卫星导航信号高精度模拟产生与控制技术

卫星导航信号模拟器是卫星导航用户机检测和开展系统应用研究的关键设备.这里主要研究了信号模拟中的高精度时廷控制和多普勒处理技术,设计并提出了采用高精度数字时廷滤波器实现码相位时延精确控制的方案.通过多普勒调制和数字基带合成技术实现对卫星导航信号多普勒频移的模拟.仿真结果表明,该方法模拟仿真精度高,合理可行.     

基于PXIe总线架构的GPS导航信号模拟源设计及实现

卫星导航信号模拟源为用户终端设备的设计、验证、测试提供输入信号源,是用户终端设备研发和卫星导航信号系统验证的重要工具.早期的射频合成技术产生的信号的精度和通道一致性较差,随后的模拟中频合成技术存在通道间偏差的问题,而目前常用的数字中频合成技术存在相位抖动问题,所以本文基于PXI Express(PXIe)总线的软件无线电架构,设计并实现了一款采用数字基带合成技术的软硬件结合模拟源.模拟源上位机数学仿真软件采用图形化编程语言LABVIEW开发,实现简单,开发效率高,最终生成数字基带合成信号;模拟源硬件则使用美国国家仪器公司(NI)模块化的虚拟仪器,接收并处理上位机产生的数字基带合成信号,最终产生用户终端设备可以接收的全球定位系统(GPS)射频信号.利用频谱分析仪观察模拟源输出信号的频率和带宽,验证了GPS模拟源仿真信号的正确性;利用商用接收机进行定位解算,分析静态和动态场景下的信号质量、定位结果及三轴定位误差,验证了GPS模拟源仿真信号的准确性和有效性.     

北斗新一代试验系统时间及卫星钟精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和3颗中轨地球轨道卫星(MEO)组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能。导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生。本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升。结果表明,新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,IGSO卫星短期预报误差从0.65 ns减小到0.30 ns,MEO卫星短期预报误差从0.78 ns减小到0.32 ns,IGSO／MEO卫星中期预报误差均从2.50 ns减小到约1.50 ns.时频系统是新一代试验系统地面运控的重要组成部分,负责北斗新一代试验系统时间频率信号产生和维持。本文利用试验系统与UTC(BSNC)之间的比对数据,评估了新一代试验系统时间的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统时间的性能提升。结果表明,新一代试验系统时间相对于北斗区域系统时间性能有较大提高,万秒稳和天稳较北斗区域系统提高约半个数量级。时频体制是新一代试验系统的重要技术体制设计之一。本文利用中心节点与末节点的双向时间测量数据,评估了新一代试验系统末节点时频信号的实际性能。结果表明,中心节点与末节点之间具有很好的一致性,时差最大为0.23 ns.      

珞珈一号低轨卫星导航增强系统信号质量评估

低轨卫星导航信号增强能够弥补现有中高轨导航卫星信号收敛慢、信号弱的不足,在下一代导航定位技术中占有重要地位。武汉大学研制的珞珈一号科学实验卫星搭载了导航增强载荷,能够在轨自动计算轨道和钟差,并自主生成和播发双频测距信号,首次实现了低轨卫星平台的导航信号增强。就珞珈一号卫星导航增强信号的质量,包括信号载噪比、伪距和载波相位测量精度以及单星授时精度进行了评估,结果显示,珞珈一号卫星高仰角的伪距和载波相位测量精度分别优于1.5 m和1.7 mm,能够满足导航信号增强的需求。珞珈一号卫星单星授时的精度在10~30 ns量级,证明了珞珈一号卫星星地测距链路的正确性和有效性。     

