利用Glonass进行时钟同步

目前精密同步全球时钟的方法之一是利用导航卫星系统的信号,可是利用Glonass(俄罗斯全球导航卫星系统)信号进行时钟同步很长时间来一直受到限制,因为缺乏商品型Glonass时间接收机。由于Glonass投建放慢,很难估计对定时接收机的实际需求,反过来又影响了定时接收机的开发。 1992年末,圣彼得堡的俄罗斯无线电导航和时间研究所(RIRT)在其单通道机载接收机基础上开发了Glonsaa定时接收机。为了自动采集和处理Glonass时间测量值,该研究所开发了一个接收机与个人计算机之间的接口。 本文作者是该所成员,深深卷入了该自动化系统的开发。测定Glonass时钟同步精度的试验结果,以及该所二级(工作)时/频标准(STFRS)与俄罗斯国家时/频标准(STFS)的比对结果,都令人鼓舞,使该所开始利用Glonass信号定期比对其时/频标准。     

定位定向接收机校准技术研究

介绍了全球导航卫星系统的组成与应用,利用本实验室的短基线场,对定位定向接收机进行实际大地坐标的定位与定向校准实验。给出了实验原理、实验过程及实验结果;并通过仿真机产生标准信号对接收机进行校准实验,对两种校准实验结果进行比较,分析了影响因素。     

数字式跳频GPS/GLONASS接收机

在很多应用场合,对大量扩频导航卫星连续跟踪将获益匪浅。当接收机跟踪多于定位所需最小卫星数目时,通过优选卫星几何可提高卫星导航精度。动态定位可利用冗余卫星来实现更迅速的整周期判决和跳周修正。陆地导航利用额外的卫星可克服建筑物、树林和地形造成的遮挡。比较多个星座的测量值能获得有关导航稳妥性的度量。跟踪大量卫星的好处已引起人们研制能同时处理美国GPS和苏联GLONASS信号的接收机的兴趣。已经推出了几种接收机设计方案,但所有这些接收机中处理GLONASS信号的硬件都是与处理GPS信号硬件分开的。本文介绍一种高度综合的GPS/GLONASS接收机,接收机中的每一卫星跟踪通道都能随意指定它接收任一个GPS或GLONASS卫星。该接收机有一个模拟射频/中频(RP/IF)前端,用一个固定频率的本振(LO)。定制的数字专用集成电路(ASIC)跟踪选定的GPS/GLONASS卫星,并提供相关测量值送软件处理。本文介绍的GPS/GLONASS接收机利用了数字信号处理技术和有限脉冲响应(FIR)滤波器的新成果。该综合接收机的模拟RF/IF前端大大地简化了,然而其性能可与使用相当复杂模拟RF/IF电路的接收机相比拟。GPS和GLONASS之间的跳频完全在数字域中进行,不必象早期设计方案中那样用昂贵的跳频本振。深入利用数字处理技术,GPS/GLONASS接收机可采用大规模集成电路,将多个通道集成在一个芯片上。这样可大大减小体积,节省成本,不久即可推出商用多通道GPS/GLONASS接收机。     

基于融合处理多系统接收机钟差的伪距单点定位算法研究

多模导航定位较高的定位条件(需可见卫星总数大于5颗)限制了其在城市等卫星遮挡较严重的地区充分发挥多系统的优势。基于Kalman滤波,提出一种将多系统接收机钟差融合为一个系统接收机钟差的多模伪距单点定位数据处理算法,解决了多模导航定位在可见卫星数少于6颗大于3颗时无法定位的情况。分析了GPS、北斗和GLONASS三系统一天的观测数据,结果表明,多系统接收机钟差融合后只需可见卫星总数大于3颗即可进行多模伪距单点定位。     

基于北斗卫星速度外推的GEO卫星速度解算方法

北斗二代导航系统是我国自主开发的区域卫星导航系统,该系统利用GEO卫星实现了区域卫星导航定位。针对GEO卫星的特点,现有的GEO卫星速度解算方法分为微分法与差分法两种,这两种方法各有优缺点。为了进一步提高GEO卫星速度计算的效率与精度,首先对两种计算GEO速度的计算方法进行了推导,从计算精度、计算量,计算时间和软件实现难易程度对两种方法进行了对比,同时提出了一种利用卫星加速度进行卫星速度外推的方法,仿真结果表明这种方法能够提高接收机的测速精度,且计算量较小,工程实现难度较低。     

