全球导航卫星系统反射信号几何关系数值分析

采用光学近似几何模型研究全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)的几何关系,对反射信号经不同路径传播所产生的等延迟区和等多普勒区进行了分析,对等延迟线和等多普勒线进行了数值推算和仿真。给出了几何模型中不同参量变化对等延迟区和等多普勒区影响的仿真结果。指出卫星高度角、接收机高度和速度是导致等延迟线和等多普勒线变化的主要因素。在此基础上,讨论了在遥感实际应用中等延迟区和等多普勒区的有效作用范围及提高时延多普勒分辨单元的方法。

星下点观测的星载卫星导航反射信号海面风矢量极大似然估计

该文针对星载全球导航卫星反射计(GNSS-R)镜面反射信号对海面风向不敏感导致海面风向反演难问题,分析非镜向海面散射信号特征,提出星下点非镜向观测模式,定义该模式下海面风矢量敏感特征观测量,在此基础上提出基于星载GNSS-R海面风矢量极大似然估计(MLE)反演算法直接利用两颗及以上导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演,并提出风矢量搜索算法提高反演效率。通过搭建星载GNSS-R仿真平台验证算法的可行性和评估算法性能。结果表明:所提算法可直接利用非镜向独立观测模式下的多颗导航卫星散射信号反演得到海面风速和风向;多星观测可消除观测几何导致的模糊解从而将海风风向4个模糊解降至2个模糊解,但无法消除海浪谱的对称性导致的海面风向模糊解。在2~25 m/s的风速内,当信噪比(SNR)大于11 dB时,3星观测的风速均方根误差(RMSE)优于2 m/s,风向的均方根误差优于15°。

基于进退法的全球导航卫星系统反射信号镜面反射点的估计算法

通过研究全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)几何关系及其镜面反射点算法,确定镜面反射点问题为一维单峰凸函数极值搜索问题后,提出基于进退法的镜面反射点估计算法,并论述了进退法在镜面反射点位置估计中的理论可行性。该算法摒弃了传统算法思想中用角度去确定镜面反射点位置信息所带来的一系列问题和缺陷,转而采用计算最短反射路径长度来确定反射点的位置,不仅降低了算法的复杂性,更提高了镜面反射点的计算准确性。采用英国UK-DMC卫星于2004年11月16日测到的海洋数据来验证进退法的正确性,利用MATLAB仿真软件对进退法与传统算法进行了仿真结果分析。实验仿真结果表明:进退法可以正确估计GNSS-R镜面反射点的位置信息,并且具有迭代次数少,运算速度快,算法效率高的特点。

全球卫星导航反射信号遥感的镜面反射点快速估算

近年来,利用全球卫星导航反射信号(global navigation satellite system reflectometry,GNSS-R)进行遥感应用已经成为遥感领域的新技术。镜面反射点是星载GNSS-R遥感测量和建模的主要参考点,其估算的精度和速度对GNSS-R遥感有着显著影响。提出了星载GNSS-R接收机测量中GNSS-R镜面反射点的快速估算方法。首先,总结了镜面反射点的几何特征。根据几何特征,进行了镜面反射点的粗估算。然后,提出了基于角平分线变步长校正精确估算镜面反射点的位置,并通过迭代实现了镜面反射点的精确定位。最后,通过仿真实验验证了所提算法具有较好的准确性和快速性。

全球卫星导航系统中欺骗信号优化检测仿真

欺骗式干扰严重威胁着全球卫星导航系统(GNSS)民用接收机的安全,必须对接收机所接收到的信号进行欺骗信号优化检测。高级的欺骗式干扰能产生精细化的码相位和载波多普勒,致使传统的欺骗信号优化检测方法失效。针对上述问题,提出了一种基于欺骗信号重构的欺骗信号优化检测方法。方法在最大似然估计(MLE)定位技术基础上,通过最大化MLE的代价函数后进行欺骗信号重构,再从原始信号中减去重构的信号,最后通过检测残留信号的成分,进而检测出欺骗信号的存在。同时利用广义似然比检验(GLRT),给出了该方法的检测性能。仿真结果表明,上述方法能准确检测出欺骗信号,提高了接收机的抗欺骗式干扰性能。与已有的方法相比,提出的方法的检测性能更加优越。

北斗卫星导航系统在轨信号监测与数据质量分析

导航信号质量监测平台由全向天线及高增益接收天线单元、监测接收机、下变频器、信号采集存储设备和PC信号质量分析软件组成,实现了在轨卫星的数据层长期评估和信号层精细分析。利用导航信号质量监测平台,对北斗、GPS、GLONASS等卫星信号的时域、频域、调制域、相关域、测量域等质量进行了评估,并对码减载波、码相位相干性和信号相关峰等关键指标进行了具体分析与比较。结果表明:目前北斗系统在轨信号质量与GPS信号质量相当,略优于GLONASS信号质量。

