低轨增强对北斗量化信号载噪比的影响

为了评估频点兼容下低轨增强对北斗信号接收的影响,从而指导接收机设计,通过概率统计理论推导了低轨增强下北斗信号的量化效应和载噪比损耗模型,并通过蒙特卡罗仿真给出了1~6 bit量化位宽下北斗信号的载噪比损耗与前端增益以及低轨增强功率的关系,仿真与理论结果的一致性较好。实验结果表明,北斗信号最小载噪比损耗对应的最优前端增益与低轨增强功率无关,但最小载噪比衰减值会随着低轨信号功率的增强而增大,1~2 bit量化位宽下有明显的量化损耗,3 bit及以上量化位宽下北斗信号载噪比衰减特性基本一致。

北斗时空数据的多粒度建模与挖掘算法研究

为了应对大数据环境下对北斗时空数据进行存储与分析时所面临的难题,通过构建多粒度时空数据模型,以实现高效的数据管理。通过结合DBSCAN聚类算法对停留点进行分析,并利用欧氏距离进行轨迹聚类,进而统计时空对象的停留次数、轨迹数量等关键属性。研究结果表明,所构建的模型在有效提升了数据处理效率的同时,还能够精准分析北斗时空数据的特性。多粒度建模与挖掘算法为北斗时空数据的广泛应用提供了有力支持,在智慧城市、交通规划等关键领域,展现出了不可忽视的重要价值。

北斗全球卫星导航系统工程技术与管理创新

北斗全球卫星导航系统由中国自主建设运行,具备向全球用户提供全天时、全天候、高精度定位、导航和授时服务能力,具有报文通信、国际搜救等功能。北斗全球卫星导航系统坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则,发挥新型举国体制优势,全面突破核心关键技术,创新发展工程管理模式,实现了国际卫星导航领域和我国航天领域的多个首创,提前半年完成建设,走出了一条符合我国国情、独具特色的国家超级工程发展道路。本文围绕北斗全球卫星导航系统任务要求,全面阐述工程任务组成、任务进程和系统应用,从“混合星座、通信导航融合、星间链路、导航信号、快速组网、核心产品国产化”等方面梳理系统技术特点与创新,并总结了北斗工程建设过程中组织、技术、进度、质量和运行服务等管理体系的创新举措。

PMF+双门限Tong检测的北斗B1I信号捕获算法

针对传统Tong检测算法检测时间长、漏警概率大的问题,提出将PMF+双门限Tong检测算法应用于北斗B1I信号的捕获中。首先,将射频前端模块处理得到的中频信号下变频至基带,对基带信号进行降速等预处理;然后,利用部分匹配滤波(PMF)算法计算相关值,通过PMF算法将数据信号分成几个均等片段,对每一段信号都分别计算相关值,会出现三组具有同相位的相关结果;最后,利用双门限Tong检测算法对PMF算法计算得到的相关结果检测,达到捕获B1I信号的目的。仿真结果表明,利用该算法捕获北斗B1I信号,有效提高了捕获时的检测概率并缩短了检测时间,提高了捕获B1I信号的速度。

基于ML估计的高动态GNSS信号快速捕获检测方法

针对高动态环境下GNSS因频域带宽增加导致捕获难度增大的问题,分析了接收端数字中频采样信号的传输特性及复基带信号经FFT模块处理后的相关峰的检测,提出了基于极大似然(ML)估计的高动态GNSS信号快速捕获检测方法。首先,根据随机信号的统计理论建立二元假设检验条件,构建了奈曼-皮尔逊准则下的GNSS信号捕获判决门限模型;其次,通过判决量的统计特性对等效高斯白噪声方差进行ML估计,根据其估计值计算捕获判决门限,其中通过虚警率的量化放大处理,解决了判决量样本值的增加带来的估计偏差问题;最后,对不同高动态条件下北斗B3I信号进行了捕获检测仿真实验。结果表明采用ML估计方法确定捕获判决门限从而提高高动态GNSS信号捕获的检测方法对高动态适应范围较宽,其频移捕获精度与SINS信息辅助捕获相当,比序贯检测算法提高约28%以上,相同条件下具有更快的平均捕获检测速度。

月球导航星座轨道的地球GNSS可见性评估

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。

基于双谱特征和CNN的导航欺骗干扰识别

针对卫星导航信号接收过程中的欺骗干扰信号隐蔽、危害大的问题,利用Matlab软件模拟产生发射机和干扰机的接收信号,利用高阶谱中的双谱的阶次低,具有良好的时频性能、分辨能力和聚能性,对角切片后进行二次特征提取,送入卷积神经网络进行干扰识别,在-10dB到20dB的加性噪声干扰条件下进行识别率分析,具有一定的有效性。

