北斗系统新体制信号质量监测指标及测试方法

卫星信号质量监测通常采用通用标准仪器、监测接收机和离线数据3种方式。对于新信号体制下的卫星导航信号,前2种方法存在分析指标不全、适应性较低等问题。在总结归纳传统卫星信号质量监测指标的基础上,重点对质量监测指标与信号伪距、载波相位、电文符号的关系进行理论分析与仿真计算,指标参数主要涵盖相关损失、相关峰、IQ正交性、载波伪码相干性等。最后,以离线数据分析的方法建立基于软件接收机的信号质量监测分析系统,并对北斗二号二期体制的试验信号进行质量分析测试。结果表明:该评估方法合理有效,可为提供北斗卫星全球体制的设计提供验证平台。     

空地协同伪卫星导航增强系统评估方法

针对战区伪卫星导航增强应用效能评估问题,对空地协同伪卫星导航增强系统(PNAS)关键性能指标进行了量化分析,提出了空地协同伪卫星增强系统有效性评价方法.首先对模拟环境下的伪卫星系统内部和外部干扰进行建模;然后分析了系统增强能力和可用性;最后对伪卫星系统的覆盖区域、定位精度等应用性能进行了分析和推导.基于STK与Matlab对系统实体组成、信号链路和信号处理模型进行仿真实现,场景中心区域增强能力达到40dB;通过信号观测质量等参数得到的有效性评估算式对系统进行量化评估,验证了空地协同伪卫星导航增强系统的有效性和可用性.     

Compass导航信号性能评估研究

卫星导航信号体制决定了导航系统的先天性能,是系统设计和升级过程中必须考虑的关键因素之一.本文提出了卫星导航信号体制的性能评估方法,并评估了Compass信号的性能.该评估方法包含了精度、抗干扰、抗多径、兼容性四个方面的内容,分别采用了Gabor带宽、解调抗窄带/匹配谱干扰品质因数、跟踪抗窄带/匹配谱干扰品质因数、多径误差包络、连续平均多径误差包络、谱分离系数、谱安全指数等指标来刻画这些方面的性能.基于我国对外公布的最新信号体制框架,将Compass信号体制和GPS,Galileo信号体制进行对比分析.分析结果表明：对于民用信号,Compass的性能最佳;对于特殊用户,Compass的精度、抗多径能力和GPS,Galileo相当,但抗干扰能力低于GPS和Galileo.这意味着Compass系统在未来的特殊条件下处于劣势.最后,给出了信号体制优化的建议.     

基于改进蚁群算法的区域伪卫星增强GPS星座优化设计

为实现信号遮挡严重区域伪卫星增强GPS系统的最优导航定位性能,提出了增强星座优化模型及基于改进蚁群算法的实现方法.首先,根据恶劣定位环境可见GPS卫星时空分布不均的特点,基于精度、可用性、连续性等导航性能指标以及系统投入成本和工程地质、地形条件建立增强星座的优化模型.然后,针对该模型主要评价指标的特点,利用改进的蚁群算法实现伪卫星最优位置的搜索.结合具有典型峡谷特征的小湾电站2号山梁相关实验,从多角度给出建立优化模型的准则及其对搜索算法的影响.实验结果表明,经优化设计后该区域的导航定位性能提高了35%～70%,能够满足形变监测系统的设计要求.     

GNSS开放服务的监测评估

GNSS开放服务的互操作是卫星导航发展的新趋势,其服务性能将直接决定用户使用的安全和可靠性;因此,开展GNSS开放服务的监测评估已成为卫星导航系统供应商和用户关注的焦点.本文首先系统地提出了GNSS开放服务监测评估的要素和方法;根据需求,我们设计了基于全向天线、多波束天线和大型抛物面天线分别实现四重、一重逆覆盖跟踪和精细分析的国际GNSS监测评估系统(iGMAS)架构,并对全球布站方案进行了初步的论证.最后,介绍了对北斗卫星导航系统开放服务监测评估的相关工作,并初步验证了系统实现的可行性.     

