机载无线电导航仿真系统设计与实现

无线电导航系统作为飞机的重要导航设备,其仿真的逼真度将对飞行员的训练效果构成直接影响。在对无线电通信导航系统总体仿真框架设计的基础上,详细论述了系统软硬件组成及设计,给出了各种导航设备的实现方法,并重点在对导航系统测向误差产生的原因进行分析的基础上,设计了相应的仿真模型,将多种环境影响因素考虑到仿真模型中,提高了无线电导航系统的仿真精度。目前,系统已应用于某型飞机飞行训练模拟器中取得了较好的效果。     

基于CPU+FPGA的罗兰C导航系统模拟器

根据罗兰C导航系统信号的基本特征,以软件无线电理论为指导思想,设计一种罗兰C系统信号模拟器。该模拟器采用通用计算机和现场可编程门阵列(FPGA)芯片构建上位机、下位机架构,基于PCIE进行上下位机通信,模拟产生罗兰C导航系统信号。针对实际信号环境,该模拟器可以模拟多台链信号、天波信号、单频干扰、噪声干扰等信号场景。该模拟器可应用于罗兰C信号特征研究及接收设备的维修检测等。     

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.      

多星分布式无源相干定位方法

针对方向性辐射源信号主瓣波束窄测向定位精度不足的问题，提出多星分布式无源相干定位方法。首先，根据参考星接收到的主瓣强信号对辐射源位置进行粗定位，并根据粗定位信息对频移进行补偿；随后，将参考星信号分发至临近卫星，在粗定位范围内对相干星接收到的旁瓣弱信号进行互相关搜索，解算时差信息；然后，采用多星时差定位体制估计辐射源精确位置；最后对提出算法进行了Cramer-Rao下界分析，并通过仿真实验对算法进行验证。仿真结果表明，算法在弱信号信噪比(SNR在-40～0 dB)的情况下，定位误差能够快速逼近Cramer-Rao下界，并且能够有效提高辐射源的定位精度。     

雷达杂波高精度模拟技术研究

雷达杂波模拟是现代雷达系统研制中不可或缺的一部分。从实际工程应用为出发点，结合理论研究，深入探讨了雷达杂波建模与仿真、划分雷达散射单元以实现多散射点和数字正交调制等相关方法，提出了一种高实时性、高精度的雷达杂波模拟实现方案。该方案基于数字射频存储(DRFM)理论框架，对相关杂波信号模拟、仿真方法进行了技术验证，并使用Matlab平台实现了杂波实时模拟仿真，采用多级滤波器实现了杂波信号内插以提升信号采样频率；通过FIFO等延时模块控制基带信号延时量，将散射点数提高到64点，实现了对雷达散射单元的高精度划分。整体利用System Generator开发平台搭建实验模块，实现了多散射点模式下，杂波信号与基带信号的数字正交调制。该设计方案可为后续雷达模拟器的硬件研发提供必要的参考。     

基于H∞滤波的GPS／INS全深组合导航系统研究

根据H∞鲁棒滤波理论，提出了基于H∞滤波技术的GPS／INS全深组合导航系统，该系统仅含有位置误差，速度误差和平台误差角9维状态，并利用伪距，伪距率和载波相位观测信息对全部状态进行观测，组成全深组合导航系统，由H∞滤波来提高系统的鲁棒性，文中对提出的组合系统了动态仿真，仿真结果表明，该系统结构简单，状态估计精工高，系统鲁棒性好，便于工程实现。     

基于BDS/GPS的KBLMS信道补偿多径缓减算法

在全球卫星导航系统（GNSS）中，针对城市峡谷单系统无法定位及信号失锁后重新捕获及跟踪性能表现不佳的问题，提出了一种基于BDS/GPS的卡尔曼最小均方估计（KBLMS）的信道补偿技术。首先，建立双系统模型。其次，设计基于卡尔曼估计的最小均方误差的延迟估计模块，补偿接收信号上的多径失真。最后，设计视距（LOS）最佳估计块以在反馈回路中产生控制误差信号，用于自适应地更新补偿矩阵系数。通过实测数据与实验仿真，分析KBLMS的信道补偿多径缓减算法的性能。结果表明:KBLMS的信道补偿多径缓减技术相较于最小均方（LMS）算法在多径信道中能快速收敛，且码跟踪误差在ENU三个维度误差减少了0.1 chip，载波跟踪误差减少了约0.125 cm，有效降低了多径效应引起的误差，最终残余误差比LMS降低了0.035 chip，说明所提多径缓减算法可以进行更为精准的估计，从而验证了算法的有效性。      