MGEX钟差产品精度分析

IGS的多GNSS实验项目MGEX(Multi-GNSS Experiment)提供的精密钟差产品广泛应用于高精度导航定位领域。本文研究了卫星钟差精度评估的方法,以IGS最终钟差作为GPS卫星基准,以北斗星地双向时间频率传递钟差作为北斗卫星基准,对GFZ、CODE和WHU这3个分析中心的MGEX钟差产品精度进行了分析。研究结果表明:MGEX实验的GPS最终钟差RMS优于0.30 ns;超快速钟差实测部分RMS优于0.16 ns;24 h预报误差RMS优于3.5 ns。各分析中心北斗GEO卫星最终钟差互差RMS为0.75 ns;IGSO卫星为2.27～3.8 ns;MEO卫星为0.6～1.2 ns。北斗星地双向时间频率传递检核GEO卫星最终钟差RMS为2.6～2.7 ns;IGSO和MEO卫星为1～1.5 ns。北斗卫星超快速钟差实测部分RMS优于1 ns;24 h预报误差RMS为7～9 ns。     

转发式测距数据支持的GEO导航卫星精密定轨

地球静止轨道GEO卫星定轨是精密定轨领域的难点.依托我国区域范围地面跟踪网实际,提出了转发式测距数据支持下的GEO导航卫星精密定轨方案.从定轨精度、设备时延和伪距站对GEO轨道精度影响等方面进行了深入分析.试验结果证明:1 ns的时延误差引进的GEO轨道径向和位置误差分别为0.121 m和3.505 m.在多个转发式测距跟踪站约束的条件下伪距对定轨精度贡献非常有限,但通过星地钟差的估计可以实现时间同步,同步精度优于1 ns.这为时间同步提供了一种新的方法.当转发式测距跟踪站有限时伪距对GEO定轨的贡献非常明显,1CC(转发式跟踪站)+7L(伪距站)联合定轨条件下的轨道精度优于5 m.从而解决了GEO卫星精密定轨问题,同时实现了星地和站间时间同步以及卫星轨道与钟差参数的自洽.     

利用SLR和GPS双频相位平滑伪距资料测定导航卫星钟差

采用2002年10月的SLR和伪距实测数据计算GPS 35卫星的钟差,为了验证计算结果的精度,将本文计算的卫星钟差与IGS精密钟差进行了比较.结果表明,采用经过载波相位平滑伪距资料,可以明显提高综合利用SLR和伪距资料直接测定导航卫星的精度;综合利用SLR和GPS双频相位平滑伪距资料测定导航卫星钟差精度优于0.3 ns(1σ),测定的导航卫星钟差与实际钟差不存在系统差.     

导航卫星星地/星间链路联合定轨中设备时延的方法

导航卫星系统播发的卫星钟差改正数包含了卫星的导航信号设备群时延。从保持与用户算法一致性的角度考虑,指出利用星间测距数据求解的卫星钟差也应该包含导航信号设备群时延。由此发现星间链路设备时延以组合时延的形式出现在观测方程中：接收设备时延与导航信号群时延之和构成组合接收时延,发射设备时延与导航信号群时延之差构成组合发射时延。探讨了处理星间链路设备时延的方法,提出两种在定轨和钟差解算数据处理的同时估计设备时延参数的方法：一是估计每颗卫星的组合接收时延和组合发射时延;二是估计每条(有向)链路的时延偏差参数(组合接收时延与组合发射时延之和)。通过仿真实验,证明了所提方法正确性和有效性。结果表明,利用提出的方法可以显著地降低设备时延对轨道和钟差解算精度的影响,效果几乎接近设备时延被准确标定的理想情况。     

基于北斗授时和星历的卫星跳频通信方法

提出了一种基于北斗授时和卫星星历实现跳频同步并且适用于卫星与地面站上下行链路的跳频通信方法。首先基于卫星星历,采用SGP4模型预测卫星轨道,计算卫星与地面站的相对位置和相对速度,然后估计电波传播时延和多普勒频偏,最后在地面站分别进行预校正与补偿,完成星地的高速跳频通信。仿真实验结果表明,与传统的跳频系统相比,该方法硬件复杂度低,电波传播时延估计精度优于300ns,归一化多普勒频偏估计精度优于1×10~(-8),开销为1%时跳频速率可达20 000Hops/s,具有优良的抗干扰和抗截获性能。     

