（2） 在矢量跟踪模式下， 相对于信号强度， 动态对环路噪声带宽的影响较小， 这是由于GPS矢量跟踪通过对卫星和载体动态的预测有效减弱了动态应力的影响， 不需要通过大幅调节带宽来适应动态环境。
（3） VFLL的带宽明显小于VDLL， 表明相比于VDLL， VFLL具有更强的噪声抑制能力， 因此VDLL的抗干扰门限决定了矢量跟踪环路的抗干扰能力。
3矢量跟踪测量误差与干信比容限的计算
3.1测量误差分析
由于信号跟踪环路中鉴别器的非线性， 其期望跟踪门限可以通过Monte-Carlo仿真实验确定， 也可以通过一些经验法则确定。 而矢量环路的跟踪门限与频率/相位测量误差紧密相关， 若传播中信号强度严重损耗或存在干扰信号， 将使输入C/N0低于跟踪门限， 导致相位测量误差超出误差容限， 从而影响跟踪环路的锁定能力。
与标量跟踪环路相同， 矢量跟踪环路采用鉴别器输出作为组合滤波器量测量， 因此VFLL的主要测量误差来源包括环路热噪声σt，VFLL以及动态应力误差fe（具有3σ效应）， 跟踪环的1σ经验跟踪门限可通过式（15）计算[15]：
式中： F1为码相位鉴别器相关因子， 对于超前-滞后码相关器为1/2； F2为码相位鉴别器类型因子， 对于超前-滞后码相关器为1； D为相关器间距； 对于三阶相位锁定环， ωn可取BL/0.784 5。
假设GPS接收机应用环境不存在包括加加速度及以上的动态， 根据表 1计算得到的环路噪声带宽， 并结合式（15）和式（18）， 分别在BL为1～6 Hz以及BL为0.05～0.35 Hz的条件下对VDLL和VFLL的测量误差进行对比， 得到的结果如图2～3所示。
可以看出， 环路噪声带宽越大， 其引入的热噪声影响越大， 导致环路测量误差增大， 跟踪门限（用C/N0表示）相应上升。 但是， 随着噪声带宽的增大， 跟踪门限的上升速度不断下降， 即矢量跟踪环路通过调节滤波增益K降低环路噪声的影响， 从而在较大的带宽范围内保持对微弱信号的连续跟踪。
通过上述分析可知， 矢量跟踪环路的带宽由GPS接收机应用环境中的噪声与动态应力决定， 同时为了适应高动态环境而采用较大带宽时， 矢量跟踪能够自适应地降低噪声影响， 实现高动态、 低载噪比目标信号的跟踪锁定。
3.2干信比容限计算
存在干扰时， 信号的等效输入载噪比由跟踪门限决定， 因此首先需要确定接收机在未受干扰时所接收到卫星信号的C/N0， 然后根据式（15）和式（18）的要求计算跟踪门限， 即干扰存在时的等效载波噪声功率密度比[C/N0]eq， 从而反算出所需干信比。 跟踪门限越小， 则干信比越大， 抗干扰性能越强， 反之， 抗干扰性能越差。
从表2可以看出， 在相同干扰及动态环境中， 矢量跟踪的带宽容限明显高于标量跟踪， 即GPS矢量跟踪环路具有更优的抗干扰性能。 对比标量跟踪和矢量跟踪的工作机理， 一方面， 标量跟踪环路仅采用低通滤波器抑制带内噪声， 无法处理带外噪声， 而矢量跟踪环路中组合滤波器的使用不仅能够有效估计环路噪声并将其滤除， 而且通过融合所有通道的跟踪信息， 实现了强信号对弱信号通道的辅助， 进一步降低了热噪声或干扰信号的影响； 另一方面， 标量跟踪环路中， 噪声带宽的设计必须平衡噪声与动态两方面要求， 而为了减弱动态应力的影响， 矢量跟踪环路采用准确实时的卫星-载体相对速度/加速度估计量对所有跟踪参数进行同步预测， 拓宽了等效噪声带宽， 大幅削弱了高动态对带宽调节的要求。
5结论
GPS矢量跟踪充分利用了所有通道的跟踪信息并对卫星-载体的动态进行精确估计， 相比于标量跟踪， 矢量跟踪环路具有更优的抗干扰性能， 已成为GPS接收机新一代的跟踪方法。通过建立GPS矢量跟踪环路比较完善的系统模型及噪声带宽模型， 并进一步对VDLL和VFLL的噪声带宽、 测量误差及干信比容限分析可知， GPS矢量跟踪环路能根据当前环境的干扰强度与动态应力情况， 自适应调整VDLL和VFLL的噪声带宽， 因此基于矢量跟踪技术的GPS矢量接收机在环境复杂的国防领域具有广泛的研究价值和应用前景。
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矢量网络分析仪的误差分析和处理 篇4
关键词：矢量网络分析仪,误差分析,处理
矢量网络分析仪对现代微波技术、计算机技术等具有直接的影响,具有测量简单,效果明显的特点,而且矢量网络分析仪的可以被视为一种万用表,具有良好的应用价值和发展空间。主要是对器件和网络的反射特性和的传输特性展开测量工作,促使元器件的可以得到有效的设计和应用。但是在实际的矢量网络分析仪应用时,误差会影响测量的精度和测量的准确性。需要科学的展开误差分析工作,明确的误差的来源和误差的影响,值等有效的处理措施,使得矢量网络分析仪的功能性和测量准确性可以得到进一步的提升,推动相关产业的持续健康发展。
1矢量网络分析仪的相关概述
矢量网络分析仪是一种具有良好应用价值和应用空间的测量仪器,主要用于电磁波的测试,对器件的基本情况进行判断,为元器件的应用和设计提供参考,具有较高的测量精度和准确度。近年来,科学技术的不断优化和完善,矢量网络分析仪的测量速度、 精度,乃至智能化水平得到了进一步的提升。
矢量网络分析仪在实际的工作中,由合成信号源,并生成扫频信号,并完成同步扫描,在对各类信号进行转化和处理,规避信息丢失的情况。
