卫星导航系统功率增强对接收信号质量的影响分析

GPS现代化计划在L1和L2两个频点上增加具有点波束增强功能的M码导航信号. 以GPS L1 M码信号为例, 从频谱重叠、接收信号等效载噪比两方面分析GPS L1 M码信号功率增强对其他导航信号质量的影响. 分析结果表明, GPS L1 M码信 号增强幅度在20dB以内时, 可以明显提升增强信号的抗干扰性能, 引起其他信号等效载噪比恶化量小于2dB; 信号增强幅度超过20dB后, 将导致其他信号质量迅速下降, 功率增强信号等效载噪比达到某一极值后将不再增加.      

一种新的SINS/GPS深组合导航系统设计

为了提高GPS在高动态、强干扰条件下的跟踪性能和导航精度,提出了一种新的SINS/GPS深组合导航方案.利用卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪回路,能够同时完成所有可视卫星信号和组合导航信息处理的任务;利用矢量跟踪算法加强各跟踪通道相互关联,增强跟踪通道对信号载噪比变化的适应能力,从而提高接收机在信号中断条件下的导航性能;利用相关器输出的I和Q路测量值直接作为导航滤波器的观测量,减小滤波过程残差,可以提高组合导航系统的导航精度和跟踪性能.仿真验证表明,这种基于矢量跟踪的深组合导航方案不仅在GPS信号中断期间能够保证系统的导航精度和可靠性,而且在低载噪比条件下可以增强导航系统的跟踪性能以及抗干扰能力.     

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。      

软件GPS接收机架构与捕获算法实现

为了将软件无线电技术应用于全球定位系统GPS (Global Positioning System)接收机,提出了一种符合目前硬件技术水平的软件GPS接收机设计架构;分析了软件GPS接收机信号捕获方法的要求;采用循环相关算法作为软件GPS接收机的信号捕获算法,在Matlab仿真环境下实现了相应的捕获程序,并使用GPS卫星C/A码信号采集数据进行了初步验证;初步验证结果表明这种捕获算法能够为软件GPS接收机提供快速捕获能力,同时不损失信号搜索的灵敏度,是一种适用而高效的软件GPS接收机捕获方法.      

GPS软件接收机原理样机设计与实现

为了满足GPS/INS(Global Positioning System/Inertial Navigation System)超紧组合导航系统研究的需要,克服硬件接收机参数固定,适应性差的弱点,设计了一种参数可调、灵活控制的GPS软件接收机.采用GPS L1频率的中频采样信号,运用FFT(Fast Fourier Transform)频域捕获算法和锁相环与锁频环相互辅助的载波环路,实现了信号捕获、码环和载波环路跟踪、导航电文提取与解码、伪距及导航定位解算,并与NovAtel公司的FlexPax型硬件接收机进行了比较.跑车测试结果表明,该GPS软件接收机捕获迅速、跟踪准确,导航定位精度小于10m,动态抗干扰能力明显优于一般GPS硬件接收机,适合于GPS/INS超紧组合导航系统的应用.     

航天GPS接收机信号搜索捕获策略

航天GPS接收机的无辅助冷启动时间是一项重要指标,研究近地轨道应用的12通道C/A码导航型接收机减小冷启动时间的方法.分析GPS信号的多普勒频率和伪码相位搜索方法、捕获检测器及其参数选择、多普勒频率搜索步长和伪码搜索速率, 得到多普勒频率搜索步长为500?Hz,伪码搜索速率为475码元/s.研究轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率等因素对多普勒频率搜索范围的影响.阐述根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法.分析和仿真结果表明,根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法,可将冷启动时间减少25%~30%,影响多普勒频率搜索范围的因素按程度依次为:轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率,再考虑这些因素时可将冷启动时间减少25%~40%.     

高动态GPS信号C/A码捕获方案及实现

为检测高动态GPS(Global Positioning System)信号,需要设计码环及载波环捕获与跟踪数字系统.尽量缩短盲捕时间,快速捕获到信号,是研制高动态GPS接收机技术的关键,而GPS信号C/A码的快速捕获是码跟踪和载波捕获与跟踪的基础.主要讨论了在高动态GPS信号C/A码捕获中,并行搜索法和串行搜索法的原理与实现,并结合GEC公司的十二通道相关器GP2021,给出基于DSP(数字信号处理器)技术用串行搜索法捕获高动态GPS信号C/A码的算法实现.     

