导航通信探测一体化信号设计探究

随着现代社会从信息化时代向智能化时代发展,导航通信探测信号的数量急剧增长,指标要求也日益提高,在有限的频谱资源、设备重量、体积与功耗约束下,人们对资源共享多功能一体化信号的需求愈发迫切. 如何通过灵活的信号设计实现资源高效利用和功能动态调整,是该领域当前亟待解决的难题. 本文首先提出了基于“积木单元”思想的信号设计框架,将信号表征为信号矢量和波形基函数的形式,选择基函数的系数组合重构信号矢量,就可以等价地表示对应的信号设计,从而将波形域的信号优化设计转换为信号空间的矢量优化问题. 进一步,分析了传统的信号评估方法,在所提的一体化信号设计框架下推导了导航、通信、探测信号度量准则. 最后,提出了一体化信号度量准则,为信号设计提供了可解释、可量化的优化目标,并讨论了一体化信号设计需要考虑的部分约束,包括能量约束、电磁频谱约束、峰均比等.      

基于GPS新型L5信号的地表雪深反演研究

利用GPS多路径反射信号测量地表雪深具有全天候和高时空分辨率的特点,因此其可作为一种代替气象站监测雪深的新手段。然而,先前大多数研究仅使用了GPS L1和L2C波段信噪比数据探测积雪深度。为验证新型的L5信号在雪深反演方面的优越性,本文阐述了GPS-R技术反演雪深的原理,利用Lomb-Scargle周期图法所处理的受积雪表层影响的信噪比数据计算了频谱振幅强度,通过获取频谱特征值与天线高度的关系求解雪深值,最后分别与L1反演结果和实测雪深数据进行了对比。试验结果表明：与现有的GPS-R测量雪深结果相比,利用新型的L5反射信号反演地表雪深的精度更佳;采用GPS-R技术探测雪深对把握测站区域内的雪深变化情况和淡水资源储量具有重要价值。     

GPS反射信号信噪比与NDVI相关性研究

归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）作为重要的植被生长状况植被指数,对其进行有效实时监测具有重要科学意义。选择4个大陆板块边界观测网（plate boundary observatory,PBO）观测站的GPS信噪比观测值,提取反射信号信噪比并计算归一化振幅,通过与MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）NDVI产品时序频谱特征的相关性分析,建立GPS反射信号植被指数线性反演模型和BP神经网络反演模型。分析发现:GPS反射信号信噪比归一化振幅与NDVI指数存在显著年周期性和季候特性,NDVI线性反演模型相关系数均约为0.7,均方根误差处于0.05~0.09之间,BP神经网络反演模型相关系数提高了约5%。利用GPS反射信号反演NDVI变化趋势具有可行性,为获取高时间分辨率、低成本的NDVI指数提供了一种新思路。     

伽利略系统信号调制体制研究

伽利略卫星导航系统的第一颗实验卫星已经发射到太空。在信号调制方面，除使用二元偏置载波（BOC）调制技术外，还首次使用了交替二元偏置载波（ALTBOC）调制技术。总结了伽利略卫星导航系统各信号的信号调制方式、各频段的信号调制体制，特别是BOC调制及ALTBOC调制技术的基本原理。然后，通过对伽利略卫星导航系统调制参数变动过程的研究，分析了在频谱及调制体制方面伽利略卫星导航系统与GPS的兼容性。     

eLoran系统新型信号波形设计及其性能评估

增强型罗兰导航系统(eLoran)作为全球卫星导航系统(GNSS)的备份系统,是国家定位导航授时(PNT)安全的重要基础设施.针对目前标准eLoran信号存在易受交叉干扰、天波干扰,通信数据传输速率低等的问题,本文基于标准罗兰信号体制提出了两种波形改进方法(衰减函数法与对称波形法)并对新型波形进行性能评估.实验结果表明,两种方法能够有效缩短波形持续时间,加速后沿波形下降,减小发射机功耗.对称波形法能够大幅减小波形持续时间,但缩短波形持续时间也将改变原信号波形的频谱特性,利用衰减函数法可以最大程度保证信号的频谱性能.综合分析可知,新型波形能够有效利用时域资源,空余的时间可用于增加传输信号,进而提高数据调制技术的性能.     

