مقاوم‌سازی حلقه ردیابی فاز حامل در گیرنده های GPS با دینامیک زیاد با استفاده از کنترل‌کننده فازی تنظیم‌شده مبتنی بر الگوریتم ژنتیک به منظور ناوبری دریایی

نوع مقاله: کوتاه

نویسندگان

1 استاد دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

GPS دقیق ترین روش را برای ناوبری، اندازه گیری سرعت و تعیین مکان برای دریانوردان فراهم می کند. برای اندازه‌گیری دقیق فاز حامل سیگنال‌ها از حلقه قفل فاز (PLL) استفاده می‌شود. حلقه کاستاس یکی از انواع PLL است که به دلیل بار محاسباتی کم و ساختار و معماری ساده، آن یکی از پر استفاده‌ترین PLLها در گیرنده GPS شده است. نویز فاز و دینامیک بالا بر روی طراحی PLL تاثیر می‌گذارد. برای ردیابی سیگنال‌های دینامیک بالا، نیازمند پهنای باند نویز بالا هستیم. با این وجود، پهنای باند نویز بالا باعث می‌شود که نویز بیشتری از حلقه فیلتر عبور کند. برای کاهش نویز حرارتی باید فیلتری با پهنای باند نویز باریک طراحی شود. از طرفی پهنای باند نویز کم در شرایط دینامیک بالا عملکرد حلقه ردیابی را کاهش می‌دهد و منجر به از دست رفتن حلقه می‌شود. برای حل این مشکل از یک کنترلر فازی (FLC) برای تنظیم پهنای باند نویز به‌طور وفقی استفاده شده است. این FLC یک سیستم دو ورودی-تک‌خروجی است که توابع عضویت آن با استفاده از الگوریتم ژنتیک (GA) بهینه شده است. نتایج مقایسه این روش با روش‌های سنتی نشان می‌دهد که روش جدید در ردیابی سیگنال دینامیکی عملکرد بهتری داشته است. عملکرد الگوریتم پیشنهادی توسط چندین شبیه‌سازی تایید شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Robust Carrier Phase Tracking Loop in GPS Receiver with High Dynamic using Fuzzy Logic Controller Adjusted based on Genetic Algorithm for Marine Navigation

نویسندگان [English]

  • S.M Mousavi 1
  • A Kamali 2
چکیده [English]

GPS provides accurate measuring of velocity and positioning for marine navigation. Phase Lock Loop (PLL) is used to measure signal carrier phase accurately. Thanks to easy architecture of Costas loop, it has been one of the most-used PLL in GPS software receiver. Phase noise and high dynamic situation effects on PLL designing. To track high dynamic signals, wider loop noise bandwidth is desirable. However, a wide bandwidth allows noises to pass through the loop filter. To reduce the thermal noise, the filter loop with narrow loop noise bandwidth should be designed. But it degrades the tracking loop robustness in high dynamic situation and result in loosing lock. To solve this problem, we have used a Fuzzy Logic Controller (FLC) to tune loop noise bandwidth in an adaptive manner. This FLC is a two inputs and one output system which its membership functions has been optimized with Genetic Algorithm (GA). Carrier phase and its delay version go to FLC as input data. According to changes of input, the loop noise bandwidth changes adaptively. This work has been compared with some traditional methods and the performance of the proposed tracking loop is verified by several simulations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • PLL
  • Costas Loop
  • GPS
  • High Dynamic
  • Fuzzy Logic-GA Controller
[1]  Mosavi, M. R. and Rahemi, N. “Positioning Performance Analysis using RWLS Algorithm based on Variance Estimation Methods”, Journal of Aerospace Science and Technology, Vol.42, pp.88-96, 2015.

[2]  Rahemi, N. Mosavi, M. R. Abedi, A. A. and Mirzakuchaki, S. “Accurate Solution of Navigation Equations in GPS Receivers for Very High Velocities using Pseudo-range Measurements”, Journal of Advances in Aerospace Engineering, Vol.2014, pp.1-8, 2014.

[3]  Mosavi, M. R. Soltani Azad, M. and EmamGholipour, I. “Position Estimation in Single-Frequency GPS Receivers using Kalman Filter with Pseudo-Range and Carrier Phase Measurements”, Journal of Wireless Personal Communications, Vol.72, No.4, pp.2563-2576, 2013.

[4]  Roncagliolo, P. A. De Blasis, C. E. and Muravchik, C. H. “GPS Digital Tracking Loops Design for High Dynamic Launching Vehicles”, IEEE Conference on Spread Spectrum Techniques and Applications, pp.41-45, 2006.

[5]  Mao, W. L. Tsao, H. W. and Chang, F. R. “Intelligent GPS Receiver for Robust Carrier Phase Tracking in Kinematic Environments”, IEE Proceedings of Radar, Sonar and Navigation, Vol.151, No.3, pp.171-180, 2004.

[6]  Kamel, A. M. “Design and Testing of an Intelligent GPS Tracking Loop for Noise Reduction and High Dynamics Applications”, the 23rd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2010), pp.3235-3243, 2010.

[7]  Kim, K. H. Jee, G. I. and Song, J. H. “Carrier Tracking Loop using the Adaptive Two-Stage Kalman Filter for High Dynamic Situations”, International Journal of Control Automation and System, Vol.6, No.6, pp.948-953, 2008.

[8]  Jwo, D. J. and Wang, S. H. “Adaptive Fuzzy Strong Tracking Extended Kalman Filtering for GPS Navigation”, IEEE Sensors Journal, Vol.7, No.5, pp.778-789, 2007.

[9]  Wang, J. Liang, Q. Liang, K. and  ShangGuan, W. “A New Extended Kalman Filter based Carrier Tracking Loop”, IEEE Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, pp.1181-1184, 2009.

[10]  Lashley, M. Bevly, D. M. and Hung, J. Y. “Performance Analysis of Vector Tracking Algorithms for Weak GPS Signals in High Dynamics”, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, Vol.3, No.4, pp.661-673, 2009.

[11]  Psiaki, M. L. and Jung, H. “Extended Kalman Filter Methods for Tracking Weak GPS Signals”, in the Proceedings of ION GPS/GNSS, pp. 2539-2553, 2002.

[12]  Yang, Y. Zhou, J. and Loffeld, O. “GPS Receiver Tracking Loop Design based on a Kalman Filtering Approach”, 54th International Symposium ELMAR-2012, pp.121-124, 2012.