卫星双向时间频率传递调制解调器研制进展

卫星双向时间比对调制解调器是卫星双向时间比对系统的核心设备,文章介绍了北京无线电计量测试研究所自主研发的卫星双向时间比对调制解调器(BIRMM modem)的研制情况,该设备具备1Mchip/s,2.5Mchip/s,5Mchip/s三种码速率,最多可拓展10个通道,中频输出频率70MHz。通过本地上星比对试验对BIRMM modem的核心性能指标进行了分析及评估。测试结果表明： BIRMM modem的时间比对精度优于0.3ns。     

基于副载波跟踪的BOC信号跟踪环路设计

针对二进制偏移载波(BOC,Binary Offset Carrier)调制信号跟踪的模糊性问题,提出了一种新的基于副载波跟踪的环路结构.通过增加副载波跟踪模块,对副载波和扩频码进行分离跟踪,解决了BOC信号跟踪的模糊性问题;针对副载波信号周期性的特点,以正弦波作为本地信号,利用锁相环实现对副载波的稳定跟踪.通过软件仿真,分析对比了该环路的码跟踪误差、跟踪门限和平均失锁时间 (MTLL,Mean Time to Lose Lock)等性能指标.结果表明,新的环路结构能在保证跟踪精度的前提下,提高对弱信号的跟踪性能,具有较高的环路稳定性.      

GPS/INS超紧组合载波跟踪环路最优带宽在线设计

在全球定位系统和惯性导航系统组成的超紧耦合系统中,卫星信号的跟踪性能直接取决于载波跟踪环路的带宽。为提高最优带宽的计算精度,在对惯导辅助下载波跟踪环路跟踪特性进行分析的基础上,详细推导了载波多普勒频率估计误差、多普勒频率变化率估计误差的计算方式,建立了惯导辅助下的环路跟踪误差模型;在实时估计跟踪载噪比的基础上,应用离散牛顿二阶梯度法迭代解算最优带宽,并进行实时调整。仿真结果表明,所设计最优带宽迭代解算方法的计算精度能够在11次迭代内达到99.6%,以此作为环路的带宽,能够在弱信号、辅助信息精度较低的情况下有效提高环路的跟踪精度。     

基于Kalman滤波的载波跟踪环路设计

基于Kalman滤波方法提出了一种新的高动态载波跟踪环路的设计方案,用以解决高动态、弱信号条件下对载波跟踪造成的困难。文中给出了整个环路的设计方案,并详细讨论了环路中各个模块的参数传递过程。最后同FLL辅助PLL的跟踪环路进行了对比,仿真结果显示该环路在高动态状态下能够极大的改善跟踪性能。     

智能GPS软件接收机载波跟踪环路设计

传统的GPS接收机设计较为固定,用户不能改变接收机各类参数以适应不同导航信号处理的需要.而软件接收机只需做较小改动就可以适应不同信号,能够迅速分析、仿真、实现各类算法.在GPS软件接收机的基础上,利用鉴频器辅助鉴相器的输出,引入一个模糊逻辑控制器,使得环路能够智能跟踪GPS信号的动态变化.实验结果证明所提出的设计方法与传统环路相比可大幅度缩短跟踪时间,减小环路滤波器带宽,并能消除周跳.      

一种基于移动参考站的卫星双向时间频率传递系统时延校准方法CSCD

设备时延是卫星双向时间频率传递过程中的主要误差源,对其进行校准是获得高精度时间比对的关键。从卫星双向时间频率传递的基本原理出发,分析了基于移动参考站的卫星双向时间频率传递链路设备时延校准的方法。工程实践中,限于条件对校准方法进行了调整,实现了对两站卫星双向时间比对链路设备时延的校准。     

一种新型的用于深空高动态微弱信号载波跟踪环

分析了深空通信中高动态微弱信号载波跟踪方法，提出并分析了载波跟踪中状态方程非线性与量测方程的非线性取舍问题，分析了滤波过程中影响高动态与低信噪比的决定因素，给出了两个推论，提出了强跟踪算法的必要性。并以此选择了以传统卡尔曼滤波（KF）为基础，以锁相环（FLL）、无迹卡尔曼滤波（UKF）为辅助使用两种工作模式来应对不同环境。针对组合跟踪环路状态转换过渡易出现的频率阶跃问题，给出新型环路的工作模式及切换门限的数学表达式，在环路中添加计算判别器，实时控制环路输出的同时不浪费计算力地剔除了野值，提高了环路稳定性。仿真表明，该新型环路算法与现有的算法相比有很好的低信噪高动态适应能力，消除了切换峰值，剔除了野值。     

