芯片原子钟的工作原理及其研究进展

作为导航设备的重要部件,芯片原子钟可作为战术导弹、卫星接收机、小型无人机等所用导航设备的时钟源,也可与陀螺仪和加速度计组合实现微型定位、导航与授时。介绍了相干布局囚禁(Coherent Population Trapping, CPT)现象,以及芯片原子钟的发展历程,阐述了CPT实现方案的缺点(产生极化暗态、降低原子利用率),并给出了优化方案。此外,分析了微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)加工工艺等用于芯片原子钟制造的关键技术,并对芯片原子钟的发展趋势进行了展望。     

芯片原子钟对SoC北斗导航接收机定位精度影响

在卫星导航领域,接收机的工作时钟普遍为石英晶振,靠石英晶振来驱动射频前端采样并完成后续的定位解算功能.但是,晶振在长期稳定性上存在很大的不足,作为系统工作时钟时会对接收机的定位精度以及整个系统的稳定性造成一定的影响.提出了利用芯片级原子钟替换石英晶振作为系统时钟源进行定位解算,并利用最小二乘法对钟差信息进行估计预测,在SoC北斗导航处理板上进行实验验证.实验结果表明,该方法能够有效改善北斗导航接收机的定位精度.芯片原子钟作为系统工作时钟后,接收机位置误差分别减小了9.4％、41.8％、64.3％,速度误差分别减小了36.3％、30.7％、62.3％.     

一种多系统兼容卫星导航抗窄带干扰专用芯片设计

卫星导航信号由于其自身特点,经过长距离传输到达地面信号功率十分微弱,所以很容易受到外来同频窄带信号干扰。主要介绍了一种满足北斗、GPS多系统兼容的卫星导航抗窄带专用芯片的设计方案。其采用模数转换、抗干扰处理集成单颗芯片设计架构,可直接替换原有卫星导航终端的A/D芯片,实现抗窄带干扰功能;并着重对抗干扰算法的多系统兼容设计、低功耗干扰检测技术进行了介绍;经流片测试,该芯片抗北斗B1、B3频点和GPS L1频点窄带干扰干信比大于60d B,北斗S频点抗窄带干扰干信比大于55d B,双路同时工作最大功耗小于260m W,可有效满足手持、车载、弹载等小型低功耗卫星导航终端的应用需求。     

GNSS驯服芯片级原子钟方法研究CSCD

芯片级原子钟是一种体积小且功耗低的高精度时钟源,具有广泛的用途。针对这一特点,设计了基于GNSS的芯片级原子钟驾驭算法。以GNSS系统时作为参考,测量芯片级原子钟与GNSS系统时间的钟差,并对芯片级原子钟进行钟差建模,获取其特征参数。通过乒乓法计算出钟驾驭调整量,对芯片级原子钟进行控制,最终将芯片级原子钟驾驭到GNSS系统时间上。经过实验验证,在驾驭时间常数为100s的情况下,芯片级原子钟与GNSS系统时间的时钟同步误差在-7.5~7.5ns之间;1h频率准确度为5.8×10-13;平均时间为10000s时的频率稳定度为3×10-13。     

捷联惯性导航计算机小型化设计

为满足捷联惯性导航计算机的小型化和实时性要求,本文设计了一种使用基于SoC技术设计的A2F500芯片为硬件平台的实现方案。新型的导航计算机与传统的以DSP+FPGA为架构的导航计算机相比,有效地减小了体积,降低了功耗和成本,提高了系统的可靠性,达到了预期的目标,对导航计算机的进一步小型化具有重要意义。     

用于定位导航授时微终端的SoC系统设计

为了解决遮挡情况下的实时定位问题，美国提出了Micro-PNT方案，我国也提出了定位导航授时微终端(Micro Positioning Navigation and Timing Terminal，MPNTT)方案。定位导航授时微终端集成了卫星导航系统、微惯性测量单元、微型原子钟及处理器系统，可为终端用户提供精确可用、完好及时、连续安全的定位导航服务。介绍了一种用于定位导航授时微终端的SoC系统设计，其包括了基于SoC FPGA的硬件设计和基于GNSS/MIMU的组合导航滤波算法。SoC系统集成了FLASH、SSRAM等存储芯片，通过RS422、RS232、CAN等通信接口接收GNSS、MIMU及外源传感器信息，并在ARM核中完成组合导航算法，以得到导航结果。SoC芯片单片实现了ARM与FPGA的功能，系统集成面积满足小型化需求，为后续移植为ASIC芯片提供了基础。对组合导航滤波算法进行嵌入式软件移植并测试，结果表明：SoC系统单次惯导解算时间为7ms，实测与仿真输出的导航位置差距在0.05m以内，俯仰角差和横滚角差在0.005°以内，航向角差在0.05°以内。本文设计的SoC系统高精度、集成化、可扩展，满足了微终端的要求。     