2矢量网络分析仪的误差分析
矢量网络分析仪在实际的使用过程中,误差是不可避免的,为此,需要通过误差分析,明确误差的来源和误差的原理,为误差的处理提供基础。矢量网络分析仪的误差可以根据实际情况分为3类误差。
(1)系统误差,系统误差主要是测量系统的部分原因导致的测量问题,可能导致系统误差的原因很多,如果测试的被测元器件的不匹配情况、设备因素等情况导致的系统误差的产生,系统误差的产生严重影响矢量网络分析仪的测量精度和测量可靠性。
(2)随机误差,通常情况下,随机误差是不会重复出现的,随机误差的产生具有很大的随机性和不确定性,使得测量的精度和准确性的影响很大。随机误差的产生的原因很多,如果测量过程中的环境因素,人为因素等都可能会导致的随机误差的产生,影响测量结果。
(3)漂移误差,主要是由温漂、频漂等因素引起的,使得的测量的精度和准确性不能得到保障,使得测量的结果不够准确,不能达到测量的目的。
3矢量网络分析仪的误差处理
在实际的矢量网络分析仪的应用过程中,系统误差是造成的测量准确性不高的主要因素,而且,系统误差可以采用量化的形式对其分析和解读,从而使得系统误差可以被修正,推动矢量网络分析仪的测量质量的提升。
3.1系统误差的分类
针对系统误差的基本性质,明确系统误差的具体分类情况,并采取有效的处理方法。
(1)方向性,矢量网络分析仪的应用过程中,会出现反向波的情况。衡量定向耦合器的性能是由方向性决定的,这部分方向性也会严重影响测量结果,导致测量质量不能得到保障。
(2)频率响应,测试装置的幅度和相位会根据频率的变化,这部分变化,也会影响矢量网络分析仪的测量质量,导致测量结果不能满足元器件的测量标准。
(3)源匹配,主要是由矢量网络分析仪和信号源电缆等部分的出现负载不匹配的情况,导致的阻抗不匹配的情况,严重影响测量质量和效率。
系统误差的种类很多,大致可以分为12种,严重影响的矢量网络分析仪的功能性和准确性,导致测量结果不能满足元器件的测量结果,使得元器件的设计质量不够合理。
3.2系统误差模型的建立
为了实现系统误差的处理,需要构建的良好的误差模型,可以采用双端口12误差模型对的系统误差进行分析和解读。
模型建立完成后,可以根据模型的基本情况,科学的展开对信号源的校准,合理的调整频率的准确度和功率的线性,促使测量误差可以得到消除,还需要对信号纯度,提高校准质量。配合模型的基本情况,保障矢量网络分析的精确度,并合理的对接收机的情况进行选择,避免接收机的质量不能达到使用标准,提高矢量网络分析仪的可靠性。
3.3矢量网络分析仪的误差处理
结合网络分析仪的基本情况,合理的对系统误差、随机误差等进行处理,提高矢量网络分析仪的稳定性和可靠性可以得到进一步的提升。
(1)强化对测量环境的控制,减少外界因素对环境的影响。首先,需要重视测量环境的控制,使得测量区域内,没有各类干扰源,确保测量质量。此外,需要严格的对操作流程和操作规范进行控制,促使操作人员可以严格的按照设计标准和施工标准展开施工,从而使得的随机误差可以得到控制。
(2)响应校准,针对矢量网络分析的频率响应情况,需要科学的对展开频率响应校准,促使测量过程中的频率响应误差可以得到控制,并尽可能的对其进行消除,使得矢量网络分析的测量准确性和可靠性得到保障。
(3)校准件,矢量网络分析仪的校准,需要科学的对校准件进行选择,根据测量精度的实际需求,选择适宜的校准件,针对的精度要求较高的可以采用精密级的校准件。校准件具有严格数学定义的,为此,在实际的使用过程中,需要科学的进行应用,待进行校准时,将其进行运用,从而使得矢量网络分析仪的测量精度可以得到控制,并消除部分误差,提高测量的准确性。
(4)结合双端口12误差模型,可以采用全二端口校准的方式对矢量网络分析仪进行校准,主要是针对方向性、源匹配等影响进行处理,使得这些个部分的误差可以得到有效的抑制,促使矢量分析仪的测量质量和测量效率可以得到提升,得到较高精度的测量结果。根据校准精度的和矢量网络分析仪之间的关系,需要强化对校准精度的控制,尽可能的提高校准精度,进而推动矢量网络分析仪的稳定性,实现测量精度和测量准确性,满足微波元件的实际需求,推动的相关产业的发展与完善。
4结语
矢量网络分析仪是现代微波元器件测量的重要部分,具有测量精度高,测量准确性好的效果。这些优势使得矢量网络分析仪具有良好的应用价值和发展空间。但是在实际的矢量网络分析仪使用过程中,会受到各类因素的影响,产生不同类型的误差,误差的产生,必然会导致测量的准确性和可靠性不能得到保障,制约微波元器件的设计和应用。为此,结合矢量网络分析仪的基本情况,结合误差模型,科学的展开误差分析,并制定有效的校准策略,促使矢量网络分析仪的测量误差可以得到有效的处理,提高测量的精度,推动相关产业的持续健康发展。
参考文献
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矢量波函数空间的电磁矢量恰当射影 篇5
矢量波函数空间的电磁矢量恰当射影
提出了一种简化电磁场问题求解的新方法:将电磁场矢量的无旋场部分和无散场部分各自应用一个满足二阶方程的标量函数表示出来,然后由此分析了电磁场矢量在矢量波函数空间的.恰当射影问题,并给出用一个标量格林函数构造的无散电磁场并矢格林函数.