卫星导航信号体系设计研究

针对卫星导航当前面临导航信号测量性能提高、应用环境更加苛刻、导航频段频谱资源紧张等需求,合理的信号体制和各类标准的相辅相成是卫星导航系统持续稳定运行的重要保障。该文在梳理和分析国内外公开的卫星导航信号体制的基础上,研究了卫星导航信号的载波频率、调制方式、信道编码、导航电文等关键组成要素,简要剖析了各组成要素对系统兼容性、互操作性、码跟踪捕获性能、抗干扰性、抗多径及用户终端成本等方面的影响,开展了卫星导航信号设计的需求分析,设计提出了一种卫星导航信号设计标准体系。     

沉降数据序列分析方法研究

针对沉降数据序列的特征,研究了多项式回归方法、小波降噪方法、频谱分析法在沉降数据处理中的应用.多项式回归残差和小波降噪残差统计指标对比表明:在趋势项分离过程中,小波降噪方法优于多项式回归方法.小波降噪的残差频谱分析结果表明了沉降数据序列在2个月和4个月的周期性信息.     

北斗新体制信号接收机首次定位时间测试

北斗系统的导航信号体制发生了改变,调制方式从BPSK调整为BOC。BOC调制信号的频谱中上边带和下边带的冗余,自相关函数中的多峰等特征在接收机的信号截获、码跟踪以及数据解调等处理中带来好处。为了考察新体制信号对接收机服务性能的影响,该文对新体制信号接收机的首次定位时间的测试方法、评定方式进行了探讨,在模拟信号、新体制信号、实际信号几个方面对首次定位时间进行了比较,从接收机测试的层面对新体制信号做了初步分析。该文采用笔者所在单位自主建设完成的模拟信号自动化测试平台,完成了GNSS接收机常规检测校准工作中较难完成的首次定位时间测试项目。     

GPS站坐标时间序列的半参数回归分析

以中国BJFS站高程方向坐标时间序列为例,分别采用传统参数回归模型与半参数回归分析模型进行比较,实测结果表明,半参数回归分析模型能够最大程度地分离周期信号,其周期信号频谱功率明显低于经典最小二乘回归方法。     

罗兰C接收机的数字带通滤波器的设计

根据罗兰C信号的特点,设计直接FIR滤波器,在直接FIR滤波器的基础上介绍插值滤波器设计方法,根据罗兰C信号的频谱特性设计出满足要求的插值滤波器,通过比较发现：在相同的参数下,插值滤波器比直接FIR滤波器节省了很大的阶数,体现在运算量和资源占用量,在工程应用上有很大的优势,而且所要求的频带越窄,采样率越大,节省资源的百分比就越大。     

沉降数据序列分析方法研究

针对沉降数据序列的特征，研究了多项式回归方法、小波降噪方法、频谱分析法在沉降数据处理中的应用。多项式回归残差和小波降噪残差统计指标对比表明：在趋势项分离过程中，小波降噪方法优于多项式回归方法。小波降噪的残差频谱分析结果表明了沉降数据序列在2个月和4个月的周期性信息。     

GPS IF信号的计算机模拟和实现

提出了用GPS卫星星历来近似模拟计算载波多普勒频率和卫星信号延迟,进而用计算机模拟GPS接收机的中频数字信号,为软件GPS接收机的模型算法提供数据源.与实际接收的卫星中频数字信号的频谱进行比较,结果表明,用计算机模拟GPS IF信号是可行的和有效的.     

基于频分相分联合的正交复用技术研究

随着导航系统的增多,导航频段越来越拥挤,不同导航系统和不同卫星之间的干扰愈发严重. 二进制偏移载波调制方式是通过设计分裂功率谱来减少频谱混叠,以削弱互相关干扰的影响,但其没有考虑子载波相位的关系,存在进一步优化的空间.本文通过综合考虑子载波的频率和相位关系,使不同卫星信号间得到近似正交的互相关性能,从而有效削弱卫星信号之间的干扰.      

