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。

基于GNSS载波相位的守时系统远程性能评估方法研究

为测试在建守时系统性能,提出基于GNSS载波相位的远程评估方法,并开展实验验证。以国家标准时间UTC(NTSC)为参考,基于西安和北京地区4个测站连续15 d的GNSS观测数据,分别采用PPP和载波相位共视(PCV)法解算得到待测守时系统相对UTC(NTSC)的时间偏差,然后对待测守时系统的相对频率偏差、频率稳定度等关键指标进行分析。结果表明,PCV和PPP时间传递链路的系统误差小,时间传递准确度高,采用PCV和PPP时间传递可准确测量相距较远的守时系统的频率稳定度、相对频率偏差等特性,可为下一步国产守时系统性能远程测试打下坚实基础。

光纤法珀传感器的改进型相位生成载波法解调

为解决相位生成载波-反正切解调算法(PGC-Atan)的非线性失真问题,搭建了基于改进型PGC-Atan算法的非本征型法珀传感器(EFPI)解调系统。首先,理论分析了载波相位调制深度(C)偏离最优值、伴生调幅、载波相位延迟等非线性因素对经典PGC-Atan算法中参与反正切运算的正弦与余弦两路信号的影响。然后,针对外调制或伴生调幅较小的情况,提出了一种基于系数补偿的改进型PGC-Atan算法(PGC-CC-Atan)。该算法通过构造与C值和载波相位延迟有关的系数,消除反正切运算中的非线性参数。针对内调制情况,提出了一种基于椭圆拟合的改进型PGC-Atan算法(PGCEF-Atan)。该算法通过基于分块矩阵的最小二乘法拟合椭圆并提取3个椭圆参数,进而将受非线性因素影响的正弦与余弦两路信号校正为正交信号。最后,通过仿真验证了改进型算法的正确性,并采用高调制特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)和常规腔长的EFPI等搭建PGC解调系统,对比经典PGC-Atan算法与两种改进型算法的解调性能,证实了改进型算法非线性失真抑制的有效性。实验结果表明:一定C值范围内,两种改进型算法可在非线性因素影响下有效解调。PGC-EF-Atan算法相较于PGC-CC-Atan算法,解调信纳比提升了11.602 dB,总谐波失真降低了10.951%。两种改进型算法中,PGC-EF-Atan算法对非线性失真的抑制效果更好,且解调线性度良好,准确度高。

面向激光测振应用的改进相位生成载波解调算法

为了解决相位生成载波解调方案应用于激光测振技术时,系统中存在的非线性失真问题,提出一种改进相位生成载波解调算法。该算法采用低频、大幅值的相位调制和迭代重加权椭圆特殊拟合对两路含有非线性误差的正交信号进行校正以抑制非线性失真。其中,低频相位调制由三角波信号驱动压电换能器生成,确保小信号情况下椭圆拟合结果的准确性。迭代重加权椭圆特殊拟合可以减小离群数据的影响并避免拟合结果退化为双曲线,具有精度高、鲁棒性好和计算效率高的优点。实验结果表明改进相位生成载波解调算法可以有效抑制激光测振实验系统的非线性失真,在不同相位调制深度(0.8~3.4 rad)下解调信号的信纳比和总谐波失真稳定,对应的标准差分别为0.55 dB和0.03%。系统的响应线性度优于99.99%,动态范围可达103.9 dB@500 Hz,总谐波失真为1%且工作频宽为20~8000 Hz。与传统相位生成载波解调方案相比,该算法不仅显著抑制了非线性失真,还克服了椭圆拟合算法在小信号下无法工作的缺点。

GNSS载波相位精密时间传递数据处理技术综述

精密时间传递是时频领域最为基础的工作之一,在科技、经济、军事和社会生活中具有重要作用.全球卫星导航系统(GNSS)因其众多优势成为精密时间传递的重要手段,尤其是近些年发展的基于高精度载波相位观测值的时间传递技术成为GNSS时频领域的研究热点.本文对GNSS载波相位精密时间传递相关的研究进行了全面总结,对其数据处理涉及的观测模型、模糊度处理方法进行了归纳阐述,对精准性、一致性、稳健性、连续性、实时性、完好性等技术进行了探讨,并指出该领域未来应该重点解决非差与差分处理模型统一性、不同机理融合时间服务统一性和天空地海地下时间服务无缝性问题.