卫星双向时间频率传递校准技术综述

卫星双向时间频率传递技术是高精度时间频率远程比对的基本手段,其时间比对A类标准不确定度优于0.1ns,B类标准不确定度主要取决于系统的校准。本文简述了卫星双向时间频率传递的基本理论,着重说明各种卫星双向时间频率传递系统校准方法和硬件实现,对各种校准技术进行评述和比较,总结并展望了校准技术发展的方向。     

基于广义相对论的轨道摄动下星间激光相位比对

针对纳米到皮米量级星间激光测距,在地心非旋转坐标系(GCRS)下,考虑卫星轨道摄动引起的广义相对论效应,建立了星间单向以及双向星间激光相位比对模型.通过仿真研究了地球主引力场范围内轨道摄动引起的广义相对论效应对星间激光相位比对误差的影响,并通过星间激光相位比对误差计算星间激光测距误差.不同轨道高度的卫星仿真结果表明,对...     

SINS辅助GPS跟踪环误差分析与最优带宽设计

SINS(Strapdown Inertial Navigation System)辅助GPS(Global Positioning System)跟踪环路的结构设计是SINS/GPS超紧组合系统实现的主要环节,而环路带宽是决定不同误差源作用下GPS跟踪环路性能的关键.首先对SINS/GPS超紧组合系统中影响载波锁相环(PLL,Phase Lock Loop)跟踪性能的各误差源进行了详细的建模与分析,进而设计了一种最优环路带宽的调节方法.该方法基于最小化跟踪误差的准则,根据接收机检测到的信号载噪比实时调节PLL带宽,以使环路保持最优跟踪状态.结果表明,所设计的最优环路带宽调节方法能够有效提高SINS辅助PLL的抗干扰性能与跟踪精度.     

地心非旋转坐标系中的卫星双向时间比对计算模型

根据卫星双向时间频率传递 (TWSTFT)的基本原理 ,详细推导了地心非旋转坐标系中TWSTFT的计算模型 ,并与地固系中的计算模型进行了分析比较 ,证明了两种计算模型在亚纳秒量级上的等价性。     

广播电视卫星高精度时间传递

介绍一种利用我国广播电视卫星进行高精度时间传递的方案,建立多个卫星电视时间发播系统,利用广播电视卫星进行双向时间比对,实现远距离卫星地面站之间的时间同步。通过测量地面站到卫星之间的距离,可实时计算出卫星的坐标位置,用户根据接收到的时间及卫星位置信息,实施高精度定时。     

Beidou wide-area augmentation system clock error correction and performance verification

On December 27, 2018, the Beidou-3 System (BDS-3) has completed the deployment of 18 Medium Earth Orbit (MEO) satellites combined as a space constellation. In addition to the augmentation information for the new system signals B1C and B2a, the BDS-3 is compatible with the three augmentation information broadcast by the BDS-2 system for B1I and B3I signals: equivalent clock error correction, User Differential Ranging Error (UDRE) and Grid Ionosphere Vertical Error (GIVE). In this paper, the observation data of Beidou monitoring network are used to analyze the pseudo-range observation quality of the smooth transition signals B1I and B3I of BDS-2 and BDS-3. At the same time, the relationship between the equivalent clock error correction and the prediction error of the satellite clock is analyzed by using the Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) data. The results show that the correlation between the equivalent clock error correction and the monitored clock error by using the TWSTFT data is greater than 60%. We calculate the UDRE by using the equivalent clock error correction. The results show that the satellite equivalent clock error correction can improve the accuracy of User Equivalent Range Error (UERE) by about 50%. This paper also compares the positioning accuracy of the BDS-2 satellites with the BDS-2 satellites combined BDS-3 satellites. The results show that the three-dimensional positioning accuracy is improved by about 30% after the BDS-3 satellites are added.     

GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现

为了检测GPS(Global Positioning System)信号,设计了码环及载波环捕获与跟踪数字系统.序贯搜索与窄间隔超前-滞后型数字延迟锁相环的采用,保证了码相位的可靠捕获与精确跟踪,四相鉴频器、叉积自动频率跟踪算法及科思塔环载波相位跟踪算法的结合,既保证了载波频率(多普勒频移)的捕获速度,又使环路能有效地跟踪频率/相位变化,获得较好的动态性能与噪声性能.控制算法及参数确定的软化实现使系统具有较好的灵活性.基于扩频相关器与数字信号处理器的数字系统验证了上述方案的正确性及有效性.      

水下机器人路径控制与仿真

研究了水下机器人的路径跟踪问题.首先考虑重力、浮力、推力、水动力以及附加质量的影响,建立了6自由度水下机器人的动力学模型.在此基础上设计了非线性控制系统,包括一个内控制回路和一个外控制回路.内控制回路根据机器人动力学模型引入非线性补偿,使得经内控制回路作用后的机器人化为一个解耦的线性定常系统,外控制回路采用比例微分(PD)控制,根据机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制.最后通过MATLAB对水下机器人追踪水面目标和跟踪空间螺旋线进行仿真,并给出了仿真曲线,从仿真结果可以看出,利用该方法可以使水下机器人具有较强的抗干扰能力,能够较好地实现对时变理论轨迹的跟踪.     

Time synchronization of new-generation BDS satellites using inter-satellite link measurements

Autonomous satellite navigation is based on the ability of a Global Navigation Satellite System (GNSS), such as Beidou, to estimate orbits and clock parameters onboard satellites using Inter-Satellite Link (ISL) measurements instead of tracking data from a ground monitoring network. This paper focuses on the time synchronization of new-generation Beidou Navigation Satellite System (BDS) satellites equipped with an ISL payload. Two modes of Ka-band ISL measurements, Time Division Multiple Access (TDMA) mode and the continuous link mode, were used onboard these BDS satellites. Using a mathematical formulation for each measurement mode along with a derivation of the satellite clock offsets, geometric ranges from the dual one-way measurements were introduced. Then, pseudoranges and clock offsets were evaluated for the new-generation BDS satellites. The evaluation shows that the ranging accuracies of TDMA ISL and the continuous link are approximately 4?cm and 1?cm (root mean square, RMS), respectively. Both lead to ISL clock offset residuals of less than 0.3?ns (RMS). For further validation, time synchronization between these satellites to a ground control station keeping the systematic time in BDT was conducted using L-band Two-way Satellite Time Frequency Transfer (TWSTFT). System errors in the ISL measurements were calibrated by comparing the derived clock offsets with the TWSTFT. The standard deviations of the estimated ISL system errors are less than 0.3?ns, and the calibrated ISL clock parameters are consistent with that of the L-band TWSTFT. For the regional BDS network, the addition of ISL measurements for medium orbit (MEO) BDS satellites increased the clock tracking coverage by more than 40% for each orbital revolution. As a result, the clock predicting error for the satellite M1S was improved from 3.59 to 0.86?ns (RMS), and the predicting error of the satellite M2S was improved from 1.94 to 0.57?ns (RMS), which is a significant improvement by a factor of 3–4.     

基于四路信号处理的载波锁相环

载波跟踪环是独立导航接收机中最为脆弱的部分,在一定载噪比下,影响载波跟踪环跟踪门限的主要因素是动态应力。科斯塔斯锁相环是最常用的载波跟踪环之一,由于频率牵引范围的限制,其对动态应力非常敏感,该频率牵引范围由最大相位牵引范围决定。传统科斯塔斯锁相环是基于两路信号处理进行载波相位锁定的,其相位牵入范围仅为［-π/2,π/2］。文章提出了一种基于四路信号处理的科斯塔斯锁相环,增加的两路信号分别与原来两路相位相差π/4,其相位牵入范围可以达到［-3π/4,3π/4］,较传统方式提高了1/2。仿真结果显示文中提出的设计方法能够明显提高环路的动态性能