抗干扰型卫星导航接收机中本地载波优化技术

载波数字振荡器(NCO)是导航接收机中对接收信号进行载波剥离处理的关键部分. 在接收机的基带数字信号处理模块中,NCO通过量化位宽和地址字长分别对本地载波信号的幅值和频率进行量化,即通过存储器数据的位宽和深度设计本地载波. 在给定输入信号/干扰动态范围下,根据本地载波的特点,优化设计了载波NCO中只读存储器(ROM)的幅值量化位宽和地址字长,使其适应实际工程需求,在保证信噪比(SNR)损耗和频率误差的条件下避免了本地载波存储的冗余. 实验结果表明:从需求出发设计导航接收机本地载波的最优位宽和深度,可保证数字下变频SNR损耗小于0.1 dB,本地载波实际输出频率相对误差小于0.1%,且最优位宽和深度小于优化前,减小了存储资源占用率,有效地提高了本地载波输出信号在动态信号和干扰下的适应性.      

北斗室内导航伪卫星信号传播效应分析

室内场所因建筑物的遮挡,卫星导航设备无法接收导航信号而失去定位能力,伪卫星可以通过发射类似导航信号的方式独立进行定位。针对伪卫星信号在室内传播面临的功率衰减、多径衰落等问题,该文在经典室内通信模型的研究基础上,分析了伪卫星信号室内传播的应用环境和约束条件,建立了伪卫星信号室内传输的信道模型,并对伪卫星信号功率以及路径损耗、多径传播模型进行了计算仿真。仿真结果表明,对数距离路径损耗模型及莱斯分布多径模型可准确描述室内伪卫星信号的传输特点。     

地基GNSS-IR风速反演原理及方法初探

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)的发展,曾经被认为是误差源的多路径效应,已经被证实可以用来监测水位、雪深、植被指数、土壤湿度等反射面参数,其中的地基分支逐步发展为GNSS干涉遥感(GNSS-interferometry refl ectometry,GNSS-IR)技术.为了扩展GNSS-IR技术的监测对象和应用范围,本文提出了一套地基GNSS-IR风速反演的原理及方法.首先,本文基于信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)振荡原理、散射模型原理、波浪谱原理,从理论上证明了SNR截止高度角参数与风速之间存在一一对应的数学关系,并仿真得到了具体的数学关系.然后,本文使用小波分析方法从实测SNR序列中获取SNR截止高度角,并将同一GPS卫星、每天同一时间内SNR序列的截止高度角进行基准统一,获得截止高度角变化量;根据该变化量反演风速.算例选取香港HKQT站在"山竹"和"天鸽"台风前后时间的数据进行分析,结果发现:GPS L5信号的截止高度角变化量与实测风速数据对应关系良好,相关性达到70％ ～85％;截止高度角变化量可以刻画风速从低风速逐步抬升至高风速的变化情况;同一站点截止高度角变化量与风速之间存在特定的数学关系;相关结论证实了利用SNR可以估计风速变化.最后,本文讨论了GNSS-IR风速反演技术中下一步的研究方向,以期推进该技术的实际应用进程.     

基于GNSS-R的海面风场监测系统研究

为全面获取海面粗糙度信息,实现导航卫星反射信号高精度风场反演,在给出海浪谱及散射信号相关功率模型基础上,通过对海面时延一维、时延/多普勒二雏信息采样方式进行分析和仿真,验证了散射信号相关功率Z-V模型.仿真结果表明,时延/多普勒二雏采样方式能全面反映海面粗糙度信息.以此为理论依据设计完成了基于二维信息获取的多普勒延迟映射接收机,阐述了接收机的硬件组成及工作原理,分析了多普勒串行码片并行的数据处理模式,为导航卫星反射信号的海面散射功率获取提供了可靠方式.     

发射信号不完善性对卫星导航系统内及系统间干扰的影响分析

研究了3种典型的卫星发射信号不完善性——载波泄漏、互调失真和杂散辐射对于卫星导航信号的接收所带来的干扰,通过信号建模以及谱分离系数、码跟踪谱灵敏度系数和等效载噪比的解析计算对干扰效果进行量化分析;针对GPS和Galileo系统L1/E1频段的信号进行了多层次的仿真计算,给出了综合考虑噪声、信号损耗、外源干扰、GNSS系统内和系统间干扰,以及3种信号不完善性单独作用、两两组合和综合作用下的结果,其中对于GPS L1C/A短码考虑了电文调制对线谱的影响。结果表明,当总的不完善干扰功率水平达到一定程度后,其对接收机信号捕获跟踪和解调的影响大于系统间干扰,不能忽略。     

卫星导航信号捕获的一种高效相关算法

信号捕获的相关层实现在整个接收机的硬件资源中占据了重要的比重.为了能够降低量化损耗和减少相关层所需的硬件资源,论文提出了一种高效的相关算法.相比传统实现方法,论文所提算法能够将加法树所需硬件资源降低1／2,同时量化损耗减少约0.3 dB.该算法对卫星导航接收机的低成本和低功耗实现具有重要的参考价值.      