Glonass概况

俄罗斯的全球导航卫星系统—Glonass是一种星基定位、测速和定时系统。木文将介绍Glonass向实用系统的发展情况。还将介绍工作星座、星座维持规划和补充原则,覆盖范围和精度几何因子,以及俄罗斯对用户利用Glonass的政策。 本文还介绍Glonass卫星在空间播发信号的特性,包括调制技术、码结构、信息内容和格式,Glonass用户可获得的导航精度,差分技术,用户设备性能,Glonass的未来改进以及独联体内Glonass的使用。     

欺骗环境下GNSS信号估计与定位修正技术

欺骗信号以其极强的隐蔽性使卫星导航接收机难以察觉并迅速定位到错误位置,严重影响了卫星导航的安全性。现有抗欺骗技术需要其他导航系统辅助来修正受欺骗影响的定位解算,针对该问题,本文提出了一种GNSS欺骗信号参数估计与辨识方法,能够在欺骗干扰环境下估计并辨识出真实信号所对应的伪距,进而解算出接收机真实位置。该方法通过研究欺骗干扰下接收机相关值模型,在信号跟踪阶段建立真实与欺骗双信号状态模型与基于九路相关器输出的观测模型,利用扩展卡尔曼滤波（EKF）估计真实信号与欺骗信号的伪码延时与信号相关幅值,进而获得真实与欺骗伪距,在定位解算阶段利用改进观测量残差检测方法辨识出真实与欺骗伪距,最终使用真实伪距定位获得真实位置。仿真结果表明对相对码延时介于0.3~0.9 chip之间且欺骗/真实信号幅度比介于1~5之间的隐蔽欺骗攻击,所提方法的码延时估计误差约0.1 chip,可有效估计真实信号与欺骗信号参数,辨识出真实伪距,并使被欺骗的定位结果重新回到真实位置结果,改善GNSS接收机抗欺骗能力,提高卫星导航安全性。     

钟滑动辅助GNSS定位算法研究

针对GNSS卫星星座几何形状不好或者观测卫星数量不足,无法为导航解算和自主完好性监测提供足够观测量的问题,提出采用GNSS接收机时钟观测值进行辅助定位,提高定位精度,实现自主完好性监测。通过对接收机时钟建模,引入本地钟的钟差方程、辅助接收机观测方程,从而建立了一套完整的钟滑动辅助定位算法。通过对采集的真实数据作计算机仿真,证明了该算法的可行性和有效性。结果表明,在卫星星座几何形状较差或者某颗卫星出现故障时,利用钟差辅助算法能够有效地排除故障星,得到较好的定位结果。     

基于惯性辅助的北斗接收机完好性监测方法研究

针对传统卫星导航接收机在卫星数小于5颗及卫星星座构型不佳的情况下无法实现卫星故障识别与隔离的问题,结合卫星导航接收机在弹上的实际应用情况,利用惯导的辅助数据设计了一种基于多级Kalman滤波的北斗接收机完好性监测方案,给出了卫星导航接收机的RAIM滤波器结构与故障检测和隔离方法,并对其可用性进行了推导。该方案经过仿真分析及实验测试,结果表明在4颗可见星的条件下,可有效检测并隔离单星阶跃、慢速漂移、慢速随机等北斗卫星伪距和伪距率故障,从而使北斗接收机能够提供连续、精确的导航定位功能。     

利用两颗定点卫星的通信定位实验计划概况

移动卫星业务分成两大类——通信和无线电定位。前者以INMARSAT为代表,后者以GPS为代表,两者使用完全不同的系统和工作频率。这两种业务各自独立地研究、研制和实施。可是近几年来,已在研究和开发一种能在一个系统内完成两种功能的新型业务。日本通信综合研究所正在研究一种新型综合系统。利用这一系统,借助两颗定点卫星,可完成通信和无线电定点两种功能。本文介绍了该系统的实验计划概况。     