作 者：秦治安 周桂英 作者单位：秦治安(大连海事大学数理系,辽宁,大连,116026)周桂英(大连理工大学工程力学系,辽宁,大连,116024)
刊 名：电波科学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE 年，卷(期)： 17(5) 分类号：O441.4 关键词：Maxwell方程组 无旋场 无散电磁场 并矢格林函数AVX高级矢量扩展指令集 篇6
强大的性能：256位向量计算
向量就是多个标量的组合，通常意味着SIMD（单指令多数据），就是一个指令同时对多个数据进行处理，达到很大的吞吐量。
Sandy Bridge的AVX将X86向量化宽度扩展到了256位，原有的16个128位XMM寄存器扩充为256位的YMM寄存器，可以同时处理8个单精度浮点数和4个双精度浮点数，在理想情况下，Sandy Bridge的浮点吞吐能力可以达到前代的两倍。
从Nehalem开始的微架构包含了3个运算端口：0、1和5，每个运算端口分为三个区域：ALU、SIMD INT、SIMD FP，分别执行整数和逻辑运算、SIMD整数和SIMD浮点运算。在每一个时钟周期，每个运算端口可以分发一个uop，这个uop可以是三种运算中任意的一种。不同的运算区域可以同时运作。
Sandy Bridge微架构的所有执行单元都经过了修改以执行256位AVX指令，它并没有直接将所有浮点执行单元扩充到256位宽度，而是采用了一种较为节约晶体管乃至能耗的方法：重用128位的SIMD整数和SIMD浮点路径。
除了AVX带来的性能增强之外，Sandy Bridge还继续增强了AES指令集的性能，提升其吞吐量，此外，SHLD（移位）指令、ADC（进位加）指令和Multiply（64位乘数128位积）运算的性能也都得到了提升，SHLD指令性能提升增强了SHA-1计算能力，ADC吞吐量翻倍提升了大数值运算能力，而最后者提升了现有RSA程序25%的性能。
精简X86指令集
除了明显提升浮点运算性能之外，AVX指令集还是对X86指令集的一个精简。我们知道由于是不定长的CISC指令集，X86指令集可以很容易地进行扩展，每一代处理器都像不要钱似的增加扩展指令集。然而目前的这种通过增加各种Prefix前缀来扩展指令集的方式已经达到了其极限，并且这种方式导致的指令集复杂化和长度增加，导致了执行文件的臃肿和解码器单元的复杂化和低效化。
AVX指令集带来了新的操作码编码方式，这种编码方式叫做VEX（Vector Extension），其动机就是压缩各式各样的Prefix前缀，集中到一个比较固定的字段中，缩短指令长度，降低无谓的代码冗余，并且也降低了对解码器的压力。
VEX编码方式使用了两种VEX Prefix，除了一个字节的字头之外，分别具有1到2个字节的Payload（负载），在这个Payload里面就包括了所有的Prefix的内容，达到了精简指令集的目的。
VEX前缀包含了X86-64指令使用的REX前缀以及原SSE指令使用的前缀，还融合了普通操作码带有的Escape字段，从某种意义上来说，VEX让CISC的X86指令集往RISC精简指令集靠近了一点，当然，CISC易于扩充、支持复杂灵活的寻址方式的特性依然无损。
强化X86指令集
基于历史上X86处理器缺乏存储单元的原因，X86指令集属于双操作数的破坏性指令集，例如，指令add ax, bx包含了ax和bx两个操作数，作用是将寄存器ax和bx的数值相加，并保存到寄存器ax当中去，计算结束后，源操作数ax的内容就被计算结果“摧毁”了。
在传统的仅具有8个通用寄存器的X86处理器上，这种编码方式的使用实属没有办法，同时期具有更多通用寄存器的RISC处理器都采用的是多操作数的非破坏性句法。在应用了Register Renaming寄存器重命名技术之后，X86处理器事实上也具有了很多的寄存器可供使用，因此Intel就动起了新的念头。Sandy Bridge带来的AVX指令集提供了新的3〜4操作数的非破坏性句法，在某种程度上，这弥补了X86指令集的体系缺陷。
例如，要实现xmm10 = xmm9 + xmm1，传统X86处理器需要两条指令：
movapps xmm10, xmm9
addpd xmm10, xmm1
在应用AVX指令集新的3操作数格式之后，只需要一条指令就能完成这个功能：
vaddpd xmm10, xmm9, xmm1
显然，新的指令操作数明显降低了指令的数量，处理器吞吐量得到了提升，代码运行更快速，同时能耗也降低了。
X86指令集：不断进化
CISC指令集的思想就是用复杂的硬件来完成尽可能多的工作，RISC则是使用尽量少的指令并通过复杂的程序来完成同样的功能。每一代的X86指令集，都会对不同的应用增加新的指令集，这些指令集能高效地处理对应的应用。
永磁同步电机矢量控制仿真分析 篇7
