星载GNSS海洋反射信号建模与仿真

星载GNSS反射信号建模与仿真对GNSS反射信号正逆问题的研究及接收机算法和性能的评估非常重要。从几何、信号和信息的角度建立了星载GNSS反射信号分层建模方法。详细论述了星载GNSS反射信号的双基几何关系,建立了海风、涌浪和降雨驱动的线性组合海浪谱,并基于此计算了GNSS反射信号双基散射系数,基于各散射单元独立散射的假设推导了反射信号模型,通过仿真产生了星载GNSS反射信号及时延-多普勒相关功率,并与UK TDS-1卫星实测相关功率进行了对比分析。结果显示,通过先产生反射信号后处理得到的相关功率和直接端对端产生的相关功率与UK TDS-1卫星实测的相关功率的余弦相似度分别为0.97和0.94,所提架构和方法可正确对星载GNSS反射信号进行建模和仿真。同时,通过所建平台分析了涌浪和降雨形成的海浪谱对星载GNSS反射信号的影响。结果发现,涌浪主要影响低风速探测而对高风速无影响,降雨对星载GNSS反射信号无明显影响。      

涌浪及降雨影响下的GNSS海面反射信号建模

全球导航卫星系统（GNSS）海面反射信号的模拟仿真采用的海浪谱多为风驱模型，而忽略了真实复杂环境中涌浪、降雨的影响。为此，提出了一种涌浪、降雨影响下的GNSS海面反射信号模型。首先，对Elfouhaily海浪谱、涌浪谱、降雨谱分别进行仿真，从海浪谱的角度分析涌浪、降雨对GNSS反射信号的影响。然后，设计了引入涌浪、降雨影响因子后的GNSS反射信号建模的方法，并建立噪声模型。最后，对星载场景下仿真得到的二维时延-多普勒相关功率分布图像（DDM）、时延相关功率波形（DW）进行分析，并与英国技术演示卫星（UK TDS-1）实测数据的处理结果进行了对比验证。结果表明:涌浪主要形成对GNSS反射信号影响较大的大尺度粗糙海面，而降雨对GNSS反射信号影响较小；仿真的DDM与实测数据结果的波形有很好的一致性，DW对比的相关系数达到0.92，优于未修正模型的对比结果，模拟的反射信号更为真实，证明了提出的GNSS反射信号建模方法的可行性、有效性。对真实复杂环境下的GNSS反射信号建模及GNSS反射信号星载探测应用研究具有一定的参考意义和实用价值。      

基于高轨航天器的GNSS接收机技术

全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS）应用于高轨航天器时,因轨道高于导航卫星,可见星数量急剧减少,空间信号功率微弱,信号的快速捕获和跟踪十分困难。文章对高轨地球同步轨道（GeosynchronousEarthOrbit,GEO）接收技术进行了研究。以中国实践十七号卫星为研究对象,采用官方正式发布的发射天线方向图对GEO下GNSS信号特征及可用性开展研究分析,并针对高轨道航天器GNSS信号微弱的特点,采用长时间积分处理的梳状滤波方法、差分相干累加比特同步算法和基于动力学模型补偿的扩展卡尔曼滤波自主定轨算法设计GNSS接收机,并在半物理仿真平台进行了测试验证。试验结果表明：GNSS接收机捕获灵敏度优于-173dBW,跟踪灵敏度优于-175dBW,定轨位置精度优于50m,速度精度优于0.01m/s。     

星载GNSS确定GEO卫星轨道的积分滤波方法

采用星载全球导航卫星系统（GNSS）确定地球静止轨道（GEO）,以解决目前应用星载全球定位系统(GPS)时导航卫星可见性差的问题。以风云卫星为例,分析了未来的GNSS相对于GEO卫星的可见性,针对GEO轨道上导航接收机采样间隔较长的问题,综合轨道积分和卡尔曼滤波方法的优点,提出了确定GEO卫星轨道的积分滤波方法。并利用STK软件仿真产生所需数据,用MATLAB对提出的算法编程并进行仿真验证,结果表明,提出的方法性能优越,定轨精度较高。     

基于信道复用方法的GNSS共视信号模拟

全球导航卫星系统（GNSS）共视（CV）技术应用中需要对GNSS共视信号进行模拟仿真,可以降低对共视接收机和共视算法进行测试过程中的成本。为此,提出了一种基于信道复用方法的GNSS共视信号的双路信号模拟方法。首先,对GNSS共视技术原理进行了分析。然后,根据GNSS直射信号的模拟思路,设计了基于GNSS直射信号模拟器的GNSS共视信号模拟方法,对共视信号传播过程中可能产生的误差进行了分析。最后,对零基线、短基线、长基线3种场景下仿真的共视信号,以及实场采集的试验数据进行了验证分析。验证的结果表明,仿真的GNSS共视信号定位准确,定位精度在米级;共视比对结果均方根值（RMS）精度优于12 ns,可以进行共视法时间传递,证明了提出的共视信号模拟方法能够有效地用于GNSS共视信号生成。对GNSS共视信号模拟器、共视接收机的研制和共视算法的研究具有一定的理论参考意义和实际应用价值。      

