面向服务的新一代卫星导航系统空间段关键技术

为持续提升卫星导航系统的服务性能、满足用户更加专业和多元的需求,世界各国均在持续开展卫星导航技术的研究,加紧推动新一代卫星导航系统的规划部署。本文系统梳理了当前世界各国面向服务的卫星导航系统空间段技术最新发展情况,对空间段技术发展特点进行了总结,基于对系统服务性能贡献度和密切相关度的分析,提出了四大类空间段创新技术,分别为:时空基准技术、高精度高完好信号播发处理技术、可信导航技术、高集成全数字化载荷实现技术,给出了基本要求与关键技术,可为我国卫星导航系统后续研究与工程化应用提供参考。

“北斗”短报文通信现状与发展

“北斗”短报文通信是中国导航卫星的一项特色能力。“北斗”短报文具有区域短报文和全球短报文两种服务模式,为用户提供包括单向位置报告、应急搜救和端到端双向报文通信业务。目前,“北斗”短报文已得到广泛应用,而且随着应用技术不断开发、应用需求的持续拓展,未来“北斗”短报文应用领域将具有深远的应用前景,能大幅度提高社会经济效益。

星间链路发射机时延零值的数字标定算法

针对传统示波器观察法不适合星间链路发射机时延零值的高精度标定问题,提出了一种采用数字信号处理技术的标定算法。对星间链路发射机输出微波信号和卫星时间基准产生的秒脉冲信号进行双通道同步过采样,对秒信号的电平阶跃段进行直线拟合,确定零值起始参考点;对发射机信号采样数据进行抽取,对抽取后的样本进行部分相关捕获,完成信号的相位初始捕获后,初始同步点前后一个样本点范围内精细搜索,确定发射信号中的伪码起始点;根据采样频率以及测试电缆和衰减器的时延校正值,计算得到星间链路发射机零值。分析和试验结果表明,与国际上通用的示波器直接观察法比较,提出方法克服了整码片模糊问题,标定精度提高一个数量级。

采样频率误差对OFDM系统的影响和估计方法

分析了正交频分多路(OFDM)系统中采样频率偏差对系统性能的影响,提出了一种基于导音的采样频率偏差估计方法.通过建立数学模型,推导出存在采样频率偏移时系统信噪比的近似计算公式,定量地估计采样频率误差对系统性能的影响.结果表明,输入信噪比相同时,采样频率增大将恶化系统性能,采样频率偏差一定时,随输入信噪比或系统子载波数目的增大,系统输出性能恶化进一步加剧.通过连续重发两个相同的OFDM符号,应用最大似然估计方法确定采样频率偏差.分析计算表明,该方法具有简单、精确的特点.

一种全球定位系统卫星C/A信号通道绝对时延标定算法

为了精密测量全球定位系统(GPS)卫星C/A(Coarse/Acquisition)信号发射通道时延,提出了一种采用数字信号处理技术的标定算法.对GPS卫星输出的C/A导航信号和时间保持系统的Z计数脉冲进行双通道同步采样,在数字域完成C/A信号预处理后,进行多速率数字信号处理,获取C/A信号中伪随机码起始点;结合Z计数脉冲信号样本数据的处理结果,计算得到C/A信号发射通道的绝对时延.采样率为10GHz时算法标定结果的不确定度低于0.2ns.

BOC信号通道零值精密测试方法

导航卫星导航信号发射通道的设备自身时延是星地组合时延的一个组成部分,在实际定位和授时应用中必须扣除,因此,卫星在地面测试中必须进行通道零值标定。通道的零值测试精度将直接影响用户的测距精度和时间传递精度。文中给出一种采用数字域部分相关处理技术的导航卫星BOC(binary offset carrier)信号发射通道零值测试方法,对BOC信号和导航卫星秒脉冲1PPS(1Pulse Per Second)信号高速率同步采样,对BOC信号采样数据进行载波相位相关处理,积分时间低于一个伪随机码周期,处理后得到采样数据中伪随机码起始点,结合1PPS采样数据,计算得到BOC导航信号发射通道的零值。采样频率10GHz时,提出测试方法的测量不确定度优于0.2ns。

一种新的突发OFDM传输系统定时和载波频率捕获联合算法

提出了一种新的正交频分多路 (OFDM)传输系统定时和载波频率捕获联合算法 .该算法仅需要一个训练符号 ,既用于定时恢复 ,也用于载波频率捕获 ,额外开销量小 ,因此 ,提出的算法适合于突发模式的OFDM传输系统 .定时和频率捕获算法的实现均在时域进行 ,而且OFDM帧同步和符号同步能一次完成 ,简化了同步实现的复杂度 .由于使用自相关处理 ,定时恢复对频率偏差具有较强的鲁棒性 .此外 ,训练符号中参考符号的重复扩展了频率估计范围 ,频率捕获的范围完全满足突发OFDM传输系统的要求 .仿真结果表明 ,即使在频率选择性衰落信道中 ,提出的算法也能快速地实现定时和频率捕获 .