国外卫星导航系统现状与发展趋势分析

1卫星导航系统现状
　　GPS系统大力推行现代化改造,确保世界领先地位
　　美国的“全球定位系统”（GPS）是目前部署最完善、卫星技术最先进、定位精度最高、普及最广的卫星导航系统。为了保持、增强美国在全球卫星导航领域的领先优势与主导地位,1999年美国提出GPS系统现代化计划,旨在全面提升GPS系统军事与民用服务的性能,增强GPS系统民用导航服务的竞争能力,增强对抗条件下GPS系统的军用导航服务能力。经此现代化改造, GPS系统空间段星座卫星数量、导航信号、卫星功能等均将出现重大变化,主要包括3个方面：其一,星座卫星数量增加至30颗以上,以改善星座几何分布,提升服务性能;其二,增加军用M码信号、3个民用信号,其中军用M码信号是美国增强GPS系统导航战能力的重要基础,包括星上信号功率增强、点波束等均需通过先进的M码军用信号实现;其三,增加星上功率可调、高速星间与星地链路、点波束、搜索与救。和被动激光测距能力等,这是增强GPS系统自主导航与导航战能力的关键措施。     

一种自适应GNSS弱信号载噪比估计方法

全球导航卫星系统（GNSS）信号的载噪比（CNR）是衡量接收机工作性能的一个重要参数。为了准确得到载噪比估计值,推导并分析了2种常用的GNSS信号载噪比估计方法（方差求和法（VSM）、窄带宽带功率比值法（PRM））,并同时提出一种基于渐消因子容积卡尔曼滤波的自适应载噪比估计方法,比较了3种方法在通常的信号环境下和弱信号环境下的载噪比估计能力。结果显示:在信号较弱环境或信号受到遮挡产生突变等情况时,VSM方法与PRM方法均会产生较大的误差,而自适应载噪比估计方法能准确估计出信号的载噪比。      

软件定义的GNSS反射信号接收机设计

分析了导航卫星反射信号的特点,给出了反射信号软件接收机的总体结构及其主要模块,主要包括接收直射和反射信号的天线、射频前端和高速A/D变换器,以及数据处理用的计算机.重点介绍了反射信号处理的基本过程,其中主要讨论了本地反射信号C/A码的生成模式,在此基础上分析了反射信号相关功率的计算方法,并给出了具体的仿真计算实例.设计了反射信号处理的具体实现软件,包括详细的流程图,关键参数和主要函数的定义及用户界面,利用实际采集的数据进行了验证,结果表明所设计的反射信号接收机运行稳定,能根据用户输入的不同参数提供导航卫星反射信号的相关功率输出.     

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。     

地基伪卫星系统多址测距误差的校正算法

相对于卫星导航,地基伪卫星与接收机距离较近,测距中不涉及电离层传播等误差,易实现高精度测距和定位。但由于地基伪卫星位置固定,在信号连续发射模式下伪卫星信号间的多址干扰(MAI)会引起相对恒定的测距误差,针对地基伪卫星系统这一特点,提出一种基于反馈串行干扰抵消(SIC)的测距算法。首先对全部伪卫星信号进行捕获跟踪和功率估计,然后通过串行干扰抵消算法降低强功率伪卫星信号对期望测距信号的干扰,通过反馈模式进一步提高干扰抵消算法的性能。仿真结果表明,该方法可有效改善地基伪卫星系统强远近效应区域内的测距性能,不考虑其他误差下在强远近效应区域内基于码环可将伪卫星测距性能从10 m以上降低到约0.3 m。     

GPS数字接收机中C/A码搜索算法与实现

从GPS信号结构出发,介绍了GPS时域/频域的二维序贯搜索原理.在虚警概率、检测概率与搜索速率分析的基础上,对几种序贯搜索方法性能进行了比较,提出并以实验验证了以并行12通道扩频相关器为基础的GPS C/A码捕获数字系统实现方案,改进的搜索算法的采用有效地缩短了码平均捕获时间并提高了捕获的可靠性,并成功地应用于GPS数字接收机中.     