基于可变遗忘因子的渐消记忆变分贝叶斯自适应滤波算法

针对全球卫星导航系统/捷联惯性导航系统（GNSS/SINS）组合导航中GNSS信号易受干扰，造成量测噪声突变的问题，提出一种基于可变遗忘因子的渐消记忆变分贝叶斯自适应Kalman滤波（VBAKF）算法。针对自适应滤波中突变噪声难以准确探测，构建基于初值的噪声突变检验准则；为解决自适应滤波估计突变噪声的拖尾现象，将变分贝叶斯自适应滤波的超参数传递结构转化为协方差阵修正结构，通过构造可变遗忘因子函数动态调节自适应滤波中的遗忘因子。仿真和实测数据表明：所提算法可在GNSS/SINS噪声突变时快速估计量测噪声，提高组合导航精度。     

卫星导航调制方式的非线性和兼容性分析

对比研究了最小频移键控（Minimum Shift Keying,MSK）和正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）调制信号的非线性和兼容性。首先建立MSK调制卫星导航信号的时域和频域模型,讨论了MSK调制对码片脉冲形状的影响,指出MSK调制作为卫星导航信号候选调制方式的可行性。然后建立非线性信道模型,仿真了MSK和QPSK调制卫星导航信号的带外功率损耗、相关损耗和码跟踪误差以及与同频段信号的谱分离系数。仿真结果表明,在保证信号跟踪性能的前提下,卫星导航信号采用MSK调制时的非线性和兼容性优于同参数下的QPSK调制。     

北斗卫星导航空间信号模拟畸变研究

针对卫星导航信号生成载荷故障会导致信号畸变,对北斗卫星导航信号模拟进行了研究分析。首先,建立了北斗导航信号模拟畸变的数学模型并对其进行了理论分析;其次,推导了北斗信号发生模拟畸变后的相关函数、功率谱密度函数和相关损耗,并仿真分析了北斗信号模拟畸变的相关峰曲线、功率谱密度曲线和相关损耗曲线;最后,利用S曲线及S曲线锁定点偏差的模型,仿真了北斗模拟畸变信号S曲线及S曲线锁定点偏差,并分析了北斗信号发生模拟畸变对测距性能产生的影响。结果表明：北斗信号发生模拟畸变的畸变程度越大,伪距测量误差越大,则导航系统的测距精度和定位精度越低,增强系统的完好性越小。     

机载GNSS海洋反射信号的建模与仿真

由于全球导航卫星系统反射(GNSS-R)机载试验耗费大和重复性差,需研制GNSS-R信号模拟器,但没有相应的反射信号模型。提出了一种基于数据拟合的机载GNSS海洋反射信号建模方法。首先,对复杂的GNSS海面反射信号进行近似简化。然后利用ZV模型生成的时延相关功率曲线,通过最小二乘拟合和非线性拟合,建立了多条等时延间隔的海洋反射信号功率衰减模型,从而得到机载GNSS海洋反射信号的时延、功率、多普勒频率参数。最后,对多条反射信号的合路信号进行相关的仿真验证。验证的结果表明模拟的14条反射信号的相关功率曲线与ZV模型理论曲线的相关系数优于0.99,能够有效地用于GNSS海洋反射信号的生成。该方法可根据海面风场、浪高、波高等海面信息,模拟不同海况的海洋反射信号,为GNSS-R信号模拟器的研制奠定基础。     

基于双基雷达原理的GNSS海面反射信号建模方法

全球导航卫星系统反射(GNSS-R)技术应用过程中接收机的测试验证需要反射信号产生源,以降低成本。信号的模型是GNSS-R信号产生源中的核心。针对缺乏相应模型的问题,提出了一种根据双基雷达原理建立GNSS海面反射信号模型的方法。首先,在分析GNSS海面反射信号特征的基础上,选取了恰当的海面反射点。然后,计算了雷达方程中的散射系数和散射面积,从而得到相应反射点的反射信号功率。最后,对所求得的反射信号参数进行仿真验证。验证的结果表明,反射信号的相关功率曲线与ZV模型理论曲线的相关系数优于0.98,能够有效地用于GNSS海面反射信号的生成。因此,该方法可为GNSS-R信号产生源的研制提供一定的理论支撑。     

