基于低轨星的通导融合安全定位技术体制与性能验证

基于低轨卫星L频段通信信号的通导融合安全定位体制,能有效解决卫星导航在抗欺骗性、信号处理、抗干扰及安全性等方面的不足,是对现有北斗卫星导航系统的补充备份,能有效丰富卫星导航系统的应用场景。本文通过设计安全定位技术体制,采用L频段通导融合信号播发导航电文方式实现导航定位与授时。本文仿真研究了不同载噪比和接收机时钟漂移对安全定位精度的影响,结果表明接收机存在时钟漂移且载噪比为60dB-Hz的条件下,定位精度随可见卫星数量增多而得到改善。当可见卫星数为3时,定位精度可达5m,并通过研制硬件样机对实际性能进行了验证。本文设计的通导融合安全定位技术体制对未来我国卫星互联网建设与发展具有重要参考价值。

轨道与钟差对低轨导航增强PPP性能影响分析

利用低轨卫星进行导航增强是实现精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)快速收敛的有效途径之一。针对低轨卫星轨道与钟差误差对增强PPP性能的影响,推导了适用于低轨卫星的空间信号测距误差(Signal in Space Ranging Error, SISRE)计算公式,并基于低轨SISRE开展仿真试验,讨论低轨轨道与钟差误差对PPP的贡献。仿真结果显示,低轨SISRE与中高轨卫星存在显著不同,其切向和法向占比最高可达30%以上,同时SISRE显著影响PPP的收敛时间。为了保证北斗与低轨联合PPP的性能,SISRE最好应小于0.06 m,最大不超过0.20 m。

广义阻尼LAMBDA方法及其在长基线实时定位中的应用

在长基线实时定位中,相邻观测值之间具有强相关性导致法方程出现病态,此时载波相位整周模糊度难以快速固定.针对这一问题,在传统阻尼最小二乘模糊度降相关平差(leastsquares ambiguity decorrelation adjustment,LAMBDA)方法基础上,提出了广义阻尼LAMBDA方法,并推导出载波相位模糊度的单历元解表达式.该方法利用了坐标和载波相位模糊度的先验信息,在改善法方程病态性的同时也提高了浮点模糊度的解算精度,有助于整周模糊度的快速固定.采用两条长基线(266 km和456 km)实测数据进行验证,改进后的方法相比于传统方法,载波相位模糊度固定率提高了28.8%;当放大因子c=0时,广义阻尼LAMBDA方法与传统阻尼LAMBDA方法等价.选择澳大利亚连续运行参考站系统(continuous operation reference system,CORS)网中四条长基线实时数据流进行测试,实验结果表明:在基线长度小于1 000 km的多系统实时定位中可以获得水平优于0.02 m,高程优于0.04 m定位精度.基于广义阻尼LAMBDA方法在长基线实时定位中具有一定的应用参考价值.

高动态GNSS接收机载波环性能评估与仿真

高动态GNSS接收机在航天和制导武器应用中越来越普遍,很多文献上都说明了接收机能够跟踪30 g,甚至更高动态的加速度,以及50 g/s以上的加加速度。从跟踪门限以及跟踪精度的角度出发,分析了各种跟踪环路的性能,找出了锁频环辅助锁相环的跟踪上界,并给出了二阶锁频环,三阶锁相环的各种噪声带宽下的理论下界,以及高动态GNSS接收机经常使用的辅助的三阶锁相环的仿真结果。所设计的跟踪环路已经在实际应用中得到使用,性能非常稳定,加速度能够达到50 g,加加速度达到60 g/s。

天象一号卫星自主实时定轨方法与评估

从低轨卫星的自主实时定轨的应用需求出发,详细描述了低轨卫星自主实时定轨的概念,并利用模块化思想将自主实时定轨分解成可实现的多个独立模块。在GNSS星载接收机平台上详细设计了硬件流程和硬件时序,确保了满足自主定轨的实时性要求。最后,在天象一号的GNSS星载接收机上完成了硬件实现和在轨测试,并利用实际飞行数据进行了各项指标评估。评估结果表明利用GNSS星载接收机可以满足实时定轨优于1 m的精度要求,可解决基于低轨通信星座的高精度时空基准建立和维持问题。

天象一号导航增强信号设计与性能评估

从低轨导航增强的服务需求和能力出发,以满足与北斗信号兼容和互操作为原则,详细设计了低轨导航增强(LEO enhanced Positioning and Timing,LePT)信号的各项参数,给出了频点选择、链路预算、码型设计、调制方式、符号速率以及信道编码实现方式等详细描述。在信息帧内容编排方面,设计了满足精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)以及完好性服务的信息帧,为基于低轨卫星的高精度、高可靠定位提供了技术手段。针对低轨导航增强信号与北斗信号的兼容互操作进行了仿真分析,量化评估了LePT信号的测距性能,结果表明,设计的LePT信号可以满足天象一号卫星低轨导航增强系统的设计目标和要求。

全球定位系统信号接收机射频模块的设计

主要以研究GPS接收机为目的,以Zarlink公司的GP2015型电路为核心进行GPS射频前端设计,其中主要包括二级滤波器和晶体振荡器等外围电路的设计,其关键是计算滤波网络参数以匹配带宽要求及整个电路的布局。对后端的相关和定位解算进行了相应的介绍,整个模块在GPS接收机中相对独立,可以作为独立的部分来设计.