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。     

车辆导航系统中超前滞后校正方法

分析了车辆导航系统中超前滞后产生的原因,提出了利用地图匹配MM(Map Matching)进行GPS(Global Positioning System)/DRS(Dead Reckoning System)组合导航系统超前滞后校正的方法.该方法是将超前滞后误差归结为GPS误差,先利用GPS沿道路垂直方向上误差的可观测性进行GPS误差校正,再将校正的GPS信息与DRS信息进行卡尔曼滤波,从而减少组合导航系统超前滞后误差.仿真结果表明上述方法是行之有效的.      

GALILEO/SINS组合导航系统研究

GALILEO是新一代的全球卫星定位系统。文章根据GALILEO系统的特点,有针对性地研究了GALILEO/捷联惯导(SINS)伪距组合导航模式。分析并建立了GALI LEO的误差方程,并以此为基础,给出了GALILEO/SINS伪距组合导航系统的误差模型和相应的卡尔曼滤波方程。为了有效验证设计的组合导航系统的有效性,在仿真过程中采用了协方差分析法,对组合导航系统性能进行了仿真研究。仿真结果表明GALILEO/SINS伪距组合导航系统能够有效的提高导航精度,随着GALILEO的不断完善,该系统将具有很大的应用前景。     

基于SOC的卫星姿轨控系统通用电模拟器设计

在某型卫星地面电联试过程中,对该卫星的姿态轨道控制系统进行接口分析及信号统计,针对其接口复杂性、信号多样性的特点,提出采用片上系统(Systemona Chip,SOC)芯片对所有部件模拟器进行通用化设计。文中给出了该型卫星通用型电模拟器硬件平台设计方案以及陀螺、反作用轮和通用接口模块的硬件配置说明,针对该型卫星姿态轨道控制系统电联试要求,对所有部件按真实接口配置成电模拟器,形成通用接口箱、敏感器电模拟器箱和执行机构电模拟器箱,并通过CAN(Controller Area Network)总线接入闭环仿真,对太阳捕获、地球捕获及正常模式进行了仿真测试,仿真结果表明通用电模拟器满足设计要求,对其他卫星的地面电联试有很好的参考价值。     

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。      

基于特征值分解的小天体着陆自主导航系统可观度分析

摘要： 针对非线性导航系统中状态估计可观性与导航精度之间的关系，采用基于误差方差阵特征值分解的可观度分析方法，结合扩展卡尔曼滤波(EKF)算法对非线性预测滤波(NPF)算法进行改进，推导改进预测滤波的误差协方差矩阵，并对其进行特征值分解.分析特征值和特征向量与导航精度的关系，以小天体探测器着陆自主导航系统为例进行仿真验证，与EKF导航精度比较的基础上验证改进的NPF算法的有效性和精确性，并分析不同误差因素(模型误差，陀螺噪声，陆标误差)对可观度的影响，为航天器实际过程中自主导航系统的滤波器设计提供参考.     

高度辅助的INS／SAR组合导航系统研究

对基于SAR图像匹配定位的地形辅助惯性导航系统的原理进行了充分阐述；同时针对SAR图像匹配定位高度通道不可观的特点，增加了高度输出为系统的观测量，从而构成了高度辅助的INS／SAR组合导航系统，并给出了系统实现原理图。依据对SAR图像匹配定位和气压高度表输出的分析，建立了组合导航系统的量测方程，在此基础上设计了线性卡尔曼滤波器，并完成了组合导航系统仿真。仿真结果表明，组合导航系统的定位精度可大大提高，该组合导航系统设计方案是成功可行的。     