一种基于等效采样的周期信号谐波分析方法

为了突破周期信号谐波分析中采样保持与模数转换时间对分析信号频率范围的限制,将准均匀采样与等效采样相结合,提出了一种新的等效采样周期信号谐波分析方法。首先,给出了在奇数个信号周期内进行2的整数次方次均匀采样的等效采样谐波分析理论;其次,计入定时时钟周期对采样时间的影响,在等效采样中结合准均匀采样以实现同步采样;进一步分析了采样过程中的时间离散与幅值量化所带来的谐波分析误差;最后,给出了新的等效采样谐波分析的具体算法。借助含有小幅谐波分量的实验信号对等效采样谐波分析算法进行了数值仿真。理论分析和数值仿真均表明：新方法有效拓宽了分析信号的频率范围,并且可直接利用FFT进行快速计算。     

GPS P(Y)码功率增强监测分析

全球定位系统(GPS)的Block IIR-M和Block IIF卫星具备可编程功率输出能力, 可以灵活增强单个信号分量的发射功率。为了系统评估GPS P(Y)码的功率增强能力, 对弹性功率的原理进行了理论分析, 提出了GPS信号功率增强的监测分析方法, 利用国际GNSS监测评估系统(iGMAS)和国际GNSS服务(IGS)监测站数据、高增益天线监测数据、事后精密星历对GPS增强P(Y)码的覆盖性及星座性能、空间信号和用户端性能进行了分析。结果表明:在保持发射总功率和民用信号功率不变的情况下, Block IIF和Block IIR-M卫星的L1 P(Y)码和L2 P(Y)码功率相比正常水平分别增强约6 dB和5 dB;在功率增强信号覆盖区内仅利用19颗增强卫星进行双频单点定位, 位置误差不大于15 m(95%);当可见增强卫星数为6, 增强后的P(Y)码载噪比为55 dB·Hz时, P(Y)码之间的多址干扰引起的等效载噪比下降量为0.4 dB。      

基于相关功率修正的地基GNSS-R土壤湿度反演

利用全球导航卫星系统反射信号测量技术(GNSS-R)进行土壤湿度反演过程中，实际接收天线方向性会造成GNSS直反信号相关功率测量偏差。针对地基观测场景下天线方向性造成的相关功率的类余弦振荡问题，提出了基于多项式拟合的信号相关功率修正方法。为了验证所提方法的有效性，开展了地基GNSS-R土壤湿度观测实验，结果表明:基于多项式拟合的相关功率修正可以消除信号相关功率的类余弦振荡，提升GNSS-R土壤湿度反演中的观测数据有效性和反演结果准确性。      

GNSS信号模拟器通道群时延标定方法

传统的全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟器通道群时延标定方法有相位翻转点法和相关峰法两种,两者均在零伪距或固定伪距的特殊仿真场景下进行测量,且在通道传输特性非理想的情况下测得的群时延均存在偏差.提出了基于闭环伪距测量的模拟器通道群时延标定方法,并设计实现了GNSS信号模拟器通道群时延标定系统.首先,采用高速直接射频采样存储系统对模拟器正常星座动态仿真场景下输出的导航信号和秒脉冲(1 PPS)信号同时进行记录.其次,使用软件接收机对信号进行捕获跟踪,利用三次样条插值判定1 PPS上升沿位置作为伪距观测历元时刻,对软件接收机的伪距观测量和模拟器仿真的伪距记录值做数据比对,得到模拟器的群时延标定值.最后,分别利用上述方法对两种商用模拟器的群时延进行了标定,实验结果表明,闭环伪距测量法有效可行,测量不确定度优于0.7 ns.      

模拟月面环境钻进过程热特性研究

根据实际月面采样任务需求,月壤钻取采样器须在真空条件下,实现无辅助冷却介质的连续钻进取心工作,这极易导致钻头温度快速升高,影响采样任务的可靠进行。因此,为深入研究钻进过程的热特性,通过分析钻头切削具与孔底月壤的切削和摩擦机理,建立钻头在钻进过程中的温升模型,归纳影响钻头温升的主要因素。根据月面真空条件下的月壤环境,制备真空度低于10 Pa、钻进深度不少于2 m的模拟月壤,并开展钻进过程热特性试验。试验结果表明钻头前端切削具的温升与钻压力存在很强的正相关性,与钻头扭矩相关性较弱。基于试验结果对温升模型中的相关性系数进行修正,拟合出钻头温升曲线,并与试验实测结果进行对比,实现了钻进过程热特性的定性分析。