圆周移位在伪码补零BDS信号捕获算法中的应用

D1导航电文中加入了NH码,且D2导航电文的速率也比GPS信号的快很多,使得BDS的信号结构增加了捕获难度。采用伪码补零的方法可以对BDS信号进行有效捕获,但是该方法积分时间较长导致捕获耗时变长。本文提出了一种基于圆周移位的改进伪码补零算法,将搜索中复杂的载波剥离运算用计算量很小的频谱序列的搬移操作来代替,使算法复杂度大幅下降。试验结果表明,该方法可以有效减少运算量和捕获耗时。     

A-10绝对重力仪残差谱分析

自由落体式绝对重力仪A-10的测量数据拟合残差呈现出明显的周期信号,对4个测站的残差进行FFT处理,并进行频谱分析,结果表明残差组平均的频谱更加稳定,主峰频率与测站无关,主峰幅值与测站明显相关,加周期项改正的绝对重力值偏小。     

GPS-R技术辅助的土壤水含量变化监测

针对传统地表土壤含水量测量方法时空分辨率小等不足,研究一种基于GPS卫星信号的矿区地表土壤水含量反演算法。针对傅里叶变换难以处理非均匀时序数据,设计了一种Lomb Scargle算法分析GPS信噪比特性。直接分离其中的直射信号和反射信号,提取多路径反射信号并分析其时频特征。通过与实测数据对比,分析反演土壤含水率的可行性。结果表明:反射信号频谱特征与实际数据具有较强的相关性。该方法为高时空分辨率监测地表土壤含水率提供了一种新的思路。     

利用频谱能量进行高分辨率遥感图像地物识别

提出了一种基于频谱能量的高分辨率遥感图像地物识别方法。首先将预处理后的典型地物的遥感图像通过傅立叶变换从空间域转变到频率域,然后用位于频谱中心的一个矩形窗口提取频谱图上对能量贡献起主导作用的低阶频谱能量系数作为目标识别的主要特征值,并利用该特征值结合SVM分类方法对目标地物样本进行识别和分类。研究结果表明,每种地物样本均获得了较高的识别结果,总体精度达到了88.96%。     

一种基于频谱段能量的高分辨率遥感图像边缘特征检测方法

从图像信号的能量角度出发,探讨一种基于频谱段能量的高分辨率遥感图像边缘检测的方法。该方法采用滑动窗口傅里叶变换和频谱能量分段叠置的手段,将含有噪声的图像信号分解到不同的频谱段中,然后根据直流中心频谱段图像良好的噪声抑制特性,在此基础上进一步分析其高阶频谱段能量对图像边缘特征的贡献作用,将3×3的滑动子窗口中频谱半径为1～1.5范围内的频谱能量系数进行求和叠置,并量化至0～255的灰度范围,得到最终的边缘检测图像。试验结果表明,基于频谱能量所检测出的图像边缘特征响应较为显著,视觉效果尚可,并且具有特定方向上的边缘检测能力。     

频谱段图像及其应用的探讨

本文描述了一种形成频谱段图像的方法,这种图像记录了相应地物的纹理信息。初步试验表明,在空间遥感中,这种频谱段图像是一种有用的数据源。     

基于频域滤波的高分辨率遥感图像城市河道信息提取

提出一种基于频域滤波的城市河道信息提取方法。首先对高分辨率遥感图像进行傅里叶变换得到频谱图, 并利用径向和角向分布图分析城市河道的频谱特征。其次, 基于城市河道的双线型特点, 将其分为边缘特征和低频信息两个部分, 并根据周期性纹理的频谱模型和地物频谱能量分布规律确定两个部分的频域识别标志。然后设计相应的扇环形带通log Butterworth滤波器和低通Butterworth滤波器分别对城市河道的边缘特征和低频信息进行提取, 并根据该两部分信息实现城市河道信息提取。最后对城市河道信息提取结果进行定量评价, 结果表明, 本文方法可以有效地实现城市河道的信息提取。