SpaceWire光纤总线时钟同步方法研究

将SpaceWire ECSS-E-50-12C标准中基于Time-Code时间分发的同步方式应用于SpaceWire光纤总线系统中时,存在计时精度不高且计时长度短、延时误差不可控、频率偏差无法补偿的问题,不能满足纳秒级的时钟同步需求。针对以上问题,提出了使用从节点的本地时钟计数、时间戳计算平均延时、以及根据时钟频率偏差调整动态时钟计数的方法,消除时钟同步过程中时钟延时、抖动和频率漂移的影响,提高时钟同步精度。通过仿真验证,在光纤总线系统主节点和从节点的时钟频率不同,传输延时为80ns,延时抖动为8ns,且同步间隙为100μs的情况下,优化后的时钟同步精度达到了从100μs到24ns的提升。     

基于载波多普勒的高稳定度GNSS时钟驯服方法

为了充分利用高精度的GNSS载波相位观测量实现对本地时钟高稳定度的驯服，文章提出一种基于GNSS载波相位观测量的GNSS驯服时钟方法，其驯服后的本地时钟频率稳定度高，长稳接近GNSS卫星的星载原子钟水平。该方法首先利用4颗以上卫星的载波多普勒来估计本地时钟与GNSS卫星时钟的频偏；再用三阶锁频环对频偏进行滤波；最后用滤波后的频偏控制本地时钟的压控晶振或数字控制振荡器，以修正本地时钟的频偏。以氢钟作为思博伦GNSS模拟器和PicoTime阿伦方差测试仪的外参考输入时钟，[JP2]以高稳晶振为频率源的GPS接收机接思博伦GNSS模拟器的试验结果表明：该时钟驯服方法可将100s后的时钟稳定度从自由运行状态的1×10-11量级，经驯服后优于1×10-12量级，性能比肩GPS星载原子钟，具有较高的工程应用价值。文章所采用的方法可使驯服高稳晶振替代造价昂贵的星载原子钟，作为低轨导航增强星座的高稳定度频率源，且具有低成本、低功耗、轻质量等优势。     

导航星座自主导航的时间同步技术

导航星座自主导航能够有效地减少地面测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低系统维持费用,实时监测导航信息的完好性,增强系统的生存能力。卫星时间同步是实现导航星座自主导航的关键技术之一,而星载原子时钟的频率稳定性能直接影响着卫星时间同步精度。本文基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程。从而,可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明:通过滤波处理星间双向测距数据,不断地更新卫星时钟参数,能够实现星座卫星自主高精度时间同步。     

基于IM/DD体制的星间激光通信测距技术

随着当前低轨卫星组网星座计划的日益增加，对卫星间高精度校时、测距需求也越来越迫切。提出基于直调直检IM/DD（Intensity Modulation with Direct Detection）的测距技术的实现方法，使其能同时兼顾测距精度及系统成本。基于IM/DD的测距是利用高精度的秒脉冲到达时间来测量距离。使用IM/DD光通信的数据传输方式，在正常的数据帧传输中插入少量的测距信息，无需中断正常的通信模式，也无需网络时钟频率同步，数据帧的发送周期也无需与秒脉冲保持同步关系，即可使用双向单程测距方法进行测距。使用秒脉冲对本地时钟进行频率测量，对测距过程参数进行修正，只需要采用普通晶体振荡器作为本地时钟源，不需要使用高精度测距通常所需的全网络同步时钟信号或者高稳定度时钟源，便可以达到IM/DD通信码元时间量级的测距准确度和精确度，同时降低了时频同步系统的复杂度、对元器件的要求以及整个通信测距系统的成本，解决了现有技术中测距精度及系统成本不易同时兼顾的问题。     

时间和频率在广域增强系统中的作用

时间和频率在广域增强系统（ＷＡＡＳ）的４个方面有非常重要的作用。因此，ＷＡＡＡＳ将成为美国时间发播和同步领域的主要手段。ＷＡＡＳ是一种星基增强系统，它从ＧＰＳ全球定位系统收集数据，由静地卫星提供独立的测距信号来支持ＧＰＳ的导航信号；提供差分修正来改善ＧＰＳ的导航能力；还可以为用户提供ＷＡＡＳ网络时间（ＷＮＴ）与国际协调时（ＵＴＣ）的偏差以及系统完善信息。ＷＡＡＳ所能提供的上述功能的精度与其自身的时     