辅助型GPS接收机中伪码相位延时及其不确定度估计算法研究

快速捕获卫星信号是研制辅助型GPS (A-GPS)接收机所必须解决的一项关键技术. 针对A-GPS接收机能从辅助数据中获取有效星历的特点, 本文提出了一种伪码相位延时及其不确定度估计算法. 该算法在对建立的信号发射时刻方程泰勒展开的基础上, 利用辅助信息建立了伪码相位延时及其不确定度估计方程. 分析和仿真表明, 提出的算法能有效压缩剩余卫星伪码相位延时不确定度, 加快A-GPS接收机的捕获速度.      

北斗和GPS双模接收机干扰抑制算法的设计与实现

目前北斗/GPS双模接收系统的抗干扰研究还比较少,主要是针对GPS的抗干扰研究。北斗和GPS接收机易被干扰,为了改善强干扰环境下接收机的性能,研究不同阵列、不同算法对接收机抗干扰性能的影响,在GPS的抗干扰研究的基础上设计并实现了一套北斗和GPS双模接收系统的抗干扰平台。实验结果表明,该系统能使北斗和GPS双模接收机在-30dBm强干扰的环境下搜到6颗北斗导航卫星和5颗GPS导航卫星,并正常定位,说明该系统能达到干扰抑制的目的。该系统也可推广至多种卫星导航接收机的抗干扰平台。     

GPS中频信号和IMU信号模拟及验证

为了研究GPS/INS（Inertial Navigation System）组合导航方案和算法,设计了一种GPS中频信号和IMU（Inertial Measurement Unit）信号的软件模拟器.首先建立了载体的运动模型,然后介绍了信号的仿真方法.根据载体的运动产生IMU信号,载体的典型运动包括平飞运动、横滚运动、俯仰运动和偏航运动.建立了典型的干扰模型,包括欺骗式干扰和压制式干扰（窄带干扰、宽带干扰、连续波干扰和锯齿调频连续波干扰等4种）,实现了干扰环境下的场景模拟.GPS/INS组合导航软件接收机对模拟器输出的数据进行解算,结果表明：信号的仿真算法是正确的,模拟器可以为组合导航接收机提供有效的中频信号和IMU信号.     

卫星不足情况下低成本MEMS-INS/GPS伪松组合导航

为了解决GPS可观测卫星不足情况下低成本微电子机械-惯性导航系统/全球定位系统（MEMS-INS/GPS）组合导航精度维持问题,提出基于灰色模型和自适应卡尔曼滤波的MEMS-INS/GPS伪松组合导航方法。以MEMS-INS/GPS松组合导航模式为框架,建立了伪松组合导航系统的状态空间模型。基于MEMS-INS/GPS的历史观测数据,使用灰色模型对MEMSINS/GPS观测差值进行预测,称为系统伪观测量。当GPS可观测卫星充分时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波对MEMS-INS/GPS进行松组合导航;当GPS可观测卫星不足时,使用噪声自适应估计卡尔曼滤波依据系统伪观测量,将MEMS-INS/GPS进行伪松组合导航。以车载低成本MEMSINS/GPS组合导航系统为例进行仿真和实验验证,结果表明：当GPS可观测卫星不足时,传统的MEMS-INS/GPS松组合导航精度迅速下降并发散,而MEMS-INS/GPS伪松组合导航精度与GPS正常工作时的导航精度相差不大,维持了较高精度的导航状态。     

一种惯性信息辅助下的GPS快捕方法

全球定位系统(GPS,Global Positioning System)信号的捕获时间直接影响高动态环境下GPS接收机的使用性能.在分析传统的外部信息辅助GPS捕获方法的基础上,提出了一种在惯性信息辅助下进行快速捕获的方法,该方法由粗捕获和精捕获构成.详细分析了该方法的实现方法和性能,进行了MATLAB/Simulink系统级仿真及蒙特卡罗仿真试验.仿真结果表明:在保证码相位捕获精度和提高频率分辨率的前提下,运用该方法可以显著缩短GPS接收机搜索捕获的时间,提高接收机的动态性能,相对无外部信息辅助的情况总捕获时间缩短至2%~3%.     

低频时码信号模拟器的设计与实现

介绍的低频时码系统是指在罗兰C导航系统中的脉冲相位编码调制的基础上,引入平衡脉冲位移调制,发播标准时间和导航信息的一种方法。设计了一低频时码信号模拟器,该低频时码可以用于基于罗兰C的组合导航系统中。在设计中考虑到罗兰C导航易受多种信号干扰的实际情况,应用了具有一定帧同步能力的CRC、RS编码方式,在此基础上介绍了这种低频时码模拟器的一种实现方案。