BDS卫星空间信号异常探测及性能评估方法研究

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的空间信号异常会对用户的导航定位性能产生影响。异常信号的探测和性能评估对广播星历播发的空间信号(signal-in-space,SIS)的连续性、可用性和完好性等显得尤为重要。     

频谱分离对功率增强条件下GPS信号干扰影响分析

分析了BOC调制频谱分离对GNSS信号互干扰大小的影响。将基于载波跟踪谱分离系数和基于伪码跟踪谱分离系数等效载噪比下降的计算方法,用于分析频谱分离对功率增强条件下GPS军用信号自干扰强度、GPS军用信号对民用信号干扰强度的影响。结果表明,频谱分离对功率增强条件下军用信号自干扰大小的影响较小,但会较大幅度降低军用信号对民用信号的干扰,从而从根本上解决功率增强条件下军用信号对民用信号的干扰问题。     

BDS空间信号连续性的初步评估

针对BDS空间信号的连续性评估问题,分析GPS和Galileo系统的连续性评估情况,并给出BDS空间信号连续性评估的模型和统计步骤。算例采用2013年1月1日至2013年3月24日的数据,评估结果发现:不考虑中断类型,连续性的均值为0.996 235,考虑计划中断的前提下,连续性的均值为0.998 064;GEO星的平均连续性都是最好,MEO卫星的平均连续性都是最差,IGSO卫星居中,对比BDS的公开服务性能规范中的指标,发现三类卫星的平均值都满足指标的要求。     

GNSS信号数字畸变频域模型的建立

从BPSK、BOCs（1,1）以及BOCs（m,n）信号的自相关函数和数字畸变互相关函数出发,推导出BPSK、BOCs（1,1）以及BOCs（m,n）信号数字畸变的互相关功率谱,建立了数字畸变频域模型,通过比较传统数字畸变模型和数字畸变频域模型的测距偏差,证明在分析畸变信号影响时,数字畸变频域模型可以代替传统数字畸变时域模型,从而简化了数字畸变信号影响的分析过程。     

一种基于功率可行域的卫星导航欺骗干扰评估方法

针对欺骗干扰评估场景复杂、反欺骗策略繁多等所导致的量化评估难度大的问题,建立了欺骗对抗场景到欺骗对抗效果的评估模型和映射过程,并从欺骗对抗场景中的功率空间和欺骗对抗效果中的欺骗有效概率出发,设计了基于欺骗有效功率可行域的评估方法与指标。仿真结果表明,该评估方法可以实现不同反欺骗策略之间性能的量化对比,能够为接收机反欺骗算法选择和优化提供量化评估方法。     

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...     

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。     

不同IGS精密产品对BDS评估ZTD差异性分析

分析了ESA、GBM以及WUM 3种精密产品在精密单点定位以及天顶对流层延迟评估中的差异性。实验结果表明,BDS采用3种精密产品解算得到的精密单点定位精度都在cm级,但是采用GBM产品解算精度最优,其次为ESA产品,最低为WUM产品。采用ESA、GBM2种精密产品均能精确评估出ZTD值随历元变化情况,其中静态精密单点定位评估ZTD估值RMS差值均在mm级,而动态精密单点定位GBM产品评估ZTD估值RMS差值在mm级,ESA产品评估ZTD估值RMS差值在cm级,但WUM产品不适合进行ZTD值评估。     

不同卫星天线参数对BDS定轨定位精度的影响

论证了BDS精密单点定位时卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品保持一致的必要性。基于4组不同卫星天线参数BDS精密定轨RTN3方向内符合精度,GEO卫星均在9.3、18.6、11.5cm左右,IGSO卫星均在1.7、4.2、2.7cm左右,MEO卫星均在2.1、5.1、4.8cm左右,在R方向的差异小于5mm,在TN方向的差异最大为2.4cm;定轨结果与GFZ的事后精密产品比较,RTN3方向外符合精度差异较明显,排除GEO卫星因定轨策略与GFZ差异较大的因素,IGSO和MEO外符合精度ESA和WHU相近,RTN3方向均在10cm以内,各分量上优于IGS和EST 1~10cm,其中TN方向差异最显著。在保持BDS PPP使用的卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品一致的前提下,4组卫星天线参数定位精度相近,其中静态定位最后一个历元水平和高程方向坐标偏差均在5cm以内,动态定位收敛后坐标偏差RMS水平方向在10cm以内、高程方向在15cm以内;使用ESA和WHU天线参数动态定位平均收敛时间在46min左右,IGS和EST天线参数动态定位平均收敛时间在56min左右,略差于基于GFZ事后产品的收敛时间,其平均收敛时间在34min左右。     

