导航中频测试数据生成系统若干关键技术研究

在卫星导航系统接收机开发过程中,导航数字中频数据是测试评估导航接收机基带处理电路和导航信号处理算法的重要基础。基于软件模拟的测试数据生成技术灵活方便,但逼真度不高。本文研究多径信号的精确模拟仿真方法,实现多径信号的延时、衰减。以及动态环境下,不同多径的多普勒修正。在信号仿真过程中,本文加入了射频前端和ADC的模拟,研究了其对导航中频信号带宽、功率、载噪比的影响,提高了信号模拟的逼真度。     

窄带与脉冲干扰对卫星导航信号载噪比的影响

现代电磁环境日趋复杂,导航接收机受到各式各样干扰的风险越来越高,窄带干扰和脉冲干扰就是对卫星导航信号常见的压制干扰手段. 不同的干扰信号具有不同的时频域特征,对卫星导航信号造成的影响也有很大差异,这种影响主要体现在信号的载噪比和误码率等方面. 针对目前国内脉冲干扰的性能研究不足的现状,通过对比窄带干扰性能评估方法提出了适应于脉冲干扰的抗干扰品质因数计算公式. 推导了脉冲干扰下在时域计算信号等效载噪比的方法,并对推导结果做了仿真验证,结果表明:不同占空比的脉冲干扰下,等效载噪比计算误差小于0.5 dB,结果较为准确.      

一种SINS/GPS深组合导航系统技术问题分析

为了满足高动态用户及强干扰条件下的应用需求,提出了一种基于卫星信号矢量跟踪的SINS/GPS深组合导航方法,设计了基于FPGA硬件平台的实施方案。利用组合卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪环路,能够同时完成所有可视卫星信号的跟踪和导航信息处理;通过矢量跟踪算法对所有可视卫星信号进行集中处理,能够增强跟踪通道对信号载噪比变化的适应能力,从而提高接收机在强干扰或信号中断条件下的跟踪性能;根据SINS导航参数和星历信息推测GPS伪码相位和多普勒频移等参数,用以辅助卫星信号的捕获和跟踪,能够大大缩短接收机的搜索捕获时间,并增强接收机在高动态条件下的跟踪性能。基于矢量跟踪的深组合方法不仅在GPS信号短暂中断期间,能够保证系统的导航精度和可靠性,而且在强干扰环境中能够维持较好的伪码相位和载波频率跟踪性能。     

卫星导航接收机兼容性测试评估技术研究与实现

随着卫星导航系统的快速发展,兼容性已经成为接收机性能测试的一个重要指标。在分析导航信号的兼容性时,通常会采用载噪比来表征所接收信号的质量。基于该原理,提出了一种关于导航接收机兼容性的测试评估方法。为了实现兼容性的测试及评估,首先搭建了一个接收机测试评估平台,然后给出了接收机兼容性的评估准则,最后根据所设定的测试场景对接收机兼容性进行了测试并对其性能做出了评估。     

一种基于软相关的GNSS比特同步方法

接收机中因为比特同步错误而导致的导航电文提取失败和伪距计算错误等问题非常普遍。目前的比特同步算法主要是直方图法。其中,基于硬判决的直方图法应用较为广泛,主要是因为其实现方便,但在低载噪比下同步成功率太低,无法满足工程需求。因此,需要对低信噪比下的bit同步算法进行研究。本方案提出了直方图法与软相关结合的bit同步算法。首先,模拟产生在不同载噪比下的GNSS信号数据,它有20个比特边界。然后,采用两种算法进行比特同步。重复仿真多次,每次仿真采用随机的比特边界,得到每种算法在不同载噪比下的正确比特同步概率。分析仿真结果发现,比特同步的时间越长,各算法的正确概率越大。在低载噪比下,软相关方法远高于传统的直方图法。最后基于altera arriaV芯片完成了软相关的比特同步方案工程实现。      

GPS信号载噪比研究

介绍了GPS接收机所接收信号的栽噪比；提出了载噪比方向图的概念，导出了栽噪比方向图与天线增益方向图的关系；初步评估了大气损耗的时空差异；指出可利用栽噪比异常方向图确定被动式干扰源的方位。     

基于密度聚类的北斗卫星导航弱信号自动捕获方法

在外界射频信号、导航接收机混频处理噪声的影响下，为了有效捕获北斗卫星导航弱信号信息，提出基于密度聚类的北斗导航弱信号自动捕获方法.使用密度聚类得到BDS信号来源的聚类中心，结合聚类中心设计卫星波束方向，约束卫星导航信号接收范围，抵御干扰信号的空域干扰；通过基于小波阈值方法去除波束抗干扰作用下导航信号的噪声信息；采用相关函数模值计算方法计算去噪后导航信号和已知弱信号之间相关性，相关性大于门限值时说明去噪后导航信号为弱信号.实验结果表明，在外界射频信号和混频器干扰下，此方法具备自动捕获北斗卫星导航弱信号的能力.     