一种新的导音辅助OFDM符号定时算法

提出的算法仅利用一个导音符号来进行符号定时恢复 ,适合与突发模式的正交频分多路( OFDM)信号 ,而且 OFDM帧同步和符号同步能一次完成 ,简化同步实现的复杂度 ,算法采用自相关计算 ,对载波频率偏移具有较强的鲁棒性 .仿真结果表明 ,即使在频率选择性衰落信道中 。

基于时分处理的BOC信号通道时延标定算法

卫星导航信号发射通道的设备自身时延是星地组合时延的一个部分,卫星在地面测试中必须进行通道时延标定。针对导航卫星BOC(binary offset carrier)调制导航信号发射通道绝对时延,提出了一种采用时分处理的时延标定算法。在完成导航卫星输出BOC导航信号和时间保持系统产生的秒脉冲信号双通道同步采样后,在数字域对BOC采样信号进行预处理和串并变换,将高速数据流变换为多路低速率数据流,对每路信号频率码相位捕获,从而得到BOC信号发射通道绝对时延。计算机仿真表明在采样率10 Gsa/s时提出算法的标定不确定度优于0.2 ns。

输入输出相关处理的RDSS通道零值测试

为了准确测量无线电测定业务(RDSS)通道零值,提出一种基于循环相关处理的测试方法.采用真实的RDSS信号作为测试信号,对导航卫星RDSS业务通道输入和输出进行同步过采样,然后对采样后的输入和输出信号进行希尔伯特变换、载波旋转,对载波旋转后输入输出信号进行循环相关处理,搜索相关峰值,由峰值点确定循环位移量,最后结合采样频率和测试系统的标校时延,计算得到了RDSS业务通道零值.提出的测试方法采样频率10GHz时,其测量不确定度优于0.2ns.

数字域谱估计的GNSS系统信号带宽测试方法

针对传统的单载波扫频法不适于GNSS(全球导航卫星系统)信号生成通道的带宽测量的问题,提出了采用数字信号处理的信号带宽方法。对实际导航信号进行高速采样,在数字域对采样的导航信号和本地数字生成的理想导航信号进行频谱估计和计算,从而得到GNSS信号带宽。分别使用周期图法和Welch法谱估计,对提出的测试方法进行仿真。仿真结果表明,采用Welch法进行理想信号和实际信号谱估计,对谱估计后的结果进行计算,可以完成GNSS信号带宽精密测量,在Welch法估计参数设置合理的情况下,GNSS信号带宽估计的准确度可以达到99.9%以上。

导航卫星导航信号频谱自动监测和判读软件设计

提出了一种导航卫星导航信号频谱自动化监测和判读软件设计和实现方案,该软件利用控制计算机通过通信端口控制频谱分析仪,进行分时设置各频点导航信号详细频谱参数。对频谱分析仪的显示屏幕进行屏幕拷贝、计算机机界面显示和自动保存,通过采集频谱分析仪的频谱数据,进行数据处理,得到每个频点导航信号在指定带宽内的通带功率,与预定的门限比较,超出门限,则判定异常,通过音箱,立刻发出报警声音,提醒相关人员进行及时处理。

导航卫星上行注入与测距性能测试系统设计

导航卫星的上行注入与测距性能是卫星导航系统服务精度一个重要保证,设计了一种导航卫星的上行注入与测距性能测试系统;该系统以控制处理计算机为核心,并结合了专用设计的基准频率发生器模块、基准时间发生器模块、注入信号发生器模块和通用商业化仪器,能实时动态地模拟导航卫星在轨期间接收地面注入信号的情形,完成导航卫星上行注入性能测试中电文信息的生成和比对以及上行测距性能测试;该测试系统稳定、灵活,测量精度高,而且可以通过修改测试软件参数来满足新的测试要求,便于测试系统的升级改造。

一种Eureka-147数字声音广播系统频率捕获算法

提出了一种新的Eureka-147数字声音广播(DAB)系统的频率捕获算法.该算法采用了基于相邻子载波之间差分检测的频率估计,消除了符号定时误差引起的相移影响,根据频率估计测度的最高值与其左右邻近值关系将粗频率估计分辨率提高到0.5,频率捕获残留的载波频率偏移减少到-0.25～0.25,避免了通常的精频率偏差估计算法在±0.5左右时性能严重恶化的问题.

