Multi-h C波段导航信号调制方式及性能评估

近年来,L波段(1164~1610 MHz)频谱拥挤日渐严重,我国北斗卫星导航系统可用资源明显不足,基于频谱资源的不可再生性,探索研究新频段迫在眉睫。鉴于目前C波段导航信号设计尚不成熟,各国对C波段卫星导航信号体制也都还处于探索研究阶段,我国有必要预先开展C波段卫星导航信号研究。处于C波段中5010~5030 MHz的卫星导航信号具有较少的频谱干扰、较低的电离层误差等显著优势,但仅有的20 MHz带宽对诸如射电天文业务(Radio Astronomy Service,RAS)和微波着陆系统(Microwave Landing System,MLS)等相邻业务频段的射频兼容性要求极为严苛。首先提出将多调制指数(Multi-h)的正交频分复用-连续相位调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Continuous Phase Modulation,OFDM-CPM)联合调制方式应用于C波段卫星导航;其次,在分析关键参数对Multi-h OFDM-CPM信号功率谱特性影响后,选取关联长度L为64、调制指数h为0.5的单调制指数(Single-h)OFDM-CPM(10)信号和h为[1/16,3/16]的Multi-h OFDM-CPM(10)信号作为C波段候选导航信号;最后,对包括兼容性、码跟踪精度、抗多径干扰在内的基础导航性能指标进行评估。研究表明,OFDM-CPM调制方式能很好兼顾C波段信号的带外约束性和导航性能要求,OFDM-CPM(10)h=[1/16,3/16]信号在所述各个基础导航性能指标上均表现最佳,在兼容性方面能弥补OFDM-CPM(10)h=0.5信号的略微不足。然而考虑到多调制指数会增加接收机复杂度,因此在C波段导航中,只有当接收机采用低复杂度检测算法时,Multi-h OFDM-CPM信号才会是比Single-h OFDM-CPM信号更佳的选择。

基于STK的BDS星座仿真和性能分析

利用卫星仿真工具包(STK)设计和建立了北斗卫星导航系统(BDS)的全球星座;在此基础上,选取南北半球不同经纬度的11个城市作为观测点,分别获得了BDS和全球定位系统(GPS)的可见星数和几何精度衰减因子(GDOP)的值,并按照5°×5°的空间分辨率,仿真了全球范围内BDS和GPS的可见星数和GDOP值;仿真结果表明,全球星座的BDS具有与GPS同样优良的导航性能,其在亚太地区的性能甚至更优于GPS,完全可以为用户提供高性能的满足所需导航性能(RNP)的导航服务。

基于ADS-B的飞机冲突探测

面对飞行流量持续快速增长、民航空域资源日益短缺的状况,对飞机间的潜在冲突进行有效探测,是避免飞机间危险接近或碰撞发生的关键。对飞机周围区域进行合理建模,给出了一种基于广播式自动相关监视(ADS-B)技术的确定型冲突探测算法,充分利用ADS-B报文提供的经度、纬度、速度和航向等信息及其报文高更新率等特点,预先排除无威胁飞机,然后分别从水平和垂直两个方向对飞机之间的冲突进行探测。运用Matlab进行功能仿真,结果表明该算法能有效排除无威胁的飞机,并且能够对有威胁的飞机及时给出告警。该算法对保证自由飞行条件下的飞行安全具有积极意义。

基于ADS-B意图信息的航迹预测改进算法

在飞行冲突探测和恶劣天气情况下,单纯利用跟踪滤波算法无法准确判断目标飞机未来的飞行动态。为了有效提高航迹预测精度,针对广播式自动相关监视(ADS-B)信息中意图信息对航迹的影响,提出了一种基于ADS-B意图信息的航迹预测改进算法。该改进算法先通过残差均值交互式多模型(RMIMM)算法,推算出目标飞机的飞行状态参数和飞机运动模式,再结合天气状况、飞行计划和空中交通管制规章进行意图估计,最后通过飞行状态参数、飞机运动模式以及意图信息共同预测目标飞机的航迹。运用蒙特卡洛方法进行仿真,结果表明,与现有算法相比,该改进算法不仅能提供更加精确的航迹预测,而且降低了意图推断的时间延迟。

高级接收机自主完好性监视的可用性预测

高级接收机自主完好性监测(ARAIM)是单频RAIM的扩展。基于对垂直保护限值(VPL)和有效监视门限(EMT)的分析,给出了垂直方向ARAIM的VPL实时和预测算法;对LPV-200进近,从单星座ARAIM的可用性出发,研究了双星座、多故障情况下ARAIM的可用性;对世界范围内ARAIM的可用性进行仿真,给出仿真统计,并对中国西部航路区域ARAIM的可用性进行仿真,结果表明,在双星座双频情况下,可用性设置为99.9%时ARAIM的算法覆盖率可达100%,完全满足LPV-200进近对完好性的要求。