PMSM具有构造简单、功率密度高、转矩系数大等优势[1],已经逐步取代直流电机和步进电机,被广泛应用于各种高精度以及高稳定性的场合,成为当今伺服系统的主流。传统直流电机因其机械换向器和电刷的存在,使得其可靠性和适用性大大降低,永磁同步电机作为一种新型电机,一般在同样体积的情况下,交流电机比直流电机的输出功率高10% ~ 60% 。
我国是世界稀土第一大国,不仅总储藏量大,而且各种元素齐全,因此,大力研发和推广使用以稀土永磁电机为代表的各类永磁电机,符合我国的基本国情,对我国科技与经济发展具有重要的意义。而PMSM能否被广泛应用关键在于是否有成熟稳定可靠的控制系统[2],本文采用了励磁电流id = 0 的转子磁场定向矢量控制[3,4]和转速、电流双闭环的控制方法,通过MATLAB/Simulink仿真结果表明,该控制方法理论分析合理并具有良好的动态性能。
1 PMSM转子磁场定向矢量控制方法
1. 1 永磁同步电机的数学模型
由于本文建立的永磁同步电动机的数学模型是在理想状况下的模型( 如图1 所示) ,与实际情况略有偏差,因此需要假设以下几点[5,6]:
( 1) 铁芯损耗不作考虑;
( 2) 电机磁路是线性的,不考虑磁路饱和,磁滞和涡流等因素的影响;
( 3) 电动机的三相绕组是完全对称的,他们在空间中互差120°,不考虑边缘效应;
( 4) 不计齿槽效应与高次谐波,并且假设定子电流产生的磁动势是正弦分布的;
通过假设,我们可以得到理想的永磁同步电机模型,现讨论不同坐标系下永磁同步电机的数学模型。
1.1.1 PMSM三相坐标系(ABC坐标系)下数学模型:
PMSM定子电压和磁链方程:
其中us为定子电压,Rs为定子 ψs电阻,Is为定子电流,ψs为定子磁链,Ls为定子电感,ψr为转子磁链( 如图2、图3 所示) 。
电压和磁链方程的矩阵形式:
其中ua、ub、uc为定子三相电压,ψa、ψb、ψc为定子a、b、c各相的磁链,ia、ib、ic、为定子a、b、c各相电流,LAA、LBB、LCC分别为三相自感系数,MAB、MAC、MBA、MBC、MCA、MCB为a、b、c各两相之间的互感系数,p为微分算子,ψf为转子磁链,θ 为转子位置较角。
1. 1. 2 永磁同步电机两项坐标系下的数学模型
经Clark变换( 指的是在磁场等效的原则下,用两相匝数相同、结构相同、并且相互正交的绕组去代替原本的定子a、b、c三相对称绕组) 再经Park变换( 指的是将两相静止坐标系 α - β 坐标系) 下的状态方程转换到两相旋转坐标系( d - q坐标系) 下将永磁同步电机转子永磁体磁场的方向定为d轴,将在电机正转方向上相对d轴超前90 的方向定为q轴,建立一个基于转子磁场定向的同步坐标系。
d-q坐标系中永磁同步电机的数学模型:
(1)电压模型
( 2) 磁链方程
( 3) 转矩方程
式中ψd、ψq为定子磁链的d、q轴分量; Ud、Uq为定子电压的d、q轴分量; id、iq为定子电流的d、q轴分量; Ld、Lq为定子绕组的d、q轴等效电感; ψr为永磁体磁链; Rs为定子绕组电阻; Pn为极对数; T为输出电磁转矩; p为微分算子。
1. 2 矢量控制策略
矢量控制[7]的基本思想是对三相交流电动机上的电流矢量进行控制,使之能够实现像直流电动机一样的转矩控制。矢量控制的基本原理是通过磁场坐标,将电流矢量分解成两个量。一个是产生磁通的励磁电流分量id,另一个是产生转矩的转矩电流分量iq。这两个电流分量是互相垂直,并且彼此独立的。通过对电流矢量的分解,便能对id和iq分别进行调节,矢量控制的关键是对电流矢量的幅值和空间位置( 即频率和相位) 进行控制,但最终是落实到对定子电流的控制,为了解决这一问题,需要借助坐标变换,使得各个物理量从两相静止坐标系( α - β 坐标系) 转换到两相旋转坐标系( d - q坐标系) 。在同步旋转坐标系来观察定子侧的各个物理量,原本的空间矢量就变成了静止矢量,电流和电压都变成了直流量,通过转矩和被控矢量的各个分量之间的数学关系,实时的计算出转矩控制时各个被控矢量的分量值,然后按照这些分量值进行实时控制。
矢量控制的永磁同步电机的控制系统一般( 如图4 所示) 包括位置/速度/电流调节器、矢量变换环节、电流控制电压型逆变器、速度或位置检测器以及永磁同步电机,系统各个部分的运行情况都将影响系统的控制性能。
2 永磁同步电机伺服模型的搭建及仿真结果
2. 1 永磁同步电机MATLAB仿真模型
如图5 ~ 9 所示,仿真对象为:JX—PMSM—750型号电机,各参数:电枢绕相电感:8. 13 m H电枢绕相电阻739 MΩ,转子惯量0. 853 × 10- 4kg·m2,额定相电流4. 8 A,额定相电压200 - 230 V,额定转速3 000r / min,最大转速5 000 r / min。
根据永磁同步电机矢量控制原理,同步电机数学模型以及电机公式,可建立永磁同步电机矢量控制系统仿真模型,永磁同步电机电机模型和pake变换是系统仿真模型的子模块。
