Swarm卫星星载接收机GPS信号中断统计特征分析

本文聚焦于欧空局Swarm卫星星载接收机在中纬地区出现的GPS信号中断事件,利用其近9年(2014年1月至2022年9月)的观测数据,详细统计了GPS信号中断事件发生的时空分布特征及与背景等离子体密度起伏的关系.研究结果表明Swarm卫星在其接收机锁相环带宽从0.75 Hz调整至1.0 Hz前后,GPS信号中断事件表现出不同的时空分布特征.在前一个时期,2014年1月1日至2016年8月11日,GPS信号中断事件主要分布在低纬磁赤道附近和高纬极区附近,少量中断事件分布在中国东部地区;而在后一个时期,2016年8月12日至2022年9月30日,GPS信号中断事件则出现在了所有的纬度,同时表现出显著的经度差异.前一个时期内GPS信号中断事件表现出了明显的季节依赖,而后一个时期内出现的GPS信号中断事件则出现了无季节特性的弥散状分布.该结果表明当Swarm星载接收机锁相环带宽调整至1.0 Hz时,虽然提升了其应对电离层闪烁条件下多普勒频移的动态调整范围,但同时也增加了接收机载波相位观测的热噪声,进而导致接收机产生了一些随机的短时信号中断.除了上述不同,两个时期内的GPS信号中断事件也表现出了一些共同特征,比如信号中断事件主要均集中在GPS卫星相对于Swarm处于较低仰角(<20°)的情况下;同时这些事件主要发生在发射较早的BlockⅡR和BlockⅡA类型GPS卫星上,暗示了随着发射年限的增加与星载设备的老化,GPS卫星的稳定性会逐渐降低.通过进一步对比分析Swarm卫星出现与未出现GPS信号中断轨道对应的原位电子密度观测数据,发现GPS信号中断的轨道其对应的电子密度波动更剧烈,表明背景等离子体密度的梯度强度是引起Swarm星载接收机在中纬地区出现GPS信号中断的重要原因.本文的研究结果对于星载接收机的设计优化,特别是提升其在电离层闪烁条件下的稳定性有重要的参考意义.

航天GPS接收机设计

航天GPS接收机为航天器提供航迹、姿态、时间和相对距离等导航信息 ,提高航天器运行的自主性。文中介绍了清华宇航中心航天GPS接收的硬件和软件设计 。

星载GPS接收机的可见星预测方法

GPS接收机在低轨卫星上有广泛的应用。事先预测可见GPS卫星有助于接收机快速捕获。地面接收机直接取仰角大于的GPS卫星为可见卫星,这一判决方法不适用于星载GPS接收机。根据GPS卫星天线覆盖范围,提出了一种对轨道高度分段讨论的基于仰角的可见卫星判决方法。通过MATLAB和STK仿真得到这一方法的平均预测正确率和召回率都大于93%。因此,这种方法适用于不同低轨轨道高度、不同航天任务的星载GPS接收机。

基于动力学轨道外推的星载辅助GPS快速搜索方法

星载GPS接收机广泛应用于卫星实时导航定位、定时。只要捕获到至少4颗可见GPS卫星,GPS接收机就能完成一次定位。但由于星载GPS接收机处于高动态运动状态,无法接收外界辅助信息,因此大部分星载GPS接收机仍然采用轮询搜索方法对所有GPS卫星进行捕获,导致定位时间长。在此背景下,提出一种星载辅助GPS(AGPS)快速搜索方法,通过减少捕获次数来缩短定位时间。方法以卫星轨道运动规律为辅助信息,基于动力学轨道外推预测星载GPS接收机的概略位置,然后通过计算俯仰角实时判断GPS卫星对星载GPS接收机是否可见。星载GPS接收机可以优先捕获可见的GPS卫星,从而减少捕获次数,缩短定位时间。仿真结果表明,相比于轮询搜索、决策树搜索方法,为搜索到相同颗可见GPS卫星,星载辅助GPS快速搜索方法需要的捕获次数最少;并且,随着轨道高度增加,星载辅助GPS方法需要的捕获次数增加得最慢。

基于卡尔曼滤波的抗电离层闪烁跟踪算法研究

针对电离层闪烁可引起星载GPS接收机传统锁相环(PLL)跟踪环路测量误差增大从而降低接收机定位及测速精度的问题,引入自适应带宽环路,提出一种基于卡尔曼滤波的抗电离层闪烁载波跟踪环路,给出了卡尔曼滤波跟踪环路结构与建模过程,主要包括系统模型与观测模型的建模过程。采用AJ-Stanford电离层闪烁模型生成闪烁数据,仿真分析不同强度的幅度闪烁,比较基于卡尔曼滤波的跟踪环路与传统PLL跟踪环路的性能,卡尔曼环路的鉴相值标准差与载波相位误差均比传统PLL环路小。仿真结果表明:当幅度闪烁时,基于卡尔曼滤波的跟踪环路鲁棒性与跟踪精度均优于传统的PLL环路。