磁屏蔽装置与磁场模拟器的耦合分析

地磁导航半实物仿真是地磁导航从理论走向工程应用的关键环节,而地磁场环境仿真技术是地磁导航由计算机仿真过渡到半实物仿真的桥梁。针对地磁场环境仿真系统中磁屏蔽装置与其内部磁场模拟器的耦合问题,采用仿真分析与实验验证相结合的方法,利用Ansoft Maxwell仿真软件设计仿真实验对二者的耦合关系进行了探索性研究,并基于小型地磁场环境仿真系统对仿真得到的结论进行了实验验证。仿真和实验结果均表明:磁场模拟器在大电流强磁场的工作情况下会对磁屏蔽装置造成严重的磁化,进而会影响其屏蔽效果;磁屏蔽装置不会影响磁场模拟器的线性度和均匀性,但是会增大轴线中心点附近的磁场值;磁屏蔽装置会使磁场模拟器的电感增大,从而使实时性变差。研究结论可以为地磁场环境仿真系统的设计提供理论依据。      

GPS/INS组合导航系统半实物仿真研究

为了研究ＧＰＳ组合导航系统的性能,利用跑车实验实时采集的惯性导航系统和ＧＰＳ的数据进行了测后仿真研究。分别进行了ＧＰＳ／ＩＮＳ位置、速度组合和伪距、伪距率组合仿真,仿真中组合Ｋａｌｍａｎ滤波器采用数值稳定性较好的Ｕ－Ｄ分解算法。最后给出了纯惯导及组合后系统的位置、速度误差仿真曲线,结果分析及相关结论。     

高动态GPS卫星信号模拟器导航电文生成

为了测试全球定位系统GPS(Global Positioning System)接收机的性能,应用GPS信号模拟器来模拟各种条件下真实的GPS信号.GPS卫星信号发生器由硬件、计算机和软件组成.软件主要由卫星导航参数计算模块、目标运动轨迹计算模块、误差计算模块等模块组成.导航电文产生功能模块是高动态GPS卫星信号模拟器要解决的一项关键技术.给出了3个卫星星钟改正参数的物理意义和星历产生模型,根据这些参数并结合相应的时间参数来形成卫星导航电文.通过程序仿真并与导航电文进行验证,证明推导出的星历产生模型基本符合GPS星的星座排列规律.     

不同传感器精度下的地形辅助导航系统性能评估

为完成地形辅助导航系统的传感器选型以及改进地形匹配算法和地形辅助导航系统可靠性的研究,开展了传感器精度对地形匹配概率的影响研究.针对不同的地形,分析了高度表误差、速度误差和航向角误差对地形匹配概率的影响,并根据实际要求通过仿真计算确定地形匹配系统中各传感器的误差范围.利用丘陵、山地和高山地等大量地形数据进行测试验证,仿真结果表明:在地形匹配概率大于90%时,速度误差小于2.2 m/s,航向角误差小于0.6°,高度表噪声标准差小于16.4 m.     

抗差自适应滤波在低轨飞行器INS/CNS/GNSS 组合导航中的应用

低轨飞行器对导航系统的稳定性要求较高,采用标准卡尔曼滤波的组合导航系统在异常扰动情况下会产生较大误差,严重影响低轨飞行器导航精度.在此前提下提出将抗差自适应滤波用于低轨飞行器导航系统,并基于该滤波器设计INS/CNS/GNSS组合导航.通过仿真实验对比验证抗差自适应滤波的有效性.     

基于硬件信号模拟器的电离层TEC监测仪 差分码偏差长期变化

利用硬件信号模拟器可以标定电离层TEC监测仪的差分码偏差.通过对相同接收机时隔近41.5月进行的两次差分码偏差标定实验，以GPS系统为例分析了硬件标定法得到的差分码偏差随时间的长期变化情况.结果表明:接收机差分码偏差均值从第一次实验的16.122ns增加至第二次实验的16.749ns，在约41.5月的时间内增加约0.627ns，月增量为0.0151ns，增加比较缓慢；第二次实验的差分码偏差标准差也有所增加，但增量也不大（均值分别为0.05ns和0.07ns）.此外，两次标定实验的TEC测量精度（均方根误差）均达到约0.3TECU，对应的差分码偏差误差约0.1ns，这说明该接收机差分码偏差变化的一致性较好.若不加以再次标定，第二次实验时TEC测量误差将增加至约1.8TECU，月增量约为0.0434TECU.