park变换公式为:
经过变换可得:
2. 2 仿真结果分析
PI参数Kp= 5,Ki= 10 并且在0. 2 s时加入负载,负载大小为0. 5。仿真波形如下:
电机启动时iq有一个很大的电流,并且迅速减小,在0. 2 s时加入负载,iq能够迅速回升,并且一直保持一个稳定的状态。
在仿真过程中,当没有加入负载时,系统的转矩为0,在0. 2 s时加入负载,转矩明显上升,然后保持稳定,超调较小。
通过以上仿真曲线我们可以直观的看出,证明该控制系统有着良好的控制性能,加入负载后系统能迅速的回到稳定状态,快速性和抗干扰性都比较良好; 矢量控制方法是一种有效的永磁同步电机控制方法,并在仿真过程中传统PID结合ST函数编写新型控制方法地提高了电机控制性能。
3 结束语
本文在对永磁同步电机的矢量控制理论分析的基础上,通过软件搭建实验平台仿真分析,验证了矢量控制系统的可行性,仿真方法简单、快捷高效、准确可靠,对实际系统的设计与实现起到重要作用,永磁同步电机作为一种新的电机类型,近年来已经得到了广泛应用,但是如何提高永磁同步电机的控制性能,有着深远的研究价值。
参考文献
[1]暨绵浩,曾岳南,曾建安,等.永磁同步电动机及其调速系统综述和展望[J].电气时代,2005,25(5):20-23.
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[6]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2001.
危险评价第三维矢量的定性分析 篇8
任何系统, 大到三峡工程, 小到单一产品, 在其寿命周期内都有发生事故的可能。区别只在于事故发生的可能性大小和事故后果的严重程度 (即风险大小) 不同而已。危险评价正是针对系统内可能导致事故发生的危险而进行的评估。
危险评价, 也叫“风险评价” (Risk Assessment) , 尽管它的定义有很多种, 但其核心思想基本上是一致的, 即:用系统科学的理论和方法对系统内存在的危险进行定性和定量分析, 得出系统内危险导致事故发生可能性及其程度的评价结果, 为决策者进行危险控制提供决策依据, 以寻求最低事故率、最少的损失和最优的安全投资效益。
从上述定义中我们可以发现一个问题:危险评价的作用是为危险控制提供决策依据, 但所用的评价矢量只能反映出危险导致事故发生的可能性和事故后果的严重性, 综合的评价结果也只是能否接受以及是否需要控制, 因此, 很难看出:
(1) 危险在技术上被控制的难易程度;
(2) 采取危险控制措施在经济上的可行性;
(3) 如何利用有限的资金达到最优的安全投资效益等。
这在一定程度上影响了评价结果的作用。
2 可控性的提出
针对危险评价现有评价矢量的不足, 1991年, 美国的Watson C.提出了以危险的控制水平作为第三维评价矢量的设想, 并引用系统安全优先次序作为定性分级标准。后来, 又有人提出了以危险的可探测性、技术承受能力、经济承受能力等作为第三维评价矢量。但是, 这些矢量的选取在矢量的表述和独立性探讨上都存在一些问题。作者曾于1999年对第三维矢量的选取提出了一些观点, 并尝试性地提出了可控性的概念[1], 这里对可控性作进一步的研究。
2.1 可控性的概念
2.1.1 替代系统
系统的存在是以实现某一特定功能为前提, 而实现这一功能可能有许多不同的功能组合方式, 这就使系统有了一定程度上的可替代性。我们把能够执行与现有系统同样或近似功能的系统称为现有系统的替代系统。从评价的角度出发, 我们关注的是总价值低于原系统的替代系统。如果系统的功能无法用其他系统来替代, 我们可以认为它的替代系统就是它本身。
2.1.2 危险控制
危险评价的目的是为控制危险服务。我们说控制危险, 通常要考虑两方面的问题, 首先是技术层面, 就是这种危险在当前的认知水平和技术手段下, 能否被控制;其次是如果能控制, 究竟需要花费多大的资金。对于技术层面没有办法控制的危险, 就不再属于危险控制讨论的范围, 我们要重点关注的就是能被控制的危险和控制危险所需的资金。
2.1.3 可控性
所谓可控性, 也可称为危险导致事故过程的可控性, 就是系统内已识别的危险控制方案的可行性。这里面包含两层意思, 一是在技术上的可行性, 我们把它叫做技术可控性, 并用表1进行定性分级和描述;二是经济上的可行性, 我们把它叫做经济可控性, 用表2进行定性分级和描述;而作为一个评价矢量存在的可控性就是技术可控性和经济可控性的综合, 我们可以通过一个二维矩阵进行说明, 见表3。
为更直观地表示可控性, 我们把上述16个区域定性地分为四个级别, 见表4。
从上述定义我们可以看出, 可控性是系统本身的一种固有的特性, 并与三方面的因素紧密相关:首先是人们对危险的认知程度和对危险控制方法的掌握程度;其次是控制危险到可接受水平所需要的最小投入 (最优方案的选择) ;最后则是可替代系统的总价值, 它包括可替代系统中人、机及相关环境的总价值。