相干光接收机时钟恢复算法的FPGA实现

低轨小卫星在进行相干激光通信时，需要实时解决发射端与相干光接收机之间存在的时钟偏差问题。分析了时钟偏差对相干光接收机性能的影响，设计了一种基于Gardner算法的并行化时钟恢复反馈环路来对时钟的偏差进行纠正，对各组成部分的原理进行了说明，并在现场可编程逻辑门阵列FPGA上实现了该算法，将 5 GSa/s 的采样信号在 FPGA 中以 156.25 MHz 主频，分为并行 32 路完成时钟同步处理，且实时时钟同步算法仅占用 FPGA 的 590 个自适应逻辑块和 4 个乘法器单元。同时，采用自研的集成化相干光通信模块，演示了 10 Gb/s 偏振复用正交相移键控 PM-QPSK 相干光通 信系统实验。实验结果证明该方案能稳定地补偿本地采样时钟的频率和相位偏移带来的采样定时误差。以 7%开销硬判 决前向纠错码 HD-FEC（Hard Decision Forward Error Correction）为门限，系统的灵敏度优于–51 dBm。     

考虑钟差修正的X射线脉冲星导航算法研究

基于X射线脉冲星的航天器自主导航依赖于精确时间的测量,因此星载时钟 钟差对导航性能有不容忽视的影响。在原子钟钟差模型和航天器动力学模型基础上,提 出一种考虑星载时钟钟差修正的脉冲星导航算法。仿真结果表明,该算法可以有效消除钟差 的影响,保证了导航精度,研究结果对脉冲星导航的工程应用有一定的理论参考价值。
     

捷联惯导与星跟踪器组合导航算法研究

捷联惯导与小视场星跟踪器构成惯性/天文组合导航系统,核心思想是利用星体跟踪器的高精度测角信息设计滤波修正算法对捷联惯导的导航姿态、方位和位置误差进行滤波估计并修正,以限制捷联惯导系统导航误差随时间的发散,最终提高系统长航时导航的导航精度。在分析小视场星体跟踪器量测量与SINS导航误差之间关系的基础上,设计了两种不同的组合导航算法：位置+方位修正算法和误差角组合导航修正算法。在此基础上对两种算法的导航精度进行了理论分析,并通过长航时仿真飞行数据进行了仿真验证。结果表明：位置+方位修正算法不受载体的位置误差的影响,更适用于星体跟踪器间断工作的情况;误差角组合算法不受载体姿态误差的影响,更适用于SINS初始位置误差得到有效修正的情况。     

GNSS中基于双星故障的RAIM中的数学关系

从理论上推导全球导航卫星系统(GNSS)中基于双星故障的接收机自主完好性监测(RAIM)中的两个基本定理,为基于双星故障的RAIM技术提供了理论支撑。第一个定理给出了RAIM中奇偶矢量与导航误差的关系,指出了两者的统计独立性,它表明只能通过多次测量的累积以统计方法得到导航定位精度;第二个定理指出可通过偏差修正方式得到正确的导航解。这两个结论与单星故障假设条件下得到的结论是相同的,这就表明,基于单星故障假设的RAIM方法,其基本原理是可以通用于双星以至于多星故障情形的,只需在具体操作上进行适应性改进。另外,推导方法本身也提供了一种进行GNSS分析的有力工具。     

卫星导航信号畸变导致的测距偏差的估计方法

为定量评估导航信号的测距性能,本文研究了在轨卫星导航信号畸变导致的测距偏差估计问题。基于Vernier采样原理利用大口径抛物面天线采集在轨卫星导航信号,经数据处理获得一个伪码周期的脉冲波形。在此基础上,对该波形起点位置进行精确估计,然后根据延迟锁定环工作原理产生超前本地波形和滞后本地波形,获得E-L鉴别器曲线,最后估计鉴别器曲线的零交叉点偏差,该偏差即为卫星导航信号畸变导致的测距偏差。利用北斗卫星采集信号,获得了B1频点I支路信号的测距偏差,验证了该估计方法的正确性。     

双频GNSS接收机射频前端的系统设计

结合全球导航卫星系统中各种卫星信号的频段分布,提出一种适用于双频接收机的射频前端结构,讨论基于该结构的本振频率的选取方法。以GPS的L1频段和Galileo的E1频段为例,对该系统进行仿真验证。仿真结果显示,双频接收机射频前端的各项指标均达到了设计要求。     

惯性信息辅助高动态接收机捕获问题的研究

高动态环境为GPS接收机快速捕获信号带来了困难,通过外部的惯性信息辅助,接收机能预先估算高动态栽体产生的多普勒频移,缩小频率搜索范围,减小捕获时间.本文在GPS信号捕获原理的基础上,介绍了多普勒和码偏移误差对检测概率的影响,给出了惯性信息辅助接收机捕获的方法,着重分析了GPS接收机在冷启动和温启动的情况下有惯性辅助和无惯性辅助的平均捕获时间.结果表明在高动态环境下采用惯性信息辅助GPS接收机捕获的方法可以明显地减少接收机捕获的时间,提高接收机捕获的性能.     