北斗卫星导航系统安全和完好性监测现状与发展

 随着导航现代化概念研究的深化,安全和完好性已成为全球导航卫星系统（GNSS）至关重要的性能指标。本文从导航战角度讨论了系统安全的内涵及组成,以及系统完好性监测的必要性和监测评估方法。结合北斗卫星导航系统建设,着重介绍了在信号传输体制设计、频率规划与协调、抗干扰体系建设、星间链路和完好性监测方面取得的关键技术突破和研究成果。最后,讨论了卫星导航发展趋势。     

基于性能导航中基于数值分类的RAIM算法改进

卫星接收机完好性监测(RAIM)根据基于性能导航运行方式提出,确保导航精度及系统完好性的方法.该文重点论述基于性能导航运行下RAIM预测中提高故障检测识别率的监测性能的算法改进.根据导航卫星完好性概念及RAIM预测原理,分析了在基于性能导航运行中,RAIM性能产生异常的情况,采用数值分类法建立RAIM故障监测识别的改进算法.该算法计算量小,在故障卫星监测、识别方面均具有一定可靠性,可为提高RAIM性能提供理指导.     

关闭部分导航信号实现区域定位阻断对全球定位性能的影响分析

在导航战中,可采用关闭己方部分卫星信号的方法或对己方卫星信号实施干扰的方法在区域范围内(如战区内)阻止对方单独使用己方的卫星导航定位系统进行定位服务.文中以关闭部分GPS卫星信号来阻止目标点定位为例,描述了关闭部分导航信号实现区域定位阻断的方法及仿真流程,定义了导航定位性能评估方法以及一种基于不可定位区域最小准则的导航信号关闭策略,并就关闭部分卫星信号实现区域定位阻断对全球定位授时性能产生的影响进行了分析讨论.仿真结果表明,关闭部分卫星信号阻止目标点使用定位服务,会导致全球49%以上地区的用户无法使用普通民用定位服务,并使全球民用用户的定位可用性受到一定影响.本文分析结果可为我国未来的卫星导航系统的民用信号反利用以及系统安全策略提供理论支撑.     

高性能导航增强测试信号模拟器技术研究

高性能导航增强测试信号模拟器集中反映了国家卫星导航系统建设与应用的技术水平,课题涉及导航卫星轨道高精度仿真、导航信号精密生成、载波相位精确控制和传输误差仿真等许多高精尖技术,是国际卫星导航领域争夺的战略制高点之一,其性能水平将直接影响我国卫星导航终端产品参与国际市场竞争的能力。随着我国北斗二代卫星导航系统建设和应用产业化的推进,测量型、高动态型、抗干扰型等用户终端检测已经成为我国GNSS高端用户终端研制与应用的瓶颈难题。国外一直将高端高性能导航增强测试信号设备作为制约我国卫星导航系统建设和发展的重要手段并一直对我国禁运。研究具有独立自主知识产权的高性能导航增强测试信号模拟器及标校技术,有利于提升我国卫星导航系统的国际竞争能力,促进我国卫星导航终端产品研制水平,加速我国导航设备示范应用产业化进程具有极其重要的意义。课题从研究途径来看可以划分为多体制和高性能两个关键点,其中"多体制"是实现多星座多体制卫星导航信号和地面导航增强信号仿真;"高性能"是要在既有信号模拟技术基础上进一步突破高精度模拟的性能瓶颈;最后为了充分发挥检测系统的测试作用,提高系统可用性,需要研究相关测试理论及实现技术。研究涉及的算法模型与技术包括多体制高性能GNSS模拟器数学仿真技术、精密信号时延控制与高质量信号生成技术、高精度高动态GNSS射频信号模拟技术、GNSS仿真信号高精度校核与可信度评估技术等。     