高动态RDSS短报文通信入站信号的频率补偿研究

对于北斗二代导航系统,由于RDSS入站动态范围的限制,高速运动的载体无法进行短报文通信。先对RDSS信号无法入站的原因进行了分析,之后使用了RNSS+RDSS的方案对载体多普勒进行补偿,并重点对多普勒频率的获取以及补偿方式进行了理论分析与推导,接着利用终端设备对多普勒补偿方案进行了验证,结果表明该方案具备可行性,最终成功应用于某飞行载体当中。

数字射频存储器的旋转状态下GPS信号接收

目前国内对于GPS的应用大多是基于OEM板进行二次开发,无法对GPS信号进行深层次的分析和处理。主要研究基于数字射频存储器(DRFM)解决旋转状态下GPS信号的跟踪和定位问题,并利用Zarlink产品设计芯片级GPS接收机。介绍了数字射频存储器和GPS接收机的基本原理,提出利用数字射频存储器对GPS信号进行存储和处理,解决在某型火箭弹飞行旋转状态下GPS接收机的跟踪和定位问题。最后基于Zarlink公司芯片设计了GPS接收机。

GNSS软件接收机通用模块设计与实现

通过研究通用GNSS软件接收机软件的建模方法,提出了一种适用于GPS/Galileo软件接收机的架构设计方法以及一套通用的模块设计方法。为今后实现实时的多模软件接收机打下了基础,而且其中的各类算法模块、处理模块、图形模块具有很强的通用性,可复用于其他接收机系统。软件运行结果达到各项指标要求和具有硬件接收机数字中频信号采样后的所有功能。

天象一号低轨导航增强系统研究与在轨试验验证

如何实现GNSS全球瞬时高精度服务一直是GNSS领域的迫切需求和研究热点。采用低轨导航增强技术体制,利用低轨卫星运动几何变化快的特点,解决GNSS精密单点定位快速收敛问题和性能提升问题,是GNSS高精度定位服务未来发展的重要方向。从全球瞬时高精度服务内涵出发,阐述了天象一号低轨导航增强试验系统的技术体制,包括系统工作模式、兼容互操作与通导一体化信号体制,以及实时自主定轨、快速高精度定位、完好性监测服务等。仿真试验和在轨试验表明基于低轨增强可在1min左右实现厘米级的高精度定位性能。

弱信号环境下北斗导航接收机位同步算法研究

为了满足在弱信号环境下的使用并提高接收机跟踪灵敏度,在接收机中采用锁频环进行载波跟踪是非常有必要的。由于锁频环并不对相位进行跟踪,造成相关器的能量不集中在同相支路,而是同相/正交支路均包含有信号能量,致使传统接收机的同步算法无法使用。为了解决弱信号环境下的同步问题,提出了2种新同步算法,进行了理论推导和算法描述,在实际接收机中完成了实现,并给出了测试结果。结果表明,2种新同步算法在弱信号环境下均能实现比特同步和帧同步,是一种行之有效的同步算法。

GNSS兼容型快速捕获模块设计

卫星导航系统信号格式日益多样化,在高精度测量型接收机中几乎要接收和处理所有卫星导航系统信号,因此实现兼容性极强且高效的捕获模块非常有必要。为了解决多系统多频点的兼容型捕获问题,同时考虑到捕获速度和资源限制,在原基础上提出了一种新的捕获模块设计方案,解决了兼容性问题并大幅度提升了捕获速度。根据算法模型完成了仿真实现,并在高精度测量型接收机板卡上进行了实际验证,满足捕获当前所有卫星导航信号的要求,同时还可以兼容捕获未来的北斗全球系统信号。

多径环境下的欺骗检测方法

欺骗式干扰正在成为全球卫星导航应用安全性的一个严重威胁。斜率检测法具有良好的工程应用前景而受到广泛关注。但是在多径环境下传统斜率检测法检测有效性大大下降以致检测算法失效。针对这一问题,对传统斜率检测法的检测门限做了论证,利用奈曼-皮尔逊准则来设定合理的欺骗检测门限值,最终实现了多径环境下的欺骗检测。为了解决欺骗检测在实际应用中的问题,通过对欺骗攻击过程进行分析,理论分析了欺骗检测算法对欺骗攻击的门限值与检测虚警概率的关系。并通过仿真实验,验证了理论分析的正确性。