风云三号D卫星GPS信号功率调整及干扰分析

全球定位系统(global positioning system,GPS)卫星的IIR和IIF卫星能够在各个信号分量之间重新分配其发送信号的功率,一个或多个GPS信号可以在指定区域根据需要进行功率调整或者关闭。分析GPS信号的变化特征对于地面和空间应用有重要的意义。风云三号D(FengYun-3D,FY-3D)卫星是中国极轨气象卫星之一,利用FY-3D卫星实际测量数据可以帮助GPS用户全面了解GPS功率调整的特点。首先,利用FY-3D运行轨道全球覆盖的特点分析GPS信号的强度,特别是GPS信号功率调整时间段信号变化的特点;然后,使用在轨数据研究了全球范围L波段信号干扰的特征,得到了干扰对全球导航卫星系统掩星探测仪掩星天线的自动增益控制和基底噪声的影响。结果表明：从2020-02-14开始的GPS功率调整以[35°N,37°E]和[35°N,69°E]为中心,覆盖半径约为7 500 km,在该区域内GPS P(Y)码功率增加约10 dB;GPS L1和L2频段在中东地区持续受干扰的影响,该区域的基底噪声比其他区域增加约3～10倍;干扰区域中心点和GPS功率调整区域中心点大致在同一位置。G...     

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。     

导航卫星系统功率增强技术与覆盖范围研究

基于国内外导航卫星功率增强设计的研究,在系统层面上仿真分析我国导航卫星系统中的GEO卫星在不同的仰角下天线波束的地面覆盖区域。在对功率增强技术分析的基础上,着重研究我国导航卫星系统的功率增强信号的覆盖范围,给出10 dB、15 dB、20 dB、25 dB不同功率增强要求下,地面接收功率、天线波束覆盖范围的仿真分析,提出功率增强要求对于卫星的约束条件。并从地面接收信号强度、功率增强的覆盖范围、功率增强技术的实现难度、导航卫星系统的多普勒碰撞问题方面进行的我国导航卫星系统与GPSⅢ系统性能对比。     

基于铱星突发信号的导航定位技术研究

全球导航卫星系统(GNSS)存在落地信号弱、易受干扰等问题,而低轨卫星系统因其较高的信号落地功率、较低的信号空间损耗以及较好的多普勒特性逐渐成为导航领域的研究热点. 铱星星座是目前唯一已实现全球覆盖的低轨卫星系统,其提供的授时与定位(STL)能力主要服务于美国军方,具体信号体制及接收处理技术均未公开发布. 通过对铱星STL突发信号体制开展深入研究及解析,提出利用STL突发信号实现非合作导航定位,并通过实收信号完成了定位解算算法验证,实收试验结果表明所提算法能够实现精度优于100 m的定位. 研究成果能够为我国低轨导航系统建设提供理论基础,有效推进下一代卫星导航系统持续发展.      

北斗系统差分码偏差解算中一种新的定权方法

差分码偏差(DCB)参数是影响用户定位、导航、授时和电离层求解的重要误差源之一。分析了北斗卫星导航系统不同轨道卫星高度角与不同频点信噪比(SNR)差值间的关系。实验分析表明:不同轨道卫星间信噪比差值具有较大差距,IGSO卫星信噪比差值(DSNR)较小且较为稳定,明显优于其他卫星;GEO卫星信噪比差值变化较小但绝对值较大;MEO卫星变化频繁且幅度较大。针对北斗系统具有多种轨道卫星的特点,结合卫地距与不同频点信噪比差值,提出了一种新的定权公式,并系统分析了不同定权方式下卫星DCB解算结果。实测数据分析表明:新的定权公式可以提高DCB解算精度,增强解算结果的稳定性。其中对于B1,B2和B1与B3差分码偏差,GEO卫星分别提高1%~15%和9%~16%;IGSO卫星提高4.5%~16%和8%~9%;MEO卫星提高20%~22%和27%~28%。     

基于正交子空间投影的伪卫星远近效应消除方法CSCD

针对地基伪卫星系统中接收机受到远近效应影响无法正确捕获远场伪卫星信号这一问题,引入了基于正交子空间投影算法的捕获优化方法.该方法应用于码分多址伪卫星信号,通过常规滑动相关法得到的强信号码相位和多普勒频移计算正交投影算子,将接收信号与其在强信号空间的投影相减得到弱信号空间并重新进行捕获,以消除强信号对弱信号的干扰.实验结果表明:强弱信号在小于30 dB的功率比范围内,应用正交子空间投影法可以有效改善弱信号捕获性能.这对拓宽地基伪卫星系统的有效工作范围、提升伪卫星接收机信号功率比容忍限度具有重大意义.     