自主导航性能评估系统的可配置管理研究

针对已有的卫星自主导航性能评估系统支持的性能指标有限,评估算法固化和单一,可配置性差,运行机制不够灵活等缺点,本文研究了一种能完整覆盖系统级性能评估、空间段性能评估、控制段性能评估、用户段性能评估,能够灵活配置和新添评估算法,支持多数据源的卫星自主导航性能评估系统。     

全频段多系统全球导航卫星系统数据采集系统的设计与实现

基于FPGA设计实现了一种全频段多系统全球导航卫星系统(global navigation sattellite system,GNSS)数据采集系统。该系统由宽带天线、宽带射频前端、A/D转换模块、下变频模块、滤波器模块、数据存储模块等构成,可以实现四大导航系统的全频段覆盖,具有并行数据采集通道多、采样速率高、可灵活配置等特点,能够满足全频段多系统软件接收机的各种处理需求。对GALILEO在轨卫星实际数据的测试结果验证了数据采集系统的正确性。该数据采集系统可用于GNSS全频模拟信号源的验证以及在轨导航卫星信号的质量监测。     

基于GNSS卫星信号的多基SAR系统性能

为解决基于GNSS卫星信号的星机多基SAR系统信噪比低的问题,提出几种改善系统信噪比的方法.分析了GNSS卫星信号源的信号特性及GPS信号的雷达模糊函数,研究其作为多基SAR系统发射信号的适用性,推导了雷达方程,并分别对点、面目标的信噪比进行分析.结果表明:作为系统照射源的GNSS信号具有良好的距离、速度分辨特性.采用适当的信号处理方法,可有效改善系统信噪比,满足多基SAR成像的要求.     

GNSS autonomous navigation method for HEO spacecraft

For global navigation satellite system(GNSS) in the application of high earth orbit(HEO) determination, there are problems such as small number of visible satellites and weak signal magnitude. The transmitting and receiving errors of GNSS signal in the environment of HEO space are analyzed, and related compensating scheme is also proposed. Acquisition of GNSS signal is implemented by using weak signal acquisition technology based on Duffing. Precise tracking of weak GNSS signal is also realized by adopting dynamic detection and compensation technology based on Duffing chaotic oscillator. Simulation results show that, certain acquisition sensitivity and navigation precision can be reached, and the acquisition and tracking of weak GNSS signal can be realized by using the proposed technology, which provides good technology support for autonomous navigation of HEO and large elliptical spacecrafts.     

导航接收机数字化射频前端的设计与验证

针对传统导航接收机射频前端在实现多频点信号接收时复杂度高、灵活性差的问题,提出了一种基于直接射频采样的数字化射频前端设计方法．该方法针对整个导航频段信号主要集中在低频和高频2个频段的特点,将这2个频段视为2个整体的带通信号,通过多带通信号采样率选择算法选定射频直采的采样率;由于采样率较高,设计了一种滤波抽取网络来降低数据速率,它利用了射频直采专用A／D可输出半采样率数据的特性,最终实现了各频点导航信号的下变频和分离．该设计方法只需修改软件就可实现多频信号接收,使得系统灵活性大大增加．实验证明该方法是有效的．     

巨烈磁暴对全球GNSS观测信号的影响

介绍了一种GNSS L₁和L₂信号及测距码失锁率统计计算方法,并考察了不同卫星高度角对失锁率计算结果的影响.利用全球GNSS观测数据,分析了第23太阳活动周发生的两次巨烈磁暴期间GNSS观测信号的质量.结果表明:巨烈磁暴发生期间GNSS L₁和L₂信号及P₁和P₂码失锁率较平静日均显著增加,信号失锁主要发生在磁暴主相及恢复相前期.L₂失锁率明显高于L₁且失锁持续时间更长,表明L₂比L₁更易受到磁暴影响.GNSS 信号失锁率与磁暴指数SYM-H的高相关性表明信号失锁率的异常增加由巨烈磁暴所驱动.研究成果可为我国北斗卫星导航系统全球信号质量评估提供方法支持.     