通过事后分析提高GPS的外测精度

通过事后分析可以提高GPS的外测精度。为了试验和鉴定目的,欲测量被试验体的时间空间位置信息(TSPI),现在已有不少方法。如果使用GPS,可考虑两种方案。一是在被试验体上装载GPS接收机,在运功体上测定TSPI,再通过遥测将数据送到地面。二是在运动体上装载一个GPS变频转发器,传送宽带GPS信息到地面。在地面站完成TSPI测量。本文指出,与装载接收机相比,装载GPS转发器的方案可以获得更高的测量精度。精度的提高来自两点:装载GPS接收机时仅处理来自4颗卫星的距离,得到运动体的位置。在某一位置上,所选用的4颗GPS卫星的GDOP值,可能是,也可能不是最佳。在转发方案中,运动体视场内所有信息都转送到地面进行处理。来自所有卫星的宽带数据都加以记录,以便作事后处理。作节后分析时,可按最佳GDOP选择最有利的卫星,或处理视场内所有卫星的数据,得到最高精度。记录宽带数据的能力还带来另外一些重要的事后处理好处。在飞行试验之前,只能估计试验体的飞行动态。飞行体上接收机跟踪滤波器参数依此作调整。如果飞行体运动异常(试验飞行中完全有可能这样),接收机就有可能对卫星失锁,所有的TSPI数据都会丢失。如果用GPS转发器,在地面站记录所有卫星的数据,在事后分析中重放该数据,可根据实际飞行动态,将滤波器最佳化,不会丢失TSPJ数据。此外,还可由数据处理来填补丢失的数据。     

利用两颗地球同步卫星的通信与定位系统——系统与试验

我们研制了能在一个系统里提供卫星通信和定位服务的两种类型的混合终端。一种采用单信道单载波(SCPC)技术,另一种采用扩谱(SS)技术。为了检验这两种终端的性能,我们在日本和太平洋区利用ETS—V(150°E)和Inmarsat(180°E)两颗地球同步卫星进行了一系列实验。使用SCPC和SS终端测量移动终端经卫星到基站之间的距离,测距精度分别为200米和10米。靠近日本进行的实验,SCPC和SS终端的定位精度分别为1000米和600米。实验结果表明定位误差主要由两颗卫星轨道测量误差产生的。 本文介绍SCPC和SS终端,试验系统的构成和特点以及实验结果。     

一种廉价的天基数据中继方法

美国国防部低轨卫星试验任务越来越需要不间断通信,使我们对地球同步数据中继业务更为关注。与额外再建造空军卫星控制网远方地面站相比,这可能是一种更经济的办法,而且可避免某一试验任务独占很多控制网资源。一种能近期试验天基数据中继系统的低费用解决办法是利用现有的两颗国防通信卫星Ⅲ号卫星,两个现有的超高频(SHF)地面终端站,以及被试卫星上的一个天线能自主指向的标准化小型终端。本文就来介绍这一系统。     

瞬时GPS测姿试验:解周期模糊度

作为美国海岸警卫队及美国陆军支持的6年研究的成果,Adroit系统公司(ASI)开发出了基于GPS的姿态确定技术。对该技术进行了测试和验证,并已用于具有多种用途的多个系统上。这些系统中的一种设备就是通用导航仪表,目前已可提供海用商业设备。其它应用包括通用导航、水文绘测、浮标定位,瞄准及用于天线瞄准的通信卫星定位。 GPS姿态确定由载波相位干涉测量来完成。从几个天线取出来自至少两颗卫星的相位测量值,并进行比较计算出姿态。GPS姿态确定的关键问题是周模糊,即一对GPS天线之间能嵌入的未知整载波周期数目。解该模糊的常用方法需要多个时刻的观测值。当卫星和/或天线运动时,比较时间上先后获得的测量值,逐渐消除候选解,找到正确的解。该方法存在的问题是,需要一段时间的相关相位测量值才能找到正确的解。这意味着接收机开机后以及信号中断或周滑动后恢复工作(除了接收机重新锁定相位所需的初始化和恢复时间之外)之后,系统需要一段很长的初始化时间。 AS姿态确定的新方法利用单时刻的冗余测量值来获得瞬时姿态解,而不需要初始化或恢复时间。对于接收机可提供相位测量值的每个时刻,大体上都可以计算姿态解并解周模糊,而不依步前时刻的测量值。因此,信号中断及周滑动后系统可立即恢复,接收机一打开刚提     

基于通用无线电外设的北斗信号仿真系统

研究了基于通用软件无线电外设(USRP)的北斗信号仿真系统。给出了北斗卫星电文的生成方式,使用Matlab读取星历信息并定义编码产生北斗卫星信号,并利用USRP实现北斗卫星电文的调制发射,利用接收机对该信号进行捕获接收,并对信号附加的多普勒频移进行仿真。最后通过接收机对仿真系统产生的信号进行接收验证。通过此仿真系统可更直观地研究北斗卫星信号,对研究北斗卫星导航系统具有一定的参考意义。     