2.2 可控性的相对独立性
作为危险评价的一个矢量, 可控性关注的是对危险导致事故过程控制的方案选择;主要与控制投入和替代系统总价值有关。严重性关注是危险导致事故发生的可能损失;可能性关注的是危险导致事故发生的几率 (概率) 。三个矢量从不同方面对危险进行了表达, 它们之间并没有必然的联系。如可能性的提高不会对可控性造成影响, 可控性好也仅仅表明该危险易于控制, 而与可能造成多大的损失无关。也就是说, 这三个矢量之间具有较好的相互独立性。
3 可控性对危险评价的作用分析
可控性的加入使危险评价由二维评价矩阵变成了三维评价立方体。在这里我们对评价结果提出一个定性的分级方法, 见表5。
结合危险评价的定性评价结果与可控性的描述我们可以看出, 危险评价的作用就是比较, 是与安全标准的比较和与人们期望值的比较, 可控性的加入大大增强了它的作用, 具体表现如下。
3.1 宏观方面
(1) 对危险评价内容的完善。
以前评价关注的是危险导致事故发生的可能性和后果的严重性, 增加过程的可控性使评价内容更加全面。
(2) 对危险评价结果的充实。
可控性的高低是决策者进行决策的重要依据, 有利于决策者根据评价结果直接进行决策。
(3) 对危险评价效率的提高。
以前的二维评价得到的结果是是否需要控制, 决策者往往需要再组织一次评价才能得出是否能够控制和是否值得控制的结果。
3.2 微观方面
(1) 对具有单一危险的系统来讲, 可控性使决策者明白到底值不值得花费大量的资金来控制危险。
(2) 对具有多种危险的系统来讲, 可控性的计算使决策者明确在资金有限的前提下, 应该优先选择控制哪种危险。
(3) 在某一特定时刻, 假设替代系统价值一定的前提下, 有利于决策者选择最好的控制方案来提高系统的安全性。
(4) 在控制方案已知的情况下, 有利于根据可替代系统价值的变化来选择最佳的控制时机;也揭示了危险评价与时间因素的密切关系, 为进一步深入研究提供了依据。
由上述几点可以看出, 可控性的加入使危险评价与危险控制紧密地联系在一起, 为决策者在选择是否控制、控制方案、控制时机等多方面都提供了参考数据, 大大增强了评价结果的实用性。
4 结束语
以上仅是对可控性进行的定性描述, 在具体的应用中, 应进一步将可控性进行量化。此外, 要充分重视各评价矢量随时间的变化曲线以及对评价结果的影响, 进而发现系统危险性变化的规律, 为完善评价方法和提高评价效果提供支持。
参考文献
[1]吴穹.三维危险定量分析及评价模型探讨.二十一世纪科学与技术发展趋势.北京:科学技术出版社, 2000
矢量跟踪算法快速重跟性能分析 篇9
GPS最早是设计应用到美国军队进行精确导航的系统。由于目前的开放性,GPS不仅仅用于美国军方导航,而且还提供便宜、精确的民用导航服务。GPS系统应用范围越来越广泛并且和很多人的生活息息相关。GPS接收模块随处可见,比如:手机、电话机、汽车等设备当中。在使用GPS系统时,无论军民,系统的可靠性是优先需要考虑的问题。
随着GPS应用范围的扩大,在各种操作环境中的可靠性是人们高度关注的问题。传统接收机在高载噪比和低动态环境中能够保持良好的工作性能,但在低信噪比(丛林或城市环境中)或高动态情况下就会对信号失锁而不能跟踪上信号。矢量跟踪算法能够跟踪到相对于传统接收机更低载噪比、更高用户动态下的信号。为了进行导航,接收机必须接收至少4颗GPS卫星的信号[1]。传统接收机对这些不同卫星的信号进行单个独立环路接收,而矢量跟踪算法用一个Kalman滤波器同时跟踪这些卫星信号和解调用户位置和速度等信息。矢量跟踪算法将信号跟踪和导航解算融合到一个算法中。
1介绍
联合多路跟踪GPS信号给矢量跟踪算法带来几点好处:所有信道联合在一起,用户动态的跟踪也就完全联系到了一起,而传统环路必须独立进行对视线内卫星信号都要进行动态的跟踪;单路信号的功率有可能会不能让接收机进行工作,但如果多路信号功率进行合并时,接收机可能会正常工作;相比于传统二维跟踪,矢量跟踪中,动态可以分为不同维度下进行更精准的估算。
矢量跟踪的概念可以追溯到20世纪80年代[2,3]。矢量跟踪都是在文献[4]下发展而来,在文献[4]中提出矢量延迟锁定环路(VDLL),但具体的算法流程并没有给出。在文献[5]中比较详细地讨论了矢量跟踪的过程。文献[6]中比较了不同的相干积分方法,文献[7]中提出了用VDLL来估计弱信号的信号功率。文献[8,9,10]中分析了矢量跟踪算法在信号能量损耗和短暂遮蔽下快速重新跟踪的性能。
2VDFLL原理
2.1 VDFLL原理图
在VDFLL中,每个信道对应一颗可视卫星,每个信道包括一个码相位鉴相器、载频鉴相器、码数控振荡器、载波数控振荡器。EKF用信道码相位鉴相器和载频鉴相器的输出来更新用户的状态(包括位置、速度、钟偏、钟漂),EKF通过更新用户状态来控制每个信道的码数控振荡器和载波数控振荡器。载波数控振荡器生成接收信号的同相和正交两路信号,码数控振荡器产生超前、及时、滞后的接收伪随机码。在积分-清除的输出端每个信道产生6个相关输出。矢量接收机中传统跟踪的环路滤波器已不再使用。图1表明了VDFLL的原理[11]。