非视距环境下核密度估计的全球卫星导航系统鲁棒定位方法

非视距(NLOS)传输会引起全球卫星导航系统(GNSS)接收机的伪距测量误差,最终导致定位解出现较大误差,这一问题在城市峡谷等复杂环境下尤为突出。针对该问题,该文提出核密度估计的鲁棒定位方法,其核心思想是在定位解算中引入鲁棒估计来缓解NLOS的影响。考虑到NLOS引起的伪距观测误差偏离高斯分布,所提方法首先利用核密度估计(KDE)方法估计伪距观测误差的概率密度函数,并利用该概率密度函数来构造鲁棒代价函数用于导航解算,从而缓解NLOS引起的定位误差。实验结果表明所提方法在卫星存在NLOS传输时能够较好地减小GNSS的定位误差。

局部鲁棒预处理的DME干扰抑制方法

全球定位系统(Global Positioning System, GPS) L5/北斗B2/Galilea E5是全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)的重要组成部分,为民用航空提供与生命安全相关的应用服务.然而L5/B2/E5信号处于受保护的航空无线电导航服务(Aeronautical Radio Navigation Service, ARNS)频段内(962~1213 MHz),同时工作在该频段内的还有民用航空导航系统测距机(Distance Measuring Equipment, DME)等. DME发射的大功率脉冲信号会对L5/B2/E5等卫星导航信号造成干扰,使得接收机无法正常捕获卫星信号或导致跟踪环路失锁.传统的DME干扰抑制方法通过在干扰稀疏域,如时域、频域和时频混合域进行DME干扰置零,这会在抑制干扰的同时完全消除与干扰重叠的卫星信号.为了降低DME干扰抑制对卫星信号的损失,本文提出基于鲁棒统计理论的局部鲁棒预处理的DME干扰抑制方法,根据DME干扰所在的稀疏域特性提取出存在干扰的信号片段后,应用非高斯分布下的鲁棒统计理论对提取出的数据样本进行鲁棒预处理,从而在抑制干扰的同时降低对卫星信号的影响.实验结果表明本文所提出的稀疏域局部鲁棒预处理的DME干扰抑制方法的性能优于相应的传统稀疏域方法,输出捕获因子比传统稀疏域方法提高1~2 dB.

多分量LFM干扰及动态环境下DBOC信号的捕获

针对双二进制偏移载波(double binary offset carrier,DBOC)信号在多分量线性调频(linear frequency modulation,LFM)干扰和动态环境下捕获算法缺乏的问题,提出布莱克曼窗预处理结合分数阶傅里叶变换(fractionalFouriertransform,FRFT)的干扰抑制算法以及离散多项式相位变换(discretepolynomial-phase transform,DPT)、部分匹配滤波器(partial matching filter,PMF)结合快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)加频谱校正的捕获算法。该算法首先对接收信号做布莱克曼窗预处理,抑制干扰谱线输出旁瓣,提高干扰汇聚的精确性;然后利用分级算法快速搜索信号的最优阶数,在保证精度量级的条件下减少了运算量;最后,在对应的最优阶数下做FRFT,结合干扰判断和轮询算法,逐个完成多分量LFM干扰的抑制。对干扰抑制后的信号首先利用定阶算法确定其动态阶数;然后通过DPT对动态信号做降阶处理,去除动态项;最后利用PMF-FFT加频谱校正完成DBOC信号的捕获。仿真结果表明,所提算法能够准确并完全地对三个LFM干扰分量进行逐个抑制,且抑制后的干扰分量不会对其他干扰分量的抑制造成影响。在检测概率达到1时,经过布莱克曼窗预处理后算法的信噪比比经过汉明窗预处理和经过凯塞窗预处理后算法的信噪比分别提升了4 dB和6.4 dB,比未经过预处理算法的信噪比提升了7.2 dB。此外,使用频谱校正可以突出捕获峰值,提高捕获精度。与未经频谱校正算法相比,经过频谱校正后算法的信噪比提升了1.6 dB,且能减少一定的捕获时间。

“卫星导航信息安全”专刊导读

全球卫星导航系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统,可提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时服务,是国家经济建设、国防建设、交通运输的重要基础设施,已从最初的军用导航定位服务深入到许多民用专业应用领域.然而,随着导航技术的广泛应用和干扰手段的市场化.

空频抗干扰对GNSS载波相位测量的影响

对于全球导航卫星系统(GNSS)的抗干扰,最有效的是采用自适应天线阵技术,但这种抗干扰处理会引入与信号入射方向相关的载波相位测量偏差,限制了其在高精确度测量领域的应用。为减小抗干扰处理的偏差,引入测量偏差及其分析方法,建立仿真模型,并搭建软件接收机进行实验。结果表明,在不增加额外约束的条件下,采用空频最小方差无畸变响应算法实现空频抗干扰处理器,不会引入载波相位测量偏差,非常适用于对抗干扰性能和测量精确度均有苛刻要求的场合。