基于GPS的新型二级频标锁定系统

提出了一种基于GPS的新型二级频标锁定系统的设计方案。利用信号的时延稳定性和群相位差变化的规律性,产生一种基于长度游标的高精度时间间隔测量方法。将该方法应用于二级频标锁定系统中,通过对被测时间间隔进行多尺度卡尔曼滤波,在MCU控制下算出GPS与二级频标分频信号之间的相对频差;根据二级频标的频-压控制特性得到补偿电压,将该电压进行D/A转换后送到二级频标的压控端,调整输出频率,形成二级频标锁定系统。实验结果表明其锁定精度可达10 -12 /s 量级,与传统频标锁定系统相比具有电路简单,成本低廉,附加噪声小,锁定精度高等特点。
     

GPS C／A码与P（Y）码抗干扰性能分析

讨论C/A码与P(Y)码重复周期的不同对各自抗干扰性能的影响。探讨涉及P(Y)码接收机抗干扰性能的认定问题。分析表明:多数情况下P(Y)码接收机具有比C/A码接收机远高出10dB的抗干扰性能;转发式干扰对P(Y)码接收机很难达到欺骗效果。     

GPS历书数据的有效龄期

历书数据的有效性是决定接收机启动状态进而影响首次定位时间的重要因素之一。对不同龄期的历书数据在估计卫星仰角、信号传播时延、多普勒频率偏移和GDOP值时引入的误差进行测试和分析,提出了截止角递增选星法,将GPS历书数据的有效龄期从一个月延长至一年,为接收机启动时充分利用GPS历书数据,辅助卫星信号的快速捕获提供有力的依据。     

基于软件相关器的GPS跟踪算法研究与实现

研究了适用于GPS软件接收机的软件相关器和信号跟踪算法,包括码跟踪和载波跟踪。为了提高跟踪灵敏度,码鉴别器和载波鉴相器每Nms输出一次鉴别结果,在Nms的间隔时间段内,每1ms采用状态外推算法对相位、多普勒和多普勒导数进行一次外推。跟踪环路采用载波环辅助码环的跟踪方法,提高了码环的跟踪精度和可靠性。利用真实的采样数据,在PC机上用Matlab对该算法进行了仿真,并且在GPS软件接收机平台上得到实现。实验证明,该算法可以实现对c／A码相位和载波频率的精确跟踪,并得到导航数据。     

基于先验动力学轨道的星载双频GPS数据预处理

针对星载双频GPS数据预处理中的野值剔除和周跳检测问题,提出了基于先验动力学轨道的星载双频GPS数据预处理方法。与传统GPS数据预处理方法在数据利用上局限于GPS原始观测数据本身不同,该方法还利用了动力学定轨产生的先验轨道信息以及GPS卫星精密轨道、钟差数据,并构造接收机钟差估计量和接收机钟差差分值估计量来剔除野值和探测周跳,提高了野值剔除和小周跳探测能力。对CHAMP卫星在轨实测数据的处理分析表明,该方法可以探测出1周甚至0.5周的周跳,可为高精度定轨提供更“干净”的数据源。     

GPS/INS超紧耦合方法及其应用分析

超紧耦合是GPS/INS组合导航系统的最新研究方向,它采用INS测得的载体动态信息辅助GPS接收机跟踪环路,消除卫星信号中由于载体与卫星之间相对运动所产生的频率偏移,提高接收机在高动态环境下载波跟踪性能,同时还可以压缩带宽,有效增强接收机抗干扰性能。介绍GPS/INS超紧耦合技术,给出INS辅助GPS载波跟踪环路结构图和相应的数学模型,分析INS辅助GPS跟踪环路在动态环境下的动态残留及其对环路相位误差的影响,并进行了模型仿真,最后对仿真结果进行了验证分析。仿真结果显示,辅助动态残留及其导致的环路相位误差的大小与加加速度、环路辅助时间间隔成正比。     

多径干扰下GPS/INS跟踪环路的一种高斯码相位鉴别器

针对载体在多径信号的影响下,传统码相位鉴别器不能实时有效鉴别出码相位误差,提出一种高斯码相位鉴别器构建方法。在GPS/INS深组合模式中,接收机码相位鉴别器的构建将改变传统设计方法。INS系统利用GPS接收机产生的即时码相位信息,建立INS系统码相位鉴别器,该INS码相位鉴别器用于辅助GPS接收机码相位鉴别器,构建高斯码相位鉴别器,有效降低码相位跟踪误差。仿真结果表明,与传统的码鉴相器相比,高斯码相位鉴别器减小了噪声方差,能有效提高鉴相精度,从而在多径干扰下提高定位精度。     

GPS接收机干扰频率特性研究

针对直接序列扩频接收机的特点，研究了GPS接收机的解扩过程对干扰信号的影响，分析了干扰信号的频率与对接收机干扰效果的关系，从而解释了不同频率干扰的作用机理及干扰效率的差别。最后通过对GPS接收机的干扰实验验证了分析的正确性。