GNSS/IMU组合导航观测量丢弃策略

传统的GNSS/IMU(global navigation satellitesystem/inertial measurement unit)组合导航系统采用固定速率更新策略,平等地对待每一个观测量。因而在受到突发干扰情况下,精度恶化的观测量可能影响到更新后的组合导航结果的精度。该文提出一个双门限的观测量丢弃策略,它同时监控估计量的误差累计程度和观测量的恶化程度。当估计量误差很低或者观测量恶化很严重时,把观测量丢弃掉,使组合导航系统工作在INS(inertial navigation system)单独导航模式。真实的外场试验结合仿真干扰表明:含观测量丢弃策略的扩展Kalman滤波(EKF)跟传统的固定更新速率EKF相比,在干扰条件下具有更低的误差。     

基于一阶高斯-马尔科夫模型的IMU零偏相关时间对GNSS/INS组合导航结果的影响

GNSS(global navigation satellite system)/INS(inertial navigation system)组合导航中,Kalman滤波的最优估计性能受状态模型及其参数设定影响。IMU(inertial measurement unit)的零偏和比例因子误差通常建模为一阶高斯-马尔科夫过程,而模型中的相关时间参数比较难以获得且影响不明确。因此,以IMU零偏模型为例,通过仿真低中高三种不同精度等级的IMU数据,并对比仿真GNSS中断内的导航漂移误差,研究了相关时间参数对GNSS/INS组合导航结果的影响。结果表明:当相关时间参数接近其真值时,组合导航结果在总体上趋于最优表现;中高等级IMU的加速度计零偏相关时间的影响相对较大;但总体来说,相关时间对组合导航结果影响较弱。该研究成果可为后续IMU误差模型的参数设定和优化策略设计提供一定的实验依据和研究基础。     

循环神经网络辅助GNSS/SINS组合导航方法及性能分析

针对GNSS信号中断时组合导航系统误差迅速发散的问题,提出了使用循环神经网络(RNN)来辅助组合导航系统的方法,RN N可以分别基于当前和过去的位置以及速度样本进行训练,使神经网络更好地处理系统中的时序信号,从而能够更加精确地预测SINS的位置和速度误差.采用无人机飞行试验数据验证了该算法在卫星信号中断时导航精度平均提升了77％,并且满足导航所需的实时性要求,与传统的径向基神经网络辅助的组合导航系统相比,其位置和速度的均方根误差平均降低了39％.     

基于卫星导航/惯性单元松耦合的低速智能电动汽车航向角估计

低速智能电动汽车近年来发展迅速,组合定位技术是其关键技术,航向角估计是组合定位技术中重要组成部分。基于低速智能电动汽车,提出了GNSS(global navigation satellite system)/IMU(inertial measurement unit)组合的航向角估计方法。介绍了GNSS/IMU松耦合条件下的航向角估计方法,提出基于IMU的航向角积分方法,推导了松耦合条件下误差动态与测量模型。针对GNSS信号质量时变问题,使用残差自适应卡尔曼滤波算法对航向角误差进行估计。针对GNSS信号质量设计了航向角误差反馈修正策略。通过在不同GNSS信号条件下进行的多组实车试验,验证了所提出的航向角估计算法的有效性。     

GNSS信号兼容捕获算法

目前卫星导航定位系统正在从单一的GPS时代向多星座并存的GNSS时代转移,多星座兼容的卫星导航接收机将会成为未来接收机产品的主流.常用的伪码频域和时域捕获算法,虽可以实现特定系统的伪码信号的快速捕获,但对于处理多个系统、多种调制方式、不同码长的卫星信号而言,尚存在一定的局限性.本文将提出一种应用于GNSS兼容接收机的通用信号快速捕获方法.经实际测试表明,该算法实现了兼容捕获GPS,GLONASS,Galileo和COMPASS等GNSS信号,可以对不同类型的卫星导航信号进行快速捕获,具备较高的实用价值.