基于三频观测的Multi_GNSS载波相位特性分析

载波相位观测噪声和多径误差是衡量载波相位观测数据质量的重要指标。采用三频消电离层无几何组合对GPS、BDS和Galileo系统的载波相位观测噪声和多径误差进行计算。选取IGS ARHT和MGO2两测站2021年连续30 d的数据,对上述GNSS系统的载波相位观测噪声和多径误差特性进行了分析,采用高阶谐函数对GPS Block IIF卫星的频间钟偏差进行模型化以降低其对DIF的影响,结论显示,各系统的DIF组合均方根值随着仰角的增大逐渐减小,在高仰角区间内比低仰角区间下降约90%;受残余IFCB的影响,GPS系统的DIF组合均方根值最大,约为BDS-2系统的3—7倍,约为BDS-3和GAL系统的20倍。

混合时间差分和非差分载波相位的无人机精密单点定位

针对精密单点定位(PPP)在载波相位模糊度估计值收敛之前,定位精度波动较大,这一阶段对于传统PPP技术来说需要几十分钟的时间,难以满足快速无人机作业需求,且时间差分载波相位(TDCP)技术可以消除模糊度等常值变量,计算得到的历元间位置变化量精度较高,但是受系统误差影响较大且增加了数据的相关性,误差会随着时间积累等问题,提出一种PPP和TDCP相结合的无人机定位算法:基于20Hz高采样固定翼无人机实际观测数据,对比分析基于传统PPP、TDCP、混合TDCP与非差观测PPP 3种方法的无人机定位性能。结果表明,混合TDCP和传统非差观测的无人机PPP定位算法的精度较传统PPP方法提高71.5%。

双频载波相位变化率与电离层残差法联合探测周跳

针对双频定位高精度数据处理过程中观测值含有周跳的问题,提出一种联合改进后的双频载波相位变化率与电离层残差的组合探测方法:首先在原始载波相位变化率法的基础上计算双频观测值的探测量,用以探测并修复大部分周跳;然后采用电离层残差作为检验量继续对双频观测值进行探测,实现对探测盲点下漏检周跳的修复。实验结果表明,该算法可以较全面、准确地探测出双频数据中存在的周跳,且探测过程较为迅速。

利用旋转双天线载波相位双差的欺骗干扰检测技术

有效的欺骗干扰检测是防止卫星导航接收机被欺骗干扰攻击的前提。提出了一种基于旋转双天线载波相位双差的卫星导航接收机欺骗干扰检测技术,在对接收机双天线匀速旋转时输出载波相位测量值进行载波相位双差处理后,利用广义似然比检验实现了对单一发射天线输出欺骗干扰信号的检测。进一步分析了旋转半径和数据长度对检测性能的影响,并与旋转单天线和天线阵载波相位双差欺骗干扰检测方法的性能进行了对比。最后,通过蒙特卡罗方法进行了仿真验证,结果表明了该检测方法和检测性能分析的正确性。

一种多载波相位编码波形的运动补偿方法

多载波相位编码雷达信号波形,在频域上包含多个子载波,在时域上采用分段编码,能够有效降低接收机的循环自相关特性,提高雷达发射信号被敌方侦收机截获和解析的难度,具有良好的抗欺骗干扰与低截获性能。但多载波相位编码波形具有多普勒敏感性,在高速运动平台上应用时,运动会导致信号脉冲压缩后主副瓣比降低,造成脉冲压缩与相参积累损失。对此,文中提出了一种多普勒前置补偿技术,在多载波相位编码波形产生阶段,利用运动平台速度对该波形的每个子载波进行精细的多普勒预置补偿,有效降低了该波形的多普勒敏感性,同时该方法具有便于工程实现的特点。仿真结果表明,该方法在高速平台应用条件下能够有效地抑制脉冲压缩旁瓣,降低脉冲压缩和相参积累损失。