图1中即时支路相关输出为:
式中:ε是码相位估计误差;ferr是载波频率估计误差;θerr是载波相位估计误差;η是正态高斯白噪声;D(n)是数据比特;R(ε)是相关函数。在式(1)中R(ε+τ)和R(ε-τ)代替R(ε),可以分别得到超前、滞后相关输出。
2.2 载波和码鉴相函数
频率跟踪鉴相器使用即时支路相关输出测量一个更新时间后的载波相位的差值,本文使用如下鉴相器,其函数为:
此鉴相器只需计算一次四象限反正切函数,且鉴频结果与信号幅值无关,鉴相器必须在一个数据比特周期内进行计算,对于GPS C/A信号数据比特周期是20 ms。
码鉴相器利用超前、滞后相关输出进行鉴相,本文用超前减滞后功率法进行鉴相,其原理为:
式中:E2=IES2+QES2;L2=ILS2+QLS2。
2.3 EKF
VDFLL算法用EKF跟踪用户导航状态余差而不是用户状态本身,EKF的余差状态为:
式中:δP为位置误差;δV为速度误差;δA为加速度误差;δB为钟偏;δD为钟漂。这些参数都是指在ECEF坐标系下的数值。EKF滤波函数为:
式中:F为状态转移矩阵;W为过程噪声矩阵;wk-1是均值为0方差为σ
式中:Ts是EKF更新时间;Fx,Wx是矩阵F,W在X轴的分量,当用y,z代替式中x可分别得到Y,Z轴的相应方程。
同理可得时钟状态方程为:
式中:w*k-1时钟白噪声。利用式(3),式(4)可以很容易得到全状态方程。
EKF输出是对用户状态的实际估计,在每个测量更新周期内,各信道中用码相位和频率残差来表示估计状态残差。估计状态残差加到滤波器输出的状态估计中,最终状态残差矢量将趋近于0向量。
第j颗卫星的测量方程为[10]:
式中Δρj(Δfj)是在j信道中由接收机运动引起的伪距(多普勒频移)。
式中:γ是个常量,γ=c/fL1。观测矩阵Hj中axj,ayj,azj是用户位置到卫星视线矢量单元的分量,式(3),式(4)中的统计噪声决定滤波器测量噪声方差矩阵。
N颗卫星测量矢量为:
结合式(4),可得到N颗卫星测量矢量的方程。并由此得到各通道载波和码NCO控制量的输出Δρj,Δfj。
3仿真环境
本文通过使用真实GPS数据和生成噪声干扰GPS数据的形式来进行VDFLL算法的对卫星信号丢失或受干扰时候的性能。数据中频为9.548 MHz,采样频率为38.192 MHz,8 b量化,接收机静止,只进行GPS L1民用信号的跟踪,21,22,15,18,26,9和3号卫星可见[6]。
在仿真大约20 s时,22和18号卫星信号被试验噪声所中断,在10 s之后除掉噪声,信号回到正常状态。仿真中积分时间为20 ms,EKF更新时间为0.2 s,EKF的噪声方差矩阵依据以往经验确定,与接收机位置、钟偏、钟漂相关的观测矩阵对角线元素由手调谐来控制。
为了便于比较,同时对一个传统的Costas环和DLL来跟踪上面的信号,两个环路都进行与VDFLL一样20 ms的积分时间。Costas环噪声带宽为10 Hz,鉴相器为1/4反正切相位鉴别器。DLL噪声带宽为1 Hz,鉴相器为超前减滞后功率鉴相器。 图2(a)表示传统接收环路Costas环鉴相器输出值,图2(b)表示矢量接收环路鉴相器输出频差。由图可知,矢量跟踪环路输出频差更小,即定位更准确。
4仿真结果
图3表示跟踪22号卫星信号VDFLL频率鉴相器输出,当无干扰的时候,VDFLL能够快速地锁定PRN码和载波频率,在大约20 s时信号受到干扰,信号的载噪比降到VDFLL跟踪门限(本文VDFLL跟踪门限为25 dB-Hz)以下,噪声方差矩阵对角线上的元素相应变大,角线上的元素变大导致VDFLL算法无法正常进行测量,在大约30 s的时候,卫星信号恢复正常,恢复到之前的载噪比水平,噪声方差矩阵重新被设定EKF开始继续跟踪22号卫星信号。在信号被干扰期间,EKF忽略码相位和载波频率的测量,滤波器通过自身的预测来进行码相位和载波频率的估计。状态残差仅靠正常工作的21,15,26,9和3号卫星来更新。对于22号卫星信号的码相位和载波频率可以通过状态残差来预测,当干扰消失的时候它可以提供足够的精度让同相即时支路上的信号超过跟踪门限。当18号卫星信号出现相同情况时,VDFLL仿真得到的性能和22号卫星相似。
图4为传统跟踪环路在跟踪22号卫星时载波相位鉴相器的输出,在信号受干扰期间,Costas环忽略相位鉴别器的输出而保持原有状态直到干扰信号消失。此处的跟踪方法不同文献[3],可以给Costas滑动的能力,这样做的目的是为了更方便与VDFLL算法比较,但是在30 s之后Costas环相位估计误差还是超出了,这就说明在干扰噪声消失后,Costas不能锁定载波信号。
5结语