GEO对BDS伪距单点定位影响分析

BDS星座构成不同于其他导航定位系统,GEO卫星的独特性将会增加我国BDS定位的优势,因此,本文选取多个MGEX跟踪站数据,分析了GEO卫星对BDS系统B1I和B3I单频伪距单点定位精度的影响。实验结果表明,GEO卫星能明显改善BDS卫星可用性,使BDS卫星可见数有明显增加,使PDOP值有明显降低,同时GEO卫星能有效提升BDS伪距单点定位精度,使伪距单点定位精度提升都在分米级,水平定位精度提升量在13%以上,高程定位精度提升量在10%以内。     

减小有用信号损失的BDS窄带干扰抑制技术研究

窄带干扰抑制的关键在于抑制干扰的同时尽可能地减少有用信号的损耗,论文基于时频域结合的干扰抑制方法,在完成频域干扰参数检测的基础上,重点针对影响干扰抑制效果和有用信号损耗的关键环节——无线冲激响应（IIR）陷波器的设计展开研究,根据零极点配置原理,通过理论研究和详细的推导分析,提出通过增加一对零极点,并结合理论计算确定极角与极径,在保证通带增益可控且过渡带对称的前提下,使陷波器得到更为陡峭的带阻特性,理论上可减少有用信号的损耗、提高抑制干信比. 与目前主流的时域最小均方算法（LMS）算法、基于快速傅里叶变换（FFT）的频域抑制算法和传统型时频域结合算法的仿真结果对比证明,提出的方法捕获峰噪比分别提升了53.47％、8.369％和5.907％,平均输出载噪比分别提升了5.1472 dB、2.0037 dB和0.5086 dB,在有效抑制干扰的同时,保留了更多的导航信号.      

频域叠加的大频偏导航信号捕获算法

在卫星导航接收机的设计和实现过程中,信号捕获是卫星信号同步的关键步骤。只有捕获到了正确的相位和多普勒信息,才能初始化跟踪环路,进而完成信号的同步。针对高动态接收机在大频偏条件下实现信号捕获需要进行多次频域搜索,计算量成倍增加的问题,该文以GPS系统为例,分析了多普勒频偏对相关峰的影响,利用频域叠加技术设计了在多普勒频移过大条件下的信号捕获方案。分析结果表明,该捕获方案可以完成大频偏下的信号捕获,降低了多次频域搜索带来的计算量,并且具有较好的捕获性能。     

输电线路电磁干扰对北斗变形监测数据质量及定位精度的影响分析

我国自主研发的北斗卫星导航系统已完成组网,除了传统测绘领域之外,目前北斗正在各行业普及,落实相关应用。本文针对输电线路地质灾害监测应用,从北斗原始观测值数据质量、定位精度两个角度探究输电线路电磁环境对北斗卫星监测数据的影响。长达23d的500kV输电线路北斗监测数据分析结果表明：在强电磁干扰、无电磁干扰两种情形下,数据完整率差异小于1%,多路径效应差异小于0.1m,信噪比差异均小于0.3dBHz,周跳比差异均小于150;定位精度的相对差别小于5%。综合而言,输电线路电磁环境对北斗变形监测数据质量及定位精度的影响不显著。     

北斗系统三频单点定位性能研究

针对国内外对北斗三频研究较少的情况,本文采用实际接收数据分析了目前星座结构为5颗GEO卫星,5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星的北斗二代系统三路信号(B1、B2、B3)的具体性能;结合实测数据分析B1、B2、3三路信号的信噪比,多径误差以及单点定位精度,推导出处理三频数据的多径误差的数学模型。最后通过实验得知,B3信号的信噪比小于B1、B2,同时较小的多径误差使其定位误差小于B1、B2;研究结果补充了GNSS三频多径误差算法,也在一定程度上对北斗系统三频信号定位性能做出整体评估。     

基于BDS三频信号的大变形提取算法研究

提出了一种利用北斗卫星导航系统(BDS)三频载波相位信号提取大变形量的单历元算法.该算法基于监测点变形前坐标,采用BDS三频信号构建的超宽巷组合利用无整周问题的数据处理策略求取变形粗略值,通过宽巷及L1原始观测值逐步精化求得精确的变形信息.采用变形监测试验平台的一组实测变形数据进行测试,验证了本文算法的可行性.     