适用于GPU处理的长更新周期卫星导航信号载波相位跟踪环路

针对短环路更新间隔下GPU处理效率受限而长更新间隔下传统跟踪环路在高动态场景下不稳健的这一矛盾,提出一种可适应高动态场景的长更新间隔载波相位跟踪算法,该算法设计了一种低复杂度线性调频信号参数估计方法,实现跟踪初始阶段多普勒及变化率的精确估计进而消除大部分信号动态,在跟踪过程中采用4阶卡尔曼滤波对残余信号相位及动态进行精细跟踪。经仿真验证,200 ms更新间隔下,可实现多普勒一次/二次变化率分别达800 Hz/s、64 Hz/s2正弦运动场景下载波相位的快速稳定跟踪,1次更新即可收敛,跟踪灵敏度低至23 d B-Hz,相位跟踪精度远优于传统3阶锁相环路。

GNSS载波相位时间传递的日界不连续误差研究

高精度远程时间传递技术是实现两地时钟比对的重要手段,是实现地方协调世界时UTC(k)与国际UTC建立联系的技术支撑,是国际原子时(TAI)计算的基础。作为GNSS载波相位时间频率传递技术的典型代表,基于全球定位系统(GPS)的精密单点定位(PPP)自2009年开始被国际权度局(BIPM)用于TAI计算,时间传递精度可达亚纳秒量级。然而,由于伪码噪声影响,使得PPP相位模糊度失去了整数特性,时间传递结果在相邻天边界历元处出现“不连续”现象,导致无法通过PPP时间传递更加准确反映两地实时连续运行时钟的性能,严重影响PPP时间传递长期频率稳定度的提升,也限制了PPP时间传递在铯喷泉钟等基准频标比对中的应用。论文围绕PPP时间传递结果日界不连续误差这一核心问题,按照从GPS单系统到GPS/BDS多系统,从理论研究到试验验证的模式,系统深入地研究了日界不连续误差的统计特性、产生原因、对时间频率传递的影响及改正方法。主要研究内容及结论如下。

基于实时动态载波相位差分的无人机起降引导系统研制

中程固定翼无人机在起降阶段高精度定位,要求实时计算无人机下滑道与固定基准站之间高精度的相对定位基线,以引导无人机精确起降.基于全球卫星导航系统(GNSS)实时动态载波相位差分(RTK)技术、无线链路数传电台技术,设计了固定基准站无人机起降引导系统.起降引导系统在静态零基线、动态飞行条件下,RTK引导系统与固定基准站之间相对定位精度达到水平方向≤0.03 m(1σ),高程方向≤0.05 m(1σ).试验结果表明,无人机起降引导系统达到了厘米级定位精度,满足中程固定翼无人机在起降阶段对高精度定位的要求.

GNSS载波相位快速相对定位全球精度分析

为了进一步提高全球卫星导航系统(GNSS)的定位精度,对目前北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)、美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧盟伽利略卫星导航系统(Galileo)的载波相位快速相对定位精度在全球的分布情况进行探究:计算四大系统载波相位相对定位单历元解和半小时解的精度衰减因子(DOP);并提取1个周期的精度衰减因子时间序列的上限值作为指标,绘制和分析各个系统的载波相位相对定位在全球的精度分布图。结果表明:BDS-3与GPS的载波相位快速相对定位整体精度相当,且优于GLONASS和Galileo;而四个系统中BDS-3相对定位精度上限最高,GPS、GLONASS、Galileo的精度上限依次降低;各大全球定位系统在满足全球相对定位应用需求的同时,也各自在最关注的区域有相应的优势,其中BDS-3的相对定位精度在亚太地区最高,GPS在南北美洲的定位精度优于其他系统,GLONASS在高纬度地区的相对定位精度为其服务区域内最高。

基于GNSS实时数据流的载波相位差分测速方法及精度评估

为了满足地质灾害实时高精度监测应用需求,对常规全球卫星导航系统(GNSS)载波相位差分测速事后处理软件进行改进,增加了实时数据流接收和实时解码国际海运事业无线电技术委员会(RTCM)的功能,实现了真正的GNSS载波相位差分测速.利用静态站和振动台模拟正弦波振动实验的GNSS数据,评估改进后GNSS实时测速程序的精度.静态模拟动态的测速精度误差均方根(RMS)优于5 mm/s;振动台动态实验解算结果与振动台输出真值的互差RMS为10.4 mm/s.说明本实验的实时GNSS测速程序在静态实时测速条件下的测速精度可达到mm/s级,在实时动态条件下测速精度仍能达到cm/s级.