基于数字包络检波的RNSS通道时延标定方法

提出一种采用数字处理的时延测试方法,用于对导航卫星导航信号发射通道分数码片时延的精确测量。该方法是通过高速A/D（模/数）转换器,对导航卫星下行的BPSK（二进制相移键控）信号和卫星导航秒脉冲进行双通道采样,读取采样数据并进行数据处理。根据秒脉冲信号触发门限上升沿确定时延测量起点,对BPSK采样数据进行平方律检波,获取码片换相点,计算换相点和秒脉冲之间的分数码片时延,并进行滤波器时延校准,从而得到导航卫星发射链路的分数码片时延,该方法不需要进行伪随机信号的捕获和跟踪,测量精度主要取决于采样器采样率。通过在测试中使用一根校准电缆对该方法进行验证,验证结果表明,采用本文提出测试方法的测量误差优于0.3ns。

一种星间链路天线时延零值测试方法

星间链路收发天线的时延零值是星间测距时延的组成部分,其标定精度影响星间的测距精度,从而影响编队飞行的星座系统性能。提出的星间链路天线时延标定方法,利用星座系统配置多个星间链路天线特点,取待测天线两两组合,通过星间链路发射机和星间链路接收机组成测试系统,测量组合时延。根据各组合时延值、测试通道的零值校准结果以及收发天线的空间传播时延,通过数据处理得到各测试天线收发星间链路信号时的绝对时延。提出的测试方法不需要专门的校准天线,采用与星间链路传输信号体制一致的测试信号,测试结果能真实反映星间链路信号传输时延。试验系统的测试结果表明,采用提出方法的天线时延标定精度可以优于0.5 ns。

一种快速正交频分复用频率跟踪算法

提出了一种快速的正交频分复用(OFDM)系统载波频率跟踪算法,该方法采用基于变步长的自适应滤波算法.经过频率粗同步后,以变步长的最小均方算法(VLMS)进行频率补偿.在算法的初始使用大的步长值加快算法的收敛速度,然后使用小的步长使残留的频率偏移最小.由于不需要训练序列,故该算法是盲的,没有频带效率损失.仿真结果表明,所提出方案能显著提高误码率性能,高精度的频率偏移估计几乎可以使频率偏移得到完全补偿,且算法的收敛速度比固定步长的算法快得多.

导航信号IQ正交性测试软件设计与实现

针对通用的商用仪器不能适用现代导航信号IQ正交性的测试要求,开发一种基于Matlab GUI环境的导航信号IQ正交性测试软件。该软件通过网络接口控制高速数字示波器,对导航信号源的秒脉冲信号和导航信号进行双通道高速数据采样,根据秒脉冲信号确定导航信号起始点,截取导航信号数据,采用本地数字波形对导航信号进行匹配滤波和伪随机码同步等数字信号处理,精密估计I和Q支路载波初始相位,从而得到IQ正交性测试结果。软件具有界面友好,操作简单,显示直观等特点。仿真测试结果表明,在典型载噪比情况下,测试软件所得到的测试结果随机误差小于0.5°。

基于LCCMA的OFDM-CDMA通信系统抗多址干扰算法

OFDM-CDMA系统中,在多径传播和其他同频干扰存在时,接收机会收到多个恒模信号,针对这种情况,文章提出一种基于线性约束恒模算法(LCCMA)的盲抗干扰方法,该方法结合了通常的旁瓣消除器和恒模算法,用于消除多址干扰对系统的影响。分别对不同用户数目的系统进行计算机仿真,结果表明,采用本算法后,能有效地抑制多址干扰,极大地提高了系统的性能。

用自监测信息的卫星钟长稳特性评估软件设计

利用卫星钟相位差的自监测信息进行在轨导航卫星星钟长稳性能估计的方法实现简单,能满足实际评估需要。由此开发了相应的软件。该软件读取地面接收机解调的卫星自监测信息,通过软件操作完成卫星钟各观察时段主备钟相位差计算,然后通过分析实现卫星钟长稳特性评估。软件具有卫星主备钟监测相位计满程刻度的修正功能和野值剔除功能,能修正由于各卫星钟实际频率与标称频率差异带来的相差计算误差,剔除小概率频率突变值,降低长稳特性评估的误差。软件界面友好,操作简单,在导航卫星在轨测试和在轨管理中得到应用。