低成本μ-blox单频多系统GNSS接收机的定位性能分析

随着大众市场对高精度定位需求增加,基于低成本小型化设备的全球卫星导航系统(GNSS)高精度定位成为研究热点之一. 本文以低成本多系统GNSS接收机μ-blox M8P型号为例,分析其观测数据质量,研究其伪距单点定位和单频载波相对定位的定位性能和特点,为低成本GNSS接收机高精度定位应用提供参考. 实验结果表明,与测量型接收机相比,μ-blox输出GNSS观测值的载噪比略小,伪距和载波相位的测量噪声较大. 静态模式下,μ-blox的单频载波相对定位(基线长度约为430 m)可以提供厘米级的定位精度;城市环境动态模式下,其单频载波相对定位可提供亚米级至米级的定位精度. 信号受限环境下,GPS／GLONASS双系统能够提供更稳定的定位结果.      

载噪比加权的GPS单频单历元定姿算法

针对GPS定姿系统中,传统的利用高度角的加权不能有效反映遮挡情况的问题,从接收机的卫星载噪比出发,对载波相位精度进行分析,提出新的权重矩阵W,对观测模型进行加权。加权后模型根据最小二乘得到整周模糊度和基线矢量的浮点解。加权方法能够降低弱信号卫星的载波相位观测值对姿态测量成功率的影响。通过对比试验验证了加权算法的合理性和有效性。部分试验结果表明,相比于未加权算法,载噪比加权算法可以使单历元定姿成功率提高5个百分点;相比于高度角加权算法,载噪比加权可以使成功率提高1~2个百分点。     

北斗三号MEO组网卫星数据质量评估

自2017年11月以来,北斗三号导航卫星开始进入高密度组网发射阶段。截止到2018年3月,已有4颗北斗三号中圆轨道(MEO)卫星投入试运行。本文选取全球分布的7个国际GNSS监测评估系统(i GMAS)跟踪站数据,从信号载噪比、观测噪声和多路径效应3个方面,对C19、C20、C27、C28这4颗北斗三号MEO卫星数据质量进行分析评估,并与同时段观测的北斗二号MEO导航卫星、GPS Block IIF导航卫星和Galileo FOC导航卫星的观测数据进行对比。结果显示,北斗三号MEO卫星数据质量良好,性能较优。其全球各地区测站信号平均载噪比高于42 d BHz,中高纬度地区观测站信号平均载噪比能够保持在45 d BHz左右;伪距观测噪声基本在0.5米以内;各测站各频点的多路径效应RMS值均不超过0.4米。     

基于FPGA的高动态P码直捕算法设计与实现

长周期精密测距码（P码）的直接捕获技术对提高导航接收机的性能十分关键,为了设计出高动态、低信噪比环境下的P码快速直接捕获接收机,采用部分匹配滤波器组实现伪码时域并行搜索,结合小点数的快速傅里叶变换（FFT）,将匹配滤波器输出的部分相关值进行功率谱分析,完成多普勒频率偏移的并行搜索。硬件实现时结合FPGA的特殊结构,提高资源利用率,同时采用并行流水机制处理ADC的采样信号,对于每一个采样点,均可以在下一个采样点到达之前完成该点的码相位和频率的二维搜索。对比国内外P码接收机的研究成果,算法在捕获时间上有很大改进。在信号功率为-165 dBW,伪码相位±1 s的时间不确定度,以及多普勒频率偏移±16 kHz的条件下,捕获时间小于10 s,完全适用于高动态环境下的P码快速直接捕获。     

高阶BOC调制信号无模糊跟踪技术性能比较

BOC调制方式提升了导航信号的性能和频谱资源利用率,但是自相关函数的多峰特性使信号接收面临新的问题。本文研究高阶BOC调制方式及其无模糊跟踪技术,主要分析了Bump-Jump算法、BPSK-like算法、SCPC算法和双环路算法,比较不同跟踪技术的硬件复杂度、计算复杂度、跟踪精度和跟踪稳定性,结果可为接收机设计提供参考。     

GPS与Galileo共用的MBOC信号研究

介绍了GPS与Galileo共用信号的演变过程，通过BOC（1，1）在兼容性、互操作性方面的表现，以及将MBOC（6，1，1／11）与之相比较，描述了MBOC（6，1，1／11）在这两个方面的表现。可供我国卫星导航信号体制设计借鉴学习，为GPS／Galileo接收机设计提供参考。     