光纤水听器相位生成载波解调非线性因素的抑制方法

为了消除非线性因素对相位生成载波解调结果的干扰,降低相位生成载波解调过程中低通滤波器的频响特性对相位生成载波解调结果的影响,该文提出了一种基于扩展卡尔曼滤波椭圆参数估计的相位生成载波微分交叉相乘解调方法。该方法在综合考虑各种非线性因素对相位生成载波微分交叉相乘解调结果的影响的基础上,对传统的相位生成载波微分交叉相乘解调过程进行了改进。经过计算机仿真和实验验证,该文所提出的扩展卡尔曼滤波微分交叉相乘方法能够有效地抑制非线性因素对相位生成载波解调结果的干扰,相比传统的相位生成载波微分交叉相乘方法,其信噪比提高了35.0 dB,总谐波失真降低了30.7 dB,信噪谐波比提高了31.0 dB,且扩展卡尔曼滤波微分交叉相乘方法受解调过程中低通滤波器频响特性的影响较小。

基于多频相位生成载波的光纤振动传感技术研究

为了满足周界安防区域数目扩增的需求,提出了一种基于多频相位生成载波的光纤振动传感技术,利用多个相位调制器实现了不同振动信号的频谱搬移,采用微分交叉相乘算法开展了多路干涉信号的相位解调,进行了相位生成载波调制深度的选值分析,并搭建了基于直线型萨格奈克干涉原理的多通道光纤振动传感实验系统。实验结果表明,干涉信号频谱含有多频载波成分与频谱搬移的边带成分,经解调可获得准确的振动信号,其频谱信噪比平均为27.3 dB,谐波失真度平均为8.22%,并在模拟应用场景中对人为敲击信号进行了准确解调,从而为本系统在交通领域的多防区周界安防应用提供了参考。

干涉型光纤传感器相位生成载波技术研究进展

相位生成载波(PGC)技术作为干涉型光纤传感器重要的一种信号解调方法,因其灵敏度高、动态范围大等优点被广泛应用。首先对PGC技术的内调制和外调制两种基本调制方法进行阐述,简要说明了PGC技术解调的常规算法。针对PGC解调方法中出现伴生调幅、调制深度漂移和相位延迟引起信号解调失真的关键问题,分析其原因并概括归纳近年来国内外研究者相关工作的改进方法。对进一步优化光干涉型传感信号的解调方案提供新的思路。

基于载波相位观测的无人机集群相对定位方法

针对无人机集群的相对定位问题,提出了以载波相位为观测量的相对定位方法。首先,设计了一种具有三角几何关系的天线构型,并建立一种无人机间的相对观测模型。其次,利用扩展卡尔曼滤波算法估计无人机位置、速度状态参数,从而解算出无人机姿态角及其角速率参数。最后,为研究无人机集群的协同定位性能,将一架主无人机扩展至3架主无人机,从而获得主无人机数量和疏密分布情况对从无人机定位精度的影响。仿真结果表明:该机间相对观测模型可有效估计出从无人机位置、速度状态参数,并据此解算出的无人机姿态角及姿态角速率参数能够满足精度要求,验证了该方法的可行性。此外,在增加主无人机数量以及分散布置的情况下,该方法可显著提高无人机的状态估计精度。

基于Hatch载波相位平滑算法的Galileo双频精密单点定位性能研究

为评估Hatch载波相位平滑算法对精密单点精度的影响,以多个MGEX跟踪站数据为解算数据,进行了滤波前后Galileo双频精密单点定位解算实验。实验结果表明,E1/E5a、E1/E5b双频组合精密单点定位精度可以达到厘米级,而E5a/E5b双频组合精密单点定位精度较差,不适合进行组合定位。Hatch载波相位平滑算法能在一定程度上提升Galileo双频精密单点定位精度,但提升程度较小,提升量都在10%以内。