海面GNSS-R模型与时延-多普勒特征研究

GNSS海面反射信号的建模对全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R)遥感应用具有重要意义.针对海面GNSS反射信号建模问题，本文采用Z-V模型研究了GNSS反射信号的时延一维相关功率和时延-多普勒二维相关功率特征，分析了不同风速下一维相关功率的变化情况，讨论了时延间隔和多普勒间隔对时延-多普勒图(delayDoppler map,DDM)的影响.数值结果表明：海面GNSS反射信号的相关功率对海面风速具有敏感性，在DDM波形仿真中，应选择合适的时延与多普勒间隔参数.该模型可模拟不同海况下海面GNSS反射信号的相关功率，为GNSS-R反射信号模拟及海洋遥感应用提供理论模型支撑.     

利用抖动量化和信噪比的自适应鲁棒音频盲水印算法

提出了基于抖动量化和信噪比(SNR)的自适应鲁棒音频盲水印算法.在分析经典量化方法存在的安全问题的基础上,提出了抖动量化嵌入和提取水印的方法,抖动量由密钥控制的混沌通过映射产生,加强了系统的安全性.针对现有水印算法需通过反复实验确定合适嵌入强度的问题,算法基于音频内容的信噪比公式自适应地计算水印嵌入强度.实验表明,本算法是不可听的,对常规信号处理操作是鲁棒的.     

利用北斗观测实验网解算北斗卫星差分码偏差

差分码偏差(DCB)是电离层总电子含量(TEC)监测和建模的主要系统误差,卫星DCB也是卫星导航系统导航电文的重要参数。研究了卫星DCB的估计算法,推导了不同基准下DCB的转换公式,利用北斗观测实验网解算了2013年北斗卫星的DCB。在同一基准下分析了北斗卫星DCB的稳定性,并与MGEX发布的DCB产品进行了比较分析。实验结果表明,该方法解算的北斗卫星B1-B2DCB在-9~17ns之间,北斗卫星DCB的稳定性优于0.4ns;北斗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)卫星稳定性优于地球静止轨道卫星(GEO)和中圆地球轨道卫星(MEO);利用北斗观测实验网解算的北斗卫星DCB与MGEX解算结果存在最大约1.7ns的系统偏差,可能由于测距码的不一致性所致;接收机硬件材质的不同是导致接收机DCB差异的主要影响因素。     

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.      

GEO卫星条件下的辅助式定位算法性能分析

在卫星导航定位过程中,当辅助式定位算法在信号质量不佳时,利用更多的观测卫星数据进行冗余计算,能够补齐缺失的信号时间并得到定位结果. 由我国自行研制的北斗卫星导航系统(BDS)采用了混合卫星星座,有一类地球同步轨道(GEO)卫星,具有24 h可见、轨道高覆盖面大、信号功率强等优势. 论文分析了在特殊情况下,只能接收到GEO卫星时的辅助式定位算法以及算法的性能差异. 结果表明:在没有高程等先验信息辅助的情况下,直接使用5颗GEO卫星也能获得一定的定位精度保障.      

卫星导航系统链路预算方法研究

卫星导航系统中,为了保证卫星发射信号到达地面的功率基本相等,卫星发射天线采用阵列天线,天线增益方向图设计为“马鞍”形,使得卫星导航系统的最大、最小链路预算方法不同于传统的卫星通信系统。结合工程实际,给出一种综合考虑卫星发射天线增益、自由空间衰减、大气衰减、极化失配损耗等因素的卫星导航系统最大、最小链路计算方法,对我国北斗全球卫星导航系统载荷和链路设计具有一定的参考价值。     

灰色模型在无人机定位中的应用研究

针对北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)在无人机定位中由于信号过弱或干扰过强而无法正常运行的问题,提出一种基于灰色理论的无人机预定位方法,以解决数据不完整情况下的轨迹坐标预测问题.该方法利用灰色模型GM(1,1)灰色微分的连续性,根据无人机的历史离散数据建立了坐标点预测模型,利用实测数据验证了该模型的有效性,并通过仿真实验量化分析了灰色模型在定位预测的精确度,计算了其误差概率.通过与传统定位方式对比可知,该模型所需要的数据量较少且计算方便,实现复杂度较低.     

基于基带S模式信号的联合TOA估计算法研究

针对广域多点定位系统中接收信号信噪比(signal to noise ratio, SNR)低导致到达时间(time of arrival, TOA)提取不准确的问题，提出了一种匹配滤波结合非相干积累的联合TOA估计算法，该算法能够有效降低匹配滤波法在低SNR下TOA估计的均方根误差(root mean square error, RMSE).联合算法通过对二次雷达驻留时间内接收的应答信号的匹配滤波输出做非相干积累，在最大值点处标记时间戳进行TOA估计，利用能量累积原理提高SNR，从而使得估计精确度得以提升.仿真结果表明：该算法可在-15 dB SNR,53 MHz采样频率及9个积累信号时，达到24.302 ns的TOA估计精确度.所提联合TOA估计算法具有高精确度与高稳健性的特点，能够在-15～0 dB SNR将估计精确度提升至25 ns以下，为提取低SNR S模式信号TOA进而提升广域多点定位精确度提供了一种有效的方法.