EGNOS系统增强服务的原理与实现

欧洲地球同步导航重叠服务(EGNOS)系统提供的增强服务有三类,即测距功能、广域差分校正和GNSS完好性通道。系统深刻阐明了这三类增强服务的原理与实现过程,给出了相关的算法,并推导了相应的计算公式和计算过程。

ADS-B与TCAS II数据融合算法研究

面对空中交通密度越来越大,TCAS II在实际应用中暴露出的虚警和不必要告警等问题愈加明显。为了提供可靠连续的监视信息,提高防撞系统的性能,给出了一种ADS-B与TCAS II组合监视数据融合算法。该算法首先建立了飞机状态空间模型,并分析了ADS-B和TCAS II数据内容和特点,然后研究了数据融合前需要解决的关键问题,利用Kalman滤波器对数据进行处理,采用了在线性最小方差意义下的按标量加权最优信息融合准则和算法对数据进行融合。对该算法进行仿真,结果表明融合后的数据估计误差比任何一个传感器单独估计的误差都要小,说明该算法能够得到较高精度的数据,有效增强了防撞系统的性能。

双卫星故障条件下的RAIM可用性研究

现有的关于接收机自主完好性监测(RAIM)算法大部分是基于单颗卫星故障的假设,但随着GPS技术的发展,多颗卫星发生故障的可能性已不能再被忽视,特别是两颗卫星同时发生故障的情况。本研究基于对水平定位误差保护级(HPL)的分析,从一颗卫星故障的可用性出发,推导出两颗卫星故障时的可用性。率先给出了在两颗卫星故障的情况下,天津区域内RAIM算法的可用性。仿真结果表明:两颗卫星故障的可用性低于单颗卫星故障的可用性。

以分配函数的概念认识冲激信号δ(t)及复合函数δ[f(t)]

指出了狄拉克对单位冲激信号δ(t)定义的不严格性,从分配函数的角度给出了δ(t)的严格定义,并证明了δ(t)的尺度特性及其复合函数δ[f(t)]的性质,列举了3个错误应用δ[f(t)]性质的例子,指出了错误的实质,并给出了正确的解答过程。

新一代民用客机自主式数据总线

本文在简要阐述 ARINC 429 和 MIL-STD-1553B 总线应用所受限制的基础上,介绍了90年代美国民航界推出的一种自主式数据总线 ARINc629的设计要点,包括其通信协议。各终端信源数据在总线上的周期传输和非周期传输、信息传输的种类和方法及终端的功能框图,最后给出了此总线在新一代民用机中的应用情况。

大型障碍物影响下航向信标敏感区的划设

国际民航组织给出了仪表着陆系统航向信标(localizer,LOC)敏感区划设建议,但没有考虑大型障碍物的影响,也没有提供相应理论说明。中国民航正在提升仪表着陆系统的运行等级,必须评估大型建筑物对该敏感区的影响。聚焦机载LOC接收信号的调制度差(difference in depth of modulation,DDM),分析研究大型障碍物产生的LOC反射信号、边缘绕射信号及尖顶绕射信号对DDM的影响,基于双频20单元LOC阵列天线建立DDM计算模型,仿真分析了铁质和水泥材质大型障碍物在不同位置时对DDM的影响,获得了大型障碍物影响下LOC敏感区,并为国内某条实施III类运行跑道附近的机库改造提供相应建议。

基于MHSS算法的ARAIM完好性和可用性预测

传统的接收机自主完好性监视只能提供非精密进近阶段的完好性监视,无法实现对完好性要求更加严格的飞行阶段的监视,而高级接收机自主完好性监视(Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring,ARAIM)可以在精密进近阶段为飞机提供满足航向信标性能垂直引导(Localizer Performance with Vertical guidance,LPV)的完好性监视服务。文章基于多假设分组解算法,根据目前的星座环境,结合民航不同飞行阶段的应用需求,对ARAIM算法进行仿真研究。针对水平保护级(Horizontal Protection Level,HPL)和垂直保护级(Vertical Protection Level,VPL)的指标,在不同星座组合环境下,选取南北半球不同经纬度的5个观测机场,分别仿真了HPL和VPL的变化情况,并对全球HPL和VPL平均分布趋势,以及以99%的概率满足LPV-200进近可用性指标时,ARAIM可用性的全球覆盖率进行了仿真预测分析。仿真结果表明,不论是全球定位系统和格洛纳斯双星座还是增加北斗卫星导航系统后的三星座,5个观测机场的HPL和VPL均能满足LPV-200进近对完好性指标的要求;但在全球范围内,双星座条件下,ARAIM并不能完全支持LPV-200进近对完好性监视的要求,而三星座则可大大提高ARAIM的可用性,为民航用户提供满足精密进近的所需导航服务性能。