一种GPS高精度测速方法

GPS技术的发展对GPS接收机的测速精度提出了更高要求,普通测速算法中采用的多普勒为平均多普勒,已不能满足观测时刻高精度测速的需求。针对这一问题,提出了一种改进的GPS高精度测速方法,通过推导观测时刻的多普勒和对接收机运动状态的估计来达到高精度测速结果的输出。将改进算法移植到接收机中对接模拟器进行速度精度测试,结果表明该算法相较于普通测速算法能够提高测速精度,证明了提出算法的有效性和可实现性。

GPS L2频率P(Y)码跟踪及FPGA实现

P(Y)码的稳定跟踪是GPS双频高精度接收机中必不可少的一项功能,也是接收机中的主要关键技术。由于P(Y)码含有未知的加密码且L2 P(Y)载噪比较低,实现L2 P(Y)码的载波跟踪有多种困难。为了实现高精度接收机的P(Y)码跟踪,采用了半无码跟踪(Z跟踪)技术,根据交叉相乘的原理,利用L1支路的短积分值获得的W码符号位,交叉相乘L2支路的短积分相关值,消除加密码W码的影响并采用长相干积分的方式,实现了L2 P(Y)的稳定跟踪。在硬件平台上实现了无周期P码的生成,交叉相关算法的实现,长相干积分以及P(Y)码捕获和跟踪等关键技术,并最终实现了在FPGA硬件平台上的稳定跟踪。

Shaping相关器在BOC信号中的抗多径性能分析

为了克服原有抗多径算法在偏移二进制载波(BOC)信号上性能不如粗捕码(coarse/acquisition code,C/A码)的缺点,并消除BOC信号在跟踪时特有的多峰模糊特性,将一种新的参考码应用在BOC信号的跟踪中,并与窄相关器以及高分辨相关器(HRC)技术进行了比较,分别给出了多径误差包络,从仿真结果中得出了最佳参考码码型,并根据最佳参考码分析了成形(Shaping)相关器的噪声性能。Shaping相关器消除了多峰模糊的特点,并在多径误差包络上要优于窄相关器以及HRC算法,也很容易在原有基础上修改实现。该研究为未来的导航接收机中Shaping相关器的应用打下了坚实的基础。

城区环境下鲁棒定位算法

在城区环境下,不依赖于辅助的手段,获得定位结果面临两大困难.由于信号非常微弱,接收机不能获得伪距等观测量导致无法得到定位解.接收机即使通过弱信号处理等增强措施,获得伪距等观测量,但是由于观测量误差较大,依然不能获得满足要求的定位结果.本文主要针对以上两个问题,提出了各自的解决方案:常规接收机需要完整跟踪4颗或者以上的卫星才能获得定位结果.在城区环境下很难有4颗以上的卫星同时满足要求,因而无法实现定位.本文提出了一种新的方法来解决该问题.只要接收机进入到跟踪模式,即获得1ms以内的观测量即可实现定位.通过延长相干积分的方式,即使信号功率电平在解调门限以下,只要接收机能够跟踪信号,就可以获得定位结果.针对城区环境下多径现象引入的测距误差,导致定位结果偏差较大,本文利用故障诊断的原理,对获得的伪距观测量进行非线性加权处理来改善定位精度.为了验证该算法,采用实际采集的数据来进行验证.

GPS软件接收机信号处理算法

为了在通用处理器上实现GPS软件接收机功能,提出了一套适用于GPS软件接收机的信号处理算法。考虑到GPS软件接收机与传统的GPS接收机的信号处理算法在捕获、跟踪、观测量提取等诸多方面的不同,该算法以本地预存的载波表与码表来产生跟踪中需要的本地载波与伪码,增加了软件接收机的信号处理效率。基于该算法,在M ATLAB平台上实现了一个非实时的GPS软件接收机,并利用实际卫星信号进行了测试。测试结果表明,其定位结果的误差标准差为6.3m。该研究为实时GPS软件接收机的实现打下了基础。

走自主创新之路，推北斗国际应用

经过二十多年的不断开拓发展，中国北斗卫星导航系统（BDS）已成为与美国GPS系统、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）、欧盟伽利略系统（Galileo）比肩而立的全球四大卫星导航系统之一。2013年北斗系统正式投入运行，其定位、测速、授时精度均可与GPS精度相媲美，并已在测绘、电信、水利、交通运输、勘探、渔业、气象、森林防火和国家安全等诸多领域得到广泛应用，产生了较为显著的经济效益和社会效益。