北斗三号导航定位技术体制与服务性能

介绍了北斗三号系统的星座设计、服务类型、导航信号体制、时空基准以及轨道确定与时间同步机制等技术体制,分析提出了评估北斗三号导航定位服务性能的指标体系,指标涵盖时空基准、空间信号质量、空间信号精度和服务性能4个方面,综合利用全球数据资源对北斗三号基本系统的导航定位服务性能进行了评估。结果显示,各信号分量有效功率比偏差优于0.25dB,S曲线过零点偏差(SCB)优于0.3ns,满足设计要求;北斗三号基本系统当前全球位置精度因子(PDOP)可用性优于85.0%,空间信号测距误差0.48m(RMS),空间信号连续性99.99%,空间信号可用性99.78%,UTC偏差误差优于19.1ns(95%),均满足系统服务性能规范承诺的指标。相对于北斗二号而言,北斗三号在覆盖能力、空间信号精度、空间信号可用性、空间信号连续性等方面均有显著提升。     

Calculation and accuracy evaluation of TGD from IFB for BDS

With the development of new global navigation satellite system applications, the demand of high accurate positioning navigation timing (PNT) service becomes urgent. For precise PNT, the timing group delay (TGD) is regarded as an important parameter in the satellite navigation message. Instead of using the absolute receiver hardware delay, a method based on receiver inter-frequency bias (IFB, i.e., differential receiver hardware delay between different frequencies) calibration is presented to deal with the rank deficiency of a calculation matrix and to reduce jumps in TGD solutions in BDS. The double-differenced pseudorange obtained from a pair of zero baseline receivers is used to evaluate the IFB calibration accuracy. The estimated precision of TGD is evaluated and compared with GPS TGD provided by IGS. In order to ensure the quality of assessment, a method based on the difference of dual-frequency ionospheric delay is proposed to compare the accuracy of the estimated TGD and broadcast TGD. Finally, the effect of TGD on the user equivalent range error is analyzed. The analysis result shows that for BDS IGSO satellites, the precision of TGD1, which is the differential hardware delay between B1 (1561.098 MHz) and B3 (1268.52 MHz) frequencies, is better than 0.5 ns, and for GEO and MEO satellites the TGD1 is better than 1 and 2 ns, respectively. The precision of TGD2 of all satellites, which is the differential hardware delay between B2 (1207.14 MHz) and B3 frequencies, is better than 0.5 ns. The accuracy analysis result reveals that the proposed TGD estimation method can provide better results when compared with the broadcast data.     

利用不同时间同步体制钟差评估北斗三号星载原子钟性能

全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)星载原子钟性能的优劣直接影响GNSS观测信号质量、测距精度、钟差预报与卫星自主导航能力,从而间接影响整个导航系统的服务性能。结合北斗三号系统独特的星间链路(inter-satellite link, ISL)和星地时间双向比对(two-way time transfer,TWTT)体制以及常用的精密轨道与钟差确定(orbit determination and time synchronization,ODTS)体制所估计的精密钟差数据,分析评估了北斗三号在轨原子钟服务性能。结果表明,3种钟差确定体制评估的频率准确度和漂移率结果基本一致,所有卫星频率准确度在(-4～2)×10^-11范围以内,氢钟频率准确度优于铷钟,ISL钟差评估的频率漂移率精度略优于ODTS。在评估原子钟稳定度方面,3种钟差确定体制各有优势,短期稳定度方面,ODTS钟差评估优于ISL钟差,基于ODTS评估的3 000 s稳定度可达3×10^-14,且氢钟的短期稳定性优于铷钟;中长期...     