ARAIM可用性预测系统的设计与实现

随着全球导航卫星系统空间星座的增多以及双频技术的发展,用于航路阶段的常规接收机自主完好性监测算法不能满足LPV-200进近对完好性的要求,因此,出现应用于进近阶段的高级接收机自主完好性监测(ARAIM)技术。针对LPV-200进近,基于对垂直保护限值的理论分析,研究ARAIM可用性预测算法,并设计ARAIM瞬时可用性预测系统。仿真结果表明,该系统能满足LPV-200进近对完好性的要求,在中国区域内,当可用性设置为99.9%时,ARAIM预测算法的覆盖率可达100%。

机载光纤数据总线信号调制形式研究

本文通过对MIL－STD－1773推荐采用的双光平Manchester码调制及另外三种航空光纤数据总线信号的光调制方式－－脉冲位置Manchester码，三光平Manchester码和FSK调制进行了研究分析，指出了这四种调制方式所存在的缺点和不足，在此基础上给出了两种在MIL－STD－1773光纤数据总线中很有希望的光调制形式－－部分三光平调制及数字FSK调制。

GPS/BDS双星座环境下陆基增强系统完好性研究

陆基增强系统(GBAS)是国际民航组织推荐的新一代精密进近着陆系统,其完好性是影响该系统导航性能的关键参数之一。为此,介绍全球定位系统/北斗导航系统(GPS/BDS)的时间和坐标系统,分析它们之间的转换和统一方式,并给出GPS/BDS组合定位模型。根据国际相关标准,研究基于GPS星座和BDS区域星座的GBAS伪距误差模型和保护级算法,并进行相应仿真。仿真结果表明,基于GPS/BDS双星座的GBAS完好性保护级要明显优于GPS或BDS单星座时的保护级,并且能够满足II/III类精密进近对完好性的要求。

信号类课群建设与实践

本文分析了以前通信专业信号类课程设置的不足,为此构建了新的信号类课程体系,给出了相应的课程体系结构图。本文还介绍了课群建设的内容和取得的成果,包括结合民航应用背景对课群的理论教学和实践教学内容进行整体改革和优化、学生实践能力培养以及师资队伍建设等。

基于声音信号的“信号与系统”教学方法研究

在"信号与系统"课程教学中,笔者研究并实践了一种基于声音信号的直观化教学方法。我们将多种实际声音信号引入课堂,对抽象原理用听觉和视觉两种感观形式直观展示,让学生直觉认识和理解信号与系统原理,大大改善了学生的学习效果;我们通过大量以声音信号为题材的工程实践,锻炼了学生运用理论知识解决实际问题的能力。

基于群体差异的分类实验教学体系设计与实践

面向电子信息工程CDIO实验班、通信工程和电子信息工程、通信导航+1班开设了信号与系统课程实验,针对3类受教群体具有相同专业属性、不同培养侧重的特点,研究设置了具有区分度的"三个面向"信号与系统实验教学内容,形成了两级实验指导模式,分类设计了实验项目类库,量化了实验考核,进一步构建了面向群体差异的分类实验教学体系,试行了改革措施,取得了良好效果,为同类型课程实验的差异化培养方式的设计、建立与完善提供了技术支撑和参考依据。

ADS-BINCPR编解码仿真及同频干扰研究

1090ES广播式自动相关监视(ADS-B)是国际民航组织(ICAO)推荐的一种监视模式。给出了ADS-B对目标飞机位置进行简洁位置报告(CPR)编解码的算法机理,仿真实现了报文收发的过程,并对收发的数据偏差进行了统计。同时,本文还通过建立接收模型,模拟仿真了二次雷达(SSR)A/C模式和S模式干扰信号以及本机接收距离对成功接收ADS-B报文的影响。研究结果表明,CPR算法对目标飞机位置编解码具有很高的有效性和准确性,减少同频干扰数以及缩短目标飞机和本机之间的距离,都能有效提高成功接收报文的概率。

基于ADS-B的飞机防撞算法

面对飞行流量持续快速增长,民航空域资源日益短缺,对冲突飞机进行有效的解脱,是避免飞机间发生碰撞的关键技术。对飞机保护区域进行合理建模,给出一种基于广播式自动相关监视(ADS-B)技术的冲突解脱算法,该算法有效利用ADS-B的数据精度高、更新快的特点,从水平方向上给出"保向变速"与"保速变向"两类解脱策略,从垂直方向上给出"爬升"和"下降"两种解脱策略。把飞机的水平速度、航向和垂直速度作为控制变量,通过计算冲突解脱的边界条件获得控制变量转换时间,从而找到可行的解脱方法。仿真结果表明,对于同一飞行冲突情形,并不是所有的冲突解脱策略都是可行的,但是对于可行的冲突解脱策略,需要由飞行员根据当时的具体情况去决定哪种解脱方式是最优的。