Galileo卫星星钟故障前后信号质量分析

星载原子钟是卫星导航系统的核心器件,是影响导航信号质量的重要因素。2016年11月,Galileo系统利用一箭四星发射升空4颗新一代Galileo卫星。根据观测显示,截至2017年7月,仅能接收到其中1颗卫星发射的导航信号。在2017年1月,欧洲航天局通告称多颗卫星原子钟大规模故障。针对此,40m 大口径高增益天线系统设备对不同批次和星钟故障情况的3颗Galileo卫星E5频点信号进行了数据采集处理,对各信号分量的功率谱、星座图、码片波形、相关损失、相关峰、S曲线偏差等信号质量指标进行了分析评估。结果表明,此次星载原子钟的大面积故障并未影响Galileo卫星信号的可用性,足够的星载备份钟避免了信号质量的严重恶化。     

一种基于CC1010芯片的无线传感器网络节点设计

介绍了一种基于CC1010芯片的无线传感器网络节点设计,分析了传感器网络节点结构和CC1010芯片的功能及应用,探讨了基于CC1010芯片的网络节点机硬件工作原理,据此给出节点的硬件电路设计,并利用C51RF-2型仿真器完成对节点编程.经过测试,基于CC1010芯片的无线传感器网络节点具有无线通信、传感、信息处理等功能,并且具有结构简单、性能稳定、功耗低、抗干扰能力强等优点.     

北斗多模多频导航SoC芯片技术研究

介绍了一款北斗多模多频导航SoC芯片—“OTrack-128”,该芯片实现了多模多频兼容导航定位,采用完全国产化的卫星导航核心芯片,在定位精度、动态性能等关键指标上达到了国际先进水平,最后给出了基于该芯片的各类主要应用技术指标。     

北斗多模多频导航SoC芯片技术研究

介绍了一款北斗多模多频导航SoC芯片—"OTrack-128",该芯片实现了多模多频兼容导航定位,采用完全国产化的卫星导航核心芯片,在定位精度、动态性能等关键指标上达到了国际先进水平,最后给出了基于该芯片的各类主要应用技术指标。     

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

基于Starlink机会信号/INS的组合导航方法

针对全球卫星导航系统(GNSS)因频点单一、落地功率低、易受电磁干扰以及存在覆盖较差区域等潜在的被拒止或被干扰导致的导航系统性能降低甚至失效的问题,提出了一种基于星链(Starlink)机会信号融合惯性导航系统(INS)的飞行器动态组合导航方法。首先分析了星链信号体制,建立了基于星链星座卫星下行机会信号的瞬时多普勒定位观测模型,设计了一种基于频率细分的快速最大似然多普勒频率估计方法,然后建立了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的Starlink机会信号/INS的组合导航模型,并对该导航方法进行了实验及分析。结果表明,该方法可为飞行器提供长航时、连续、高精度的导航。动态飞行情况下,该方法可实现平均优于25 m的三维定位精度和平均优于0.1 m/s的速度估计精度,比相同观测时间下的惯导精度提高了1～2个数量级,显著提高了飞行器的导航精度,可为战略导航提供方法和技术支撑。     

面向L 波段导航监视功能的波形兼容管理技术研究

随着射频综合技术的发展，各射频功能之间的耦合性越来越高，对其兼容管理的需求越来越大。本 文基于某型综合射频系统项目，针对L 波段通用波形的兼容管理开展了技术论证和研究。结果表明，该射频兼 容管理措施可以有效保证L 波段导航监视功能波形正常工作。     

光纤陀螺噪声对惯导系统精度影响的小波分析

针对当前典型光纤陀螺捷联惯导系统,研究了低动态条件下光纤陀螺输出信号的噪声特性,运用小波多尺度变换方法进行了噪声各频段分量对导航精度影响的深入研究及仿真分析,然后采用小波阈值去噪方法进行了实测数据滤波的有效性验证。结果表明,光纤陀螺噪声的低频段部分是影响导航定位误差的主要因素,而对陀螺高频段噪声的滤波措施对导航精度影响甚微。     