北斗载波相位差分的高频测速

针对GNSS测速方法中,传统单站历元间伪距单点定位位置差分及原始多普勒观测实时估计载体速度精度较低的问题,该文通过GNSS模块输出的载波相位观测值,根据相位中心一阶差分导出多普勒观测值的方法、同时系统地分析参数估计中各项误差源的影响,最后通过多普勒测速原理实时估计载体的速度信息。实验结果表明,该文所采用的方法静态模式下精度可以达到1～2mm/s,动态情况下测速精度可以达到5cm/s,较好地满足了机械控制领域的测速需求。     

GPS射频干扰浅析

由于GPS接收机的工作有赖于GPS卫星信号，所以易受射频干扰(RFI)的影响。射频干扰可能会引起导航精度的降低或接收机跟踪的丢失。本文论述了信号噪声比和信号噪声密度比的概念，分析了射频干扰对GPS接收的影响，最后说明了直接检测RFI的方法以及RFI源的定位。     

GPS/Galileo/BDS系统测距信号精度分析与评价

随着Galileo、BDS的建设和GPS的发展完善,多系统多频融合的趋势促进了多模GNSS接收机产业化应用。利用零基线双差法对GPS/Galileo/BDS双频观测值进行测距信号精度评估,通过24h的观测数据分析,结果表明Galileo IOV卫星双频观测值残差值最小,测距信号精度最优,其次是BDS;Galileo与BDS系统载波相位观测精度均优于2mm,伪距观测精度优于0.2m,GPS系统测距信号精度相对较差。同时,通过对比Trimble NET R9、Septentrio POLARX4及Javad TRE_G3TH_8三种不同类型接收机间观测值残差及基线坐标偏差,得出NET R9和POLARX4接收机内部噪声水平相当,TRE_G3TH_8稍差的结论。     

偏航姿态对北斗精密单点定位的影响分析

当太阳相对于卫星轨道面的高度角较小时,北斗导航卫星将不会跟踪太阳位置,卫星姿态发生异常复杂的变化后一段时间内处于零偏模式。在此期间采用名义姿态将影响卫星天线相位中心偏差、相位缠绕等误差计算,进而使精密单点定位(PPP)参数估计和天顶对流层延迟估计出现偏差。研究表明,在北斗导航卫星处于零偏期间,采用名义姿态计算的相位缠绕、天线相位中心偏差中存在超过15cm的误差。在此期间的北斗卫星采用零偏姿态改正相位缠绕等误差,与采用名义姿态相比,动态PPP位置参数N、E、U的估计精度可以提高53.2%、54.2%、39.3%,静态PPP位置参数N、E、U的估计精度可以提高61.0%、72.3%、58.4%,天顶对流层延迟估计精度提高33.0%。     

BDS3新试验卫星测距信号质量分析

中国的北斗卫星导航系统按照“三步走”的发展战略稳步推进,目前正处于第二代区域卫星导航系统向第三代全球卫星导航系统发展的关键时期。在郑州设置实验测站,实地采集BDS3新试验卫星的数据,分别从卫星可见数、信号频点、载噪比、伪距观测噪声值、多路径效应等方面分析BDS3试验卫星测距信号的质量。结果表明:对于相同频点,不同卫星的载噪比、伪距噪声、多路径效应变化略有不同,一般而言,倾斜同步轨道卫星(IGSO)的性能优于中轨道卫星(MEO)的性能;相同轨道类型的卫星,载噪比、伪距噪声、多路径效应水平相似,并且载噪比、伪距噪声、多路径效应在各个频点的相对大小关系基本一致。