基于矢量跟踪的GNSS／SINS相干深组合系统研究

为满足组合导航系统在高动态环境下的性能要求,设计基于矢量跟踪的GNSS／SINS相干深组合导航方法。利用矢量跟踪环路将所有可视卫星的跟踪和导航解算融为一体,增强通道间的辅助;高动态对载波跟踪影响更大,在通道预滤波中将码环载波环分别用独立的滤波器处理,组合滤波中采用通道间差分降低滤波状态维数,提高计算效率。引入惯导的加速度辅助本地信号参数预测,较精确地测量卫星视线方向的加速度,减小接收机在高动态时段的剩余动态,提高本地信号参数的预测精度。基于矢量跟踪软件接收机搭建相干深组合仿真系统,实验表明该方法在高动态等环境下能提高信号跟踪性能,改善系统的精度、可靠性。      

相位量化误差对导航模拟信号伪距生成精度的影响分析

导航信号模拟源器是接收机性能验证的重要技术手段,目前的研究多关注于高动态场景实现和伪距误差分析,对于静态伪距和恒定多普勒等高精度测量场景中的伪距精度少有分析。本文针对高精度测试场景,分析了相位量化误差的产生原因,推导了由此引起的伪距误差公式并给出了仿真验证。分析和仿真结果表明：相位累加字量化误差影响伪距稳定度。进位相位截断误差引起的相位抖动影响伪距零值测量结果,两种误差均不可忽略。为高精度卫星导航信号模拟器的设计提供了理论依据。     

一种基于多普勒频移的GPS自适应滤波算法研究

针对接收机的动态模型对GPS定位精度的影响,提出了一种基于多普勒频移观测的高动态GPS自适应滤波算法。该算法利用GPS伪距测量值以及利用信号载波的多普勒频移所获得的伪距率测量值,在GPS动态滤波中同时观测伪距和伪距率。借助于移动目标的运动矢量模型以及GPS定位误差模型建立了滤波方程。重点讨论了运用该模型进行Kalman滤波的实现过程。仿真实验表明,该模型与传统的方差自适应模型相比,位置精度提高了32%、速度精度提高了25%,应用本文算法能够提高定位精度和改善接收机的动态性能,拓宽高精度、高动态导航的应用范围。     

卫星转发信道饱和条件最优功率增益设计与分析

为了优化卫星转发信道饱和条件下信号的接收性能,分析透明转发器饱和状态下互调噪声的产生原因,削弱互调噪声对转发信道载噪比(CNR)恶化的影响. 本文通过建立信道模型、计算信道参数、仿真优化分析的方法对问题进行研究. 分别研究转发器增益调整对接收端CNR的直接影响与互调信号对CNR的间接影响,并进行了理论计算与仿真分析. 仿真结果表明:在饱和条件下,转发器增益回退可以改善CNR损耗. 当干扰信号发射功率为45 dBW时,转发器回退?1 dB可以达到最小的CNR损耗为?1.55 dB. 随着干扰增强,最优的增益回退值会逐渐增长,同时最小的CNR损耗也会增加,研究成果可应用于卫星转发信道中,为饱和条件下转发器增益调整优化提供指导借鉴.      

3D building model-based pedestrian positioning method using GPS/GLONASS/QZSS and its reliability calculation

The current low-cost global navigation satellite systems (GNSS) receiver cannot calculate satisfactory positioning results for pedestrian applications in urban areas with dense buildings due to multipath and non-line-of-sight effects. We develop a rectified positioning method using a basic three-dimensional city building model and ray-tracing simulation to mitigate the signal reflection effects. This proposed method is achieved by implementing a particle filter to distribute possible position candidates. The likelihood of each candidate is evaluated based on the similarity between the pseudorange measurement and simulated pseudorange of the candidate. Finally, the expectation of all the candidates is the rectified positioning of the proposed map method. The proposed method will serve as one sensor of an integrated system in the future. For this purpose, we successfully define a positioning accuracy based on the distribution of the candidates and their pseudorange similarity. The real data are recorded at an urban canyon environment in the Chiyoda district of Tokyo using a commercial grade u-blox GNSS receiver. Both static and dynamic tests were performed. With the aid of GLONASS and QZSS, it is shown that the proposed method can achieve a 4.4-m 1σ positioning error in the tested urban canyon area.     

基于信号模拟器的接收机抗干扰测试方法研究

为了衡量导航终端接收机的抗干扰性能,满足产品测试需求,针对干扰信号的复杂特点,研究了导航终端接收机的抗干扰性能测试方法。针对几种典型的干扰信号进行分析和仿真,得到最佳干扰效果。同时利用软件的信号模拟发生器,改变干扰类型、干扰强度以及干扰频段,对卫星导航软件接收机的抗干扰能力进行了测试,仿真实验验证了测试方法的可行性。