GNSS多频应用对频率配置要求分析

GNSS卫星导航系统频率资源异常紧张,频点个数、频点位置的选择都是多种因素综合影响下的折衷考虑。主要从电离层延迟改正、模糊度解算两个不同应用角度分析对频率配置的不同要求,并提出频率配置的建议原则和方法,对我国卫星导航系统频率设计具有一定现实指导意义。     

Performance of the BDS3 experimental satellite passive hydrogen maser

Various types of onboard atomic clocks such as rubidium, cesium and hydrogen have different frequency accuracies and frequency drift rate characteristics. A passive hydrogen maser (PHM) has the advantage of low-frequency drift over a long period, which is suitable for long-term autonomous satellite time keeping. The third generation of Beidou Satellite Navigation System (BDS3) is equipped with PHMs which have been independently developed by China for their IGSO and MEO experimental satellites. Including Galileo, it is the second global satellite navigation system that uses PHM as a frequency standard for navigation signals. We briefly introduce the PHM design at the Shanghai Astronomical Observatory (SHAO) and detailed performance evaluation of in-orbit PHMs. Using the high-precision clock values obtained by satellite-ground and inter-satellite measurement and communication systems, we analyze the frequency stability, clock prediction accuracy and clock rate variation characteristics of the BDS3 experimental satellites. The results show that the in-orbit PHM frequency stability of the BDS3 is approximately 6 × 10^?15 at 1-day intervals, which is better than those of other types of onboard atomic clocks. The BDS3 PHM 2-, 10-h and 7-day clock prediction precision values are 0.26, 0.4 and 2.2 ns, respectively, which are better than those of the BDS3 rubidium clock and most of the GPS Block IIF and Galileo clocks. The BDS3 PHM 15-day clock rate variation is ? 1.83 × 10^?14 s/s, which indicates an extremely small frequency drift. The 15-day long-term stability results show that the BDS3 PHM in-orbit stability is roughly the same as the ground performance test. The PHM is expected to provide a highly stable time and frequency standard in the autonomous navigation case.     

卫星导航设备收发链路时延测量方法研究

导航设备的时延标定与测量技术水平直接影响着导航系统的性能、精度,阐述了导航设备时延的概念,重点分析了使用时延测量设备进行导航设备收发链路时延测量与标定的具体方法。基于该方法进行了导航设备时延测量有效性和准确性实验。实验结果表明了使用时延测量设备进行时延测量与标定的优越性。     

利用C波段转发数据实现GEO卫星轨道确定

为了提高我国卫星导航系统GEO卫星定轨能力,针对我国卫星导航系统所特有的新数据和新方法,利用CAPS系统的C波段转发式测距数据进行了单GEO卫星定轨实验.在分析该方法技术特点的基础上,从定轨残差和轨道重叠弧段比较等方面,对定轨结果进行了分析.由于设备转发时延是影响该方法定轨精度的重要因素,因此同时还分析了系统偏差对定轨精度的影响,得出了一些有益的结论.     

利用两颗退役同步轨道卫星优化中国区域定位系统导航性能的分析

中国区域定位系统（CAPS）在试验验证阶段利用两颗同步轨道（GEO）通信卫星和两颗退役的GEO通信卫星组成导航星座,结合CAPS气压测高技术实现三维定位。根据CAPS的星座特点,分析了不采用气压测高实现转发式卫星导航定位的可行性和改变退役卫星轨道参数对星座PDOP值的影响。结果表明：调整两颗退役GEO通信卫星的轨道参数后,不采用气压测高技术也可以使CAPS在一天的较长时段内实现较高精度的导航定位。     

导航信息对抗技术研究

卫星导航手段的成功应用深刻地影响着现代信息化条件下的作战模式,针对卫星导航的信息对抗对未来战争影响巨大。研究了GNSS框架下导航信息对抗方案和需要解决的关键技术问题,并利用卫星导航信号模拟器、GNSS接收机、组合导航设备等进行了相关技术试验,得到了有意义的结论,为导航战提供了参考。      

基于北斗卫星的渔船监控系统设计

针对目前渔船遇险搜救不及时的问题,设计出一种基于北斗卫星的渔船监控系统。该监控系统以Linux操作系统为交互平台,结合计算机技术和北斗卫星导航技术实现对船舶位置的动态实时监控,并将渔船的位置信息嵌入到内置的电子地图中。该系统利用北斗卫星监控范围广、可靠性高、稳定性好以及独有的短报文通信优势,能有效解决远海区域无线通信网络覆盖不够的问题,且成本低、效率高。经试验表明,该系统运行稳定,达到预期设计目标。