本文介绍了一种实用的VDFLL算法,在这里用的是非线性鉴相器,VDFLL通过EKF跟踪卫星PRN序列和载波频率来估计用户的位置、速度、时钟状态。并且通过GPS真实数据对VDFLL算法的性能进行了分析,特别是验证了VDFLL算法重新跟踪信号方面的优点,为了比较,用传统跟踪方法对同样的数据进行了处理。结果表明当信号被严重干扰时,VDFLL能够快速地重新跟踪信号,而当干扰消失时,传统的跟踪方法不能够重新锁定信号,这就引出了矢量跟踪的巨大应用前景。
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关于矢量传感器的实验研究分析 篇10
1 矢量传感器的指向性试验
1.1 实验仪器和设备配置
安静开阔的试验场地、四个同类的传声器、声压传感器两个、笔记本控制的音箱、矢量传感器、传声器调理仪、数据采集仪
1.2 试验条件
该实验是在一安静开阔的足球场进行的, 环境安静, 试验时间为2012年12月10日, 天气气温在18摄氏度以上, 晴转多云。
1.3 实验步骤
测量矢量传感器的指向性需要有固定的声源, 试验第一步是将试验仪器和设备准备齐全, 放置在开阔的足球场地, 检查试验传感器和实验仪器设备, 检查一切完好后, 用四个相同的传声器组成一个压差式的矢量传感器, 然后固定好两个声压传感器的距离, 使之相隔0.30米, 距离地面0.43米, 各种实验仪器和设备就绪后, 用电脑笔记本制作某种低空目标宽带信号的声音文件, 以电脑笔记本控制模拟声源音箱, 由笔记本控制的音箱循环播放制作的某种低空目标的宽带信号, 同时用矢量传感器接受这种循环播放的宽带信号;试验第二步是利用数据采集仪采集并记录第一步制作的声音文件传播的声源信号;第三步是根据第二步采集记录的信号数据进行处理分析, 算出每个接受低空目标宽带信号的平均声强值, 得出矢量传感器在实验中对声强相应的指向性, 最后对各种实验数据进行归一整理, 并绘制出相应的矢量传感器指向性图。实验绘制出的X、Y轴的声强指向性图如下:
1.4 实验结果
由上图可得出实验结果, 矢量传感器的质点粒子速度和生强行指向性基本保持是8字形的偶极指向性图形, 且很容易看出质点粒子速度的指向性不如矢量传感器的指向性, 从整体看, 沿X、Y轴的的原点指向性是最好的, 矢量传感器完全可以用在地面和低空目标的定向, 且在实际运用中采用声强矢量传感器的定向算法比较好。
1.5 试验结果分析
质点振速是矢量, 振速方向和声波传播方向是一致的, 以上矢量传感器矢量传感器又是由声压传感器和振速传感器组成的。一般在描述物理中声场时, 都是用声压来描述的, 当然也可以用质点速度描述。声压、质点速度与振速一样是矢量, 矢量传感器可以同时测量同一地点产生的声场中声压和质点速度, 可根据测量出的信息估计声强参数。虽然声强也是矢量, 但是声强的方向与声场中质点速度方向相同, 而声强的方向就是声源传播的方向, 也就是说声强和质点粒子速度的方向是被探测的低空目标信号的方向。在零度、一百八十度、九十度和二百七十度时指向性数据并没有如预期般聚集在圆心, 只有在270度和90度时才聚集在圆的中心, 这主要是测量试验场地不理想, 噪声造成的影响, 当然也不排除四个传声器性能不完全相同的可能性, 引起的矢量传感器指向性不对称。在实验中矢量传感器的声强指向性之所以比质点粒子的指向性好, 是因为矢量传感器的声强是由声压和声压同一处点的质点速度乘积得到的指向性, 而质点粒子速度的指向性是直接由声压计算得到的, 而同一处点的声压和质点粒子速度两者之间会相互干扰, 质点粒子速度的指向性没有考虑到这种相干扰的因素, 其计算不是一个相关计算, 对测量噪声亦没有矢量传感器的声强指向对测量声源噪声起到的抑制作用, 因此矢量传感器完全可以用在地面和低空目标的定向, 实际运用中采用声强矢量传感器的定向算法比较好。
2 结束语
矢量传感器可以测量目标的方位, 而且同时具有指向性等特点, 单矢量传感器还可进行多目标的分辨, 可以弥补传统声压器没有垂直分辨力的缺陷。文章试验研究的对象是空气声压差式矢量传感器在低空目标的指向性, 通过试验仪器、设备和相应的试验步骤采集并记录了相应的测量数据, 根据数据绘出相应的X、Y声强指向图, 并根据试验得出矢量传感器完全可以用在地面和低空目标的定向, 且采用声强矢量传感器定向技术, 可以在实际应用中提高其精度, 并对此试验结果进行了相应的分析。
摘要：随着经济科学的发展, 矢量传感器在通信系统和电子信息等方面的应用愈加广泛。文章通过采用实测的低空目标信号外场试验, 对由四个声压传声器组成的空气声压差式矢量传感器的指向性进行研究分析, 研究结果表明这种矢量传感器完全可以用在地面和低空目标的定向, 且采用声强矢量传感器定向技术, 可以在实际应用中提高其精度。
关键词：矢量传感器,实验研究,分析
参考文献
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