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”卫星导航系统稳定运行及可用性提升方法

“北斗”卫星导航系统是我国建设的首个巨型复杂星座系统,为确保系统高效、健康、稳定运行,其星座运行管理要求极高。为更好地开展在轨管理工作,提升对“北斗”卫星运维的支持能力,强化保障系统稳定运行的技术手段,加强与运控、测控、星间链路管控等各地面系统之间的信息共享与沟通协同,研制并建设了“北斗”卫星在轨技术支持系统,并采取了多种方法有效提升了“北斗”系统可用性。“北斗”卫星在轨技术支持系统实现了卫星在轨遥测数据、地面测试数据、运行业务数据、第三方在轨服务监测数据等的互联互通,具有导航星座在轨状态管控、健康评估、风险评估、故障诊断及处置等功能,该系统的应用有力保障了“北斗”导航系统的连续、可靠、稳定运行。

“北斗”卫星导航系统服务演进及展望

“北斗”三号全球卫星导航系统自正式开通服务以来,在国民经济、国防安全、人民生产生活等方面发挥了至关重要的作用。本文介绍了“北斗”系统服务体系构成,围绕路线设计继承发展、服务功能高度集成、增量发展螺旋上升三大特点,总结了“北斗”系统定位导航授时、报文通信、导航增强与国际搜救四类服务演进,详细论述了各服务的设计特点和性能,结合全球卫星导航系统新一轮变革研判了“北斗”系统服务发展趋势,并从系统稳定运行、服务性能提升、多手段融合赋能三大方面提出了发展建议。

高动态卫星导航信号多普勒频率模拟方法

针对卫星导航信号模拟源在高动态场景下对多普勒频率模拟难度较大的现状,提出了一种基于相位重置的三阶DDS导航信号模拟算法。该方法从卫星与接收机之间的相对运动物理模型着手,建立了一种基于数字电路的三阶DDS模型,可有效地模拟出高动态场景下导航信号中含高阶项的多普勒频率。此外,通过对三阶DDS模型中关键参数进行相位重置以避免累计误差。在计算机中进行仿真,其结果表明在速度为10000 m/s,加速度为1000m/s^(2),急动度为1000 m/s^(3)的高动态场景下,该算法相较于传统算法多普勒频率模拟精度提升了31 dB,且不会因急动度增加导致精度恶化,多普勒频率模拟精度可达-36 dB或更高。说明该方法在高动态场景下可精确地模拟导航信号的多普勒频率,且具有一定的鲁棒性。

基于PMF-FFT的北斗B2a信号捕获算法研究

为了对北斗三号B2a信号进行快速且准确地捕获,提出了一种基于PMF-FFT的捕获算法。首先,通过建立数学模型,分析了PMF-FFT算法的特性;然后,对PMF分段长度、FFT运算点数、相关积分时间、非相干积分次数和判决门限等参数的选取进行了详细地分析;最后,利用Matlab工具对PMF-FFT捕获算法性能进行了仿真与分析,验证了算法的有效性,为算法的实现解决了首要问题。

基于“北斗”系统的高中低轨融合导航性能提升研究

面向日益增长的导航定位授时服务需求,本文研究了“北斗”系统与低轨卫星系统融合发展的方案,提出了融合星座系统发展路线。基于“北斗”系统的核心导航星座高精度时空基准、星间互联,实现低轨卫星快速的时空基准溯源以及“北斗”与低轨星座间的信息互联,构建以“北斗”系统为核心,低轨卫星系统为扩展的融合星座,借助低轨卫星数量多、全球监测、观测几何变化快的特点,进一步提升导航服务性能,实现效益最大化。

北斗三号系统卫星自主完好性监测技术

完好性对于全球卫星导航系统(GNSS)来说至关重要,关乎到其能否被放心应用。卫星自主完好性监测(SAIM)技术,是完好性监测技术发展的前沿趋势,国内外卫星导航系统均竞相发展。介绍了北斗三号系统SAIM技术设计与实现的重要意义,从功能设计和实现原理两个方面,阐述了北斗三号SAIM技术体制。针对SAIM实际在轨监测数据的正态分布特性服从程度和长期稳定性等问题,随机选取某一颗中圆轨道(MEO)卫星自2020年7月31日北斗三号系统正式开通服务以来至2021年7月31日连续1年期间的监测数据,得到真实在轨监测数据的分布特性。最后,提出了告警门限优化、分级告警策略设计、星历完好性自主监测等方面的后续发展必要性建议,旨在为北斗系统更好地为全球用户提供更优质的完好性服务提供参考。

基于星链信标信号的多普勒定位方法与实验

未来十年全球将陆续发射数以万计的近地轨道卫星,组成巨型星座,这将为定位导航应用提供大量不同频段、带宽和制式的机会信号。为了便于利用卫星机会信号,设计一种轻量级模块化的通用型接收设备,率先观测到星链卫星下行信号频道间间隔中心处的信标信号(11.95 GHz/12.45 GHz)。基于该信标信号提出多普勒提取和定位方法,并开展外场实验,接收获得6颗星链卫星的信号,利用其实现接收站定位。接收机的三维定位误差为28.9 m,水平定位误差为11.8 m,验证了星链信标信号用于多普勒定位的实际有效性。