基于低轨通信星座的导航增强技术发展概述

在我国北斗三号卫星导航系统全面完成组网建设的背景下,世界卫星导航步入新时代。各卫星导航大国均瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务,正在着手开展新一代系统建设和技术迭代。随着各国对于大型低轨通信星座的积极开发与广泛部署,应用低轨卫星技术实现导航增强与PNT系统备份能力,因其易与GNSS协同,具有提高全球自主导航精度、拓展全球卫星导航应用市场的巨大潜力而成为研究热点。面向低轨导航增强技术,首先总结了低轨卫星的最新态势,梳理了卫星导航增强服务模式,并详细分析了低轨通信星座导航精度增强及导航信号增强两方面的技术动向。在此基础上,重点针对导航增强频率的兼容互操作、通信/导航信号一体化设计、高动态导航增强信号捕获与跟踪等方面,对低轨卫星导航增强体系未来的发展机遇以及面临的技术挑战进行了展望。此外,还基于美国铱星系统实收采集信号开展了定位服务性能试验分析,结果表明600个历元内收敛定位精度优于100m,相关分析成果可为我国低轨导航增强建设提供参考和借鉴。     

低轨星座/惯导紧组合导航技术研究CSCD

现有低轨(LEO)卫星导航研究主要以低轨星座独立导航定位和增强全球卫星导航系统(GNSS)导航定位为主,对低轨卫星和惯性导航系统(INS)组合导航技术研究较少。本文面向应用较小规模低轨星座资源实现米级定位精度的需求,提出了一种低轨星座/惯导紧组合导航方法,系统性地分析了不同规模低轨星座、不同精度级别惯导器件以及不同导航信号播发频度下组合导航定位的性能,并利用构建的仿真试验系统进行了低轨星座/惯导紧组合导航方法的仿真试验验证。试验结果表明,相较于低轨星座独立导航,低轨星座/惯导紧组合导航在星座不满足四重覆盖时仍能达到米级定位精度,并且在低轨星座规模较小和导航信号播发频度较低时,惯导测量精度对组合导航定位精度影响明显。研究结果表明,在利用低轨卫星进行导航时,通过引入惯性观测辅助低轨卫星导航,可有效提高导航效能和精度,为低轨星座和导航信号播发方式设计带来更多的选择。     

对低轨导航系统发展趋势的思考CSCD

全球卫星导航系统成熟的产业推广和技术应用极大地牵引了卫星导航发展需求,使相关学者愈来愈关注恶劣电磁环境下的抗干扰技术以及分米、厘米级高精度导航定位服务。低轨星座优越的平台/轨道特性使其被誉为未来极具潜力的卫星导航手段。特别是近十年商业航天的蓬勃发展,带动卫星平台技术及火箭运载技术突飞猛进,大大降低了低轨卫星制造与发射成本,使得面向低轨星座的导航定位技术成为研究热点和发展方向。首先深入地剖析了不同历史阶段低轨导航的应用方向和技术体制,梳理归纳了低轨卫星星座独立定位及低中高轨卫星联合定位两种应用模式的技术特点,然后分析了未来低轨导航在整个卫星导航系统体系中的应用前景和技术挑战,为未来低轨导航系统建设和发展提供设计参考与技术借鉴。     

水下PNT体系之声学导航定位技术应用展望CSCD

声学导航技术是水下PNT体系的重要组成部分,也是水下PNT建设的一种有效增量手段,应充分利用中高频声学导航技术的隐蔽性和精确性,以及低频声学导航技术的广域性,满足水下用户对水下导航定位能力的隐蔽性、广域性以及精确性需求,有效促进水下导航定位服务能力的持续提升。从水下应用需求出发,研究了声学导航的任务剖面、边界条件和融合方式等,明确其在水下应用的优越性与局限性,最后对我国未来声学导航技术水下应用提出了建议。     

基于光纤以太网的高精度分布式授时技术

White Rabbit(WR)时钟同步技术是综合了同步以太网、精密定时协议(IEEE1588v2)和数字相位测量技术而发展的分布式同步授时技术,能够实现数千米范围内多节点亚纳秒精度的时钟分发。该技术兼容标准以太网协议,不占用额外网络带宽,与数据链路直接集成,结构简单成本低。介绍了White Rabbit技术的基本技术原理及初步应用方法,并给出了各种拓扑结构下的测试结果。采用White Rabbit能很好地解决各种长距离多节点高精度授时需求,能够作为地基增强导航系统的关键支撑技术。