基于黄金分割法的卫星导航信号镜面反射点预测研究

针对利用全球导航卫星系统(GNSS)反射信号进行遥感时镜面反射点位置获取精度低、迭代次数多、计算速度慢的问题,提出了基于黄金分割法预测镜面反射点的预测方法。研究了镜面反射点的特性及其几何关系,通过计算仿真,发现镜面反射点预测是一维单谷凸函数极值搜索问题。将卫星发射机和接收机的位置作为搜索区间,根据黄金分割法的搜索原则插入新的搜索点,依照路径最短原则逐步缩小搜索区间来获取镜面反射点的位置。实验仿真结果表明,所提出的算法具有精度高、反射路径最短、迭代次数少、收敛效率高以及运算速度快的特点。

改进的全球卫星导航系统阵列抗干扰方法

针对全球卫星导航系统(GNSS)阵列接收机采用多级维纳滤波进行降秩处理时,若在期望方向混入连续波干扰后会导致性能变差甚至是信号相消的现象,提出了基于前置自适应陷波器的组合改进方法。该方法在基于广义旁瓣相消结构的均匀圆阵上进一步采用Householder变换实现了算法的数值计算。仿真和试验表明整个系统构架具有很好的抗期望方向连续波干扰和抗宽带干扰的性能。

北斗卫星导航系统信号设计的进展及发展趋势

北斗卫星导航系统(简称北斗系统)全球系统的信号设计是我国第二代卫星导航系统建设中的一项重要任务。频率资源的限制、GNSS兼容与互操作的要求以及不断增长的定位、导航与授时(PNT)服务需求,给北斗系统全球系统的信号设计工作带来了严峻的挑战。经过数年的不懈努力,我国在信号设计方面取得了重要进展,提出了多个技术水平先进、富有创新性的信号设计方案,为建设具有中国特色、世界先进的北斗系统全球系统提供了重要的技术支撑。

基于北斗导航卫星反射信号探测海浪的实现与分析

基于北斗卫星导航系统在亚太地区的良好覆盖能力,利用中国气象局、山东气象局及北京航空航天大学在威海联合开展的北斗反射信号海洋遥感试验所采集的海风海浪系统的探测数据与同址同期的浮标数据,着重对北斗GEO卫星反射信号(BDS-GEO-R)探测海面有效波高的可行性进行了分析和检定,并对比分析同期浮标数据。结果表明,北斗反射信号探测海浪结果与浮标数据具有良好的一致性,海面浪高的探测精度为10 cm。最终证明了利用北斗反射信号探测海洋浪高的可行性。

全球4大卫星导航系统浅析

为进一步研究卫星导航系统,对现有4大全球卫星导航系统进行对比分析:从星座、信号体制、坐标和时间系统以及服务性能等方面,对北斗卫星导航系统(BDS)、全球定位系统(GPS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)和格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)进行对比;指出BDS的优势。结果表明:BDS在系统星座和信息编码上有较大优势,系统服务性能与GPS和Galileo相当,并优于GLONASS;BDS基于地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)及中圆地球轨道(MEO)的星座分布,可提升亚太地区的定位精度和可用性;BDS采用的64进制低密度奇偶校验(LDPC)编码优于其他系统的编码方式,相比GPS的二进制LDPC编码,可带来0.6~1.2 dB的额外增益。

北斗卫星反射信号岸基海面高度反演精度的评估

北斗B3I信号作为新一代民用码,相较于北斗B1I信号,具有码速率更高、码片宽度更窄等特点。目前,利用北斗卫星导航系统反射测量(BDS-R)技术对北斗B3I信号进行海面高度反演的研究较少。基于此,在2020年9月7日山东威海附近海域,接收B1I/B3I双频段的直射和反射信号数据,分别采用时延-多普勒(DDM)和载波相位延迟进行岸基海面高度反演。通过实测的同比数据验证反演精度,在信号特性和测高方法2个维度评估北斗B1I和B3I信号海面高度反演的性能。结果显示:采用DDM测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为1.18 m、1.48 m和0.84 m、1.10 m;采用载波相位延迟测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为0.12 m、0.15 m和0.10 m、0.12 m。由于信号特性差异,B3I频段的DDM测高结果相较于B1I频段的测高结果精度提高了28%;B3I频段的载波相位延迟测高结果精度略优于B1I频段,两者差异不明显。实验对北斗B1I和B3I信号特性和测高方法导致的反演精度差异的评估,证明了B1I和B3I反射信号均能适用于海面高度反演的需求。

岸基北斗IGSO卫星反射信号相位测高

针对全球导航卫星系统反射信号的特性和我国北斗导航卫星系统反射信号在海面测高应用上的特点,证明了利用北斗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星反射信号对湖面和海平面进行岸基载波相位测高的可行性。实验分湖面和海面2组进行研究,用相位测高结果与实际测量结果对比的均方根误差(RMSE)描述测高结果的精度。在湖面岸基实验中,接收天线到湖面的相对高度为5.2 m,IGSO7和IGSO10卫星相位测高结果的RMSE值达到厘米级,分别为3.23 cm和4.98 cm。在海面岸基实验中,海面的潮位高度差约2 m,利用相位测高结果可以反演海面潮位。IGSO8卫星相位测高结果的RMSE为17.96 cm,IGSO9卫星相位测高结果的RMSE为15.27 cm,IGSO10卫星相位测高结果的RMSE为16.38 cm。通过分析IGSO卫星仰角的变化,发现较大的卫星仰角变化率可以提高相位测高的结果的精度。