航天飞机的通信和测控系统

航天飞机轨道器的射频系统和数据业务包括以下内容:一台S波段相位调制(PM)发射/接收机、一台Ku波段发射/接收机、两台独立的S波段调频(FM)发射机,一台S波段载荷询问发射/接收机以及一台Ku波段交会雷达。另外,轨道器通信设备和数据系统还包括:一个计算机系统(作为载荷和射频系统之间接口的专用处理器)以及电视和磁带记录系统。地面保障系统包括地面航天跟踪和数据网(STDN)、航天指控中心(MCC)和载荷操作控制中心(POCC)。轨道器处于再入飞行轨道时,用五台雷达进行跟踪,用国内通信卫星将NASA跟踪系统连接起来。建立的话音通信系统可同时提供两条独立的双向话路,“测站会议和监视装置”可以在遍布世界的370个话音终端之间完成交换任务。航天飞机要经过四次飞行试验,进行约1100项实验。试验结束后,航天飞机将进入实用阶段:为付款的用户把卫星和其它设备送入太空。     

基于伪距信息的COMPASS-MEO导航卫星单星定轨分析

COMPASS-MEO导航卫星的伪距观测量包含星站距离、接收机钟差和卫星钟差以及各种噪声。本文首先分析了接收机钟差和卫星钟差在一定间隔内主要表现为线性变化的特性,可以考虑将接收机和卫星钟差作为测距的偏差和偏差变化率和轨道一起进行求解。其次,利用实测的MEO导航单星伪距数据,进行了数据预处理和定轨试验,分别对站间无时间同步信息和有时间同步信息两种情况进行定轨、残差分析和参数解算。使用重叠弧段、轨道预报和激光观测数据验证定轨结果的精度。结果表明,两种情况下的定轨结果无明显差别。该定轨方法可以运用于MEO导航单星精密轨道的计算。     

基于嵌入式GPU的三天线GNSS基带信号处理加速技术

GNSS软件接收机因其可移植性及灵活性等优点,持续受到业内关注。但传统的软件接收机存在计算量大、耗时长的捕获和跟踪基带信号处理过程,使得软件接收机往往跟踪通道较少,且难以在嵌入式系统上运行。利用嵌入式图形处理器(GPU)的高浮点性能和并行运算能力,对GNSS软件接收机中耗时长且并行性明显的模块进行加速,实现采用CUDA流的数据读取,以及多采样点并行的捕获和多采样点、多卫星并行的跟踪。采用嵌入式GPU进行加速后,可将数据读取速度提高3.43倍,卫星搜捕速度提高16.83倍,卫星跟踪速度提高11.28倍。实验结果表明,在嵌入式Jetson TX2平台上可以支持超过90个62MHz采样的GNSS卫星信号处理。研制了三天线GNSS信号的定位和测姿接收机,为未来小型嵌入式PNT系统的研制提供新思路。     

GPS单差观测量的运动学相对定轨研究

以双星编队飞行为工程背景,在两颗编队卫星均搭载GPS双频接收机和一颗搭载GPS双频接收机而另一颗搭载GPS单频接收机两种模式下,对相对定轨方法和数据处理流程进行了研究。运动学相对定轨采用最小二乘批处理方法进行轨道估计,定轨流程包括单点定位、动力学平滑、数据编辑、运动学绝对定轨和运动学相对定轨五个步骤。利用GRACE双星数据进行测试,结果通过KBR验证:利用消电离单差组合观测量,相对定轨精度达到1 cm左右;以双频GPS为参考星,双频消电离观测量和单频GRAPHIC观测量做单差,相对定轨精度优于18cm。     

TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小、重量轻、适用于低轨道航天器的GPS接收机。这项计划由国防预研规划局(DARPA)发起,空军菲利普斯实验室监督。这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成。这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术(TAOS)”卫星上。 这种接收机有六个通道,可连续跟踪四颗主用的GPS卫星,第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星。它可以完成伪距、连续载波、距离变化量的测量;用八态扩展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速度。洛克韦尔公司的这种接收机重8磅,使用28伏直流电源,功耗12瓦。本文将介绍该接收机的设计和验收测试,并给出利用“多通道星戴GPS仿真评估系统”(SEVS)得到的性能测试结果。该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L_1和L_2频段的射频信号,模拟低轨道航天器的信号环境。