岸基GNSS反射信号有效波高反演研究

在岸基全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)反射信号观测几何关系和GNSS直反射信号协同处理结构的基础上,提出了反射信号相关通道动态适配策略。在所设岸基仿真条件下,5个反射相关通道可接收超过90%以上场景的所有GPS反射信号,为岸基反射信号接收机反射通道数目的设计提供了参考。从理论和试验2个角度,研究论证岸基场景下不同频点或不同系统的GNSS反射信号,建立统一的有效波高反演模型。验证结果表明,利用定义的归一化有效反射信号(Interferometric Complex Field,ICF)相关时间,GPS L1和L5信号通过同一反演模型,均方根误差分别为0.30,0.28 m。

利用北斗GEO卫星反射信号反演土壤湿度

提出了一种基于北斗GEO卫星反射信号的土壤湿度长期连续探测方法,建立了土壤湿度反演模型,给出了信号处理的一般流程,并搭建陆基接收平台进行了验证试验。该方法采用GNSS-R双天线体制接收处理北斗GEO卫星直射和土壤反射信号,在信号同步的基础上提取信号功率并计算土壤反射率,进而根据反演模型得到土壤湿度。以北斗GEO卫星作为信号源,该方法可以在信号处理中省去一般GNSS-R处理过程的定位解算环节,能够实现对固定区域土壤湿度的长期连续观测。试验结果表明,基于北斗GEO卫星反射信号的土壤湿度反演结果在时间和数值上均具有良好的连续性,与土壤湿度参考值相吻合,均方根误差达到0.049,较北斗IGSO和GPS MEO卫星在反演土壤湿度方面性能更优。

SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法

提出了一种支持向量回归机(SVRM)辅助的北斗地球静止轨道(GEO)卫星反射信号土壤湿度反演方法。使用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)右旋圆极化(RHCP)天线和左旋圆极化(LHCP)天线接收体制进行了地基实验,采集了北斗GEO卫星直射、反射信号原始数据,并从中提取直射、反射信号的相关功率,结合北斗GEO卫星的高度角与方位角信息作为输入,烘干称重法获取的土壤湿度作为输出对使用径向基(RBF)核函数的ε-SVRM进行了训练。独立测试集上的结果表明,SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法获取的土壤湿度结果与烘干称重法获取的土壤湿度参考值误差控制在3%以内,线性回归方程决定系数为0.8979,均方根误差RMSE为1.4926%,证明了该方法具有良好的泛化特性,实际应用中效果良好。

基于MATLAB的卫星导航信号仿真和验证平台

提出了一种GPS/Galileo卫星导航信号仿真和验证平台的软件实现方法,给出了基于MATLAB软件的GPS/Galileo卫星导航信号仿真和验证平台的体系架构,详细描述了卫星导航信号仿真和验证平台主要模块的功能,并给出了实现方法。仿真结果和接收机定位结果验证了基于MATLAB的GPS/Galileo卫星导航信号仿真和验证平台的有效性。

基于北斗卫星反射信号的海面溢油探测方法及试验

为了监测小规模固定海域的溢油状况,针对岸基接收平台提出了一种基于北斗卫星反射信号的海面溢油探测方法,该方法将全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)技术应用于岸基条件下的海面溢油探测。进行了岸基试验,利用右旋圆极化(RHCP)天线和左旋圆极化(LHCP)天线分别采集北斗卫星直射与反射信号,在信号同步的基础上提取卫星直射和反射信号的相关功率,并结合北斗卫星的高度角与方位角信息,反演目标海域的介电常数来判断海面有无溢油。试验结果表明探测表面为油面时,介电常数反演结果均值为3.6,标准差为2.13,这与油的真实介电常数范围2.0~4.5一致,远小于海水介电常数,证明将GNSS-R应用到岸基海面溢油探测中具有可行性。

导航信号哪家强--不同气象条件下北斗三号卫星导航系统与GPS信号强度的比较

北斗三号卫星导航系统是我国自主研发的具有完全知识产权的导航系统,相对于美国全球定位系统(GPS),北斗系统开放得比较晚。我国在2020年建成北斗三号全球卫星导航系统,称之为BD-3。BD-3一共拥有30颗卫星,通过这些卫星星座编织出的覆盖地球每一个角落的信号天幕,将为全世界的社会发展和经济增长注入新的活力。

全球导航卫星系统接收器

该系列包括SE4110S全球定位系统（GPS）接收器和SE4120SGPS／伽利略接收器。这两款器件充分运用了芯片级封装技术，整个接收器解决方案的大小仅为2．2mm×2．2mm×0．4mm，较之现有的24引脚QFN封装，其尺寸减小70％。SE4120S内建了对软件定义GPS和伽利略卫星信号处理的支持。