基于码片幅度调制的导航信号扩频码认证方法

信号认证是满足全球卫星导航系统(GNSS)民用信号安全性需求的关键，相比于导航电文认证(NMA),扩频码认证(SCA)具有更强的安全性。为了在实现SCA的同时不对非认证用户造成影响，提出了一种基于码片幅度调制(CAM)的导航信号SCA方法，对民用信号的扩频码的码片幅度进行了调制，实现了在扩频码层面的认证特征的引入。为了验证所提方法的有效性，采用理论和仿真分析，与GPS L1C采用的Chimera SCA方法进行了比较。结果表明，所提方法在检测性能方面提升了2.55～2.78 dB。研究成果可为下一代高安全卫星导航信号的设计提供支持。     

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。     

导航BOC信号的抗干扰性能分析

二进制偏置载波(BOC)信号是一种新型的导航信号,其与传统扩频调制导航信号在性能上的差异是目前导航领域的关注重点之一。文章通过建立BOC信号接收系统的数学模型,针对窄带干扰、匹配谱干扰和带限白噪声干扰这几种典型的无线信道干扰,研究了BOC导航信号和传统扩频调制导航信号的抗干扰性能,并给出了几种典型导航信号的抗干扰性能参数。研究结果表明,BOC信号具有比传统扩频调制导航信号更强的抗干扰能力。     

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.     

高动态环境扩频系统伪码延时的精确估计方法

针对在高动态环境直接扩频系统伪码延时测量所遇到的问题,分析了多普勒频移对伪码延时的影响.利用扩展卡尔曼算法(EKF)对高动态直接扩频信号的载波相位和频率进行了估计,并利用载波辅助技术测量载波相位的变化值来校正伪码延时环,减小多普勒频移对伪码延时的影响,得到了精确的延时估计值,提高了伪码延时锁定环的动态跟踪性能.     

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%.     

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。     

基于地面基站的定位系统构建和方案

针对大型、复杂、多功能建筑,其内部信号环境恶劣,卫星导航的信号衰减较大,较难稳定捕获跟踪,建筑内多径效应严重,短多径对定位精度的影响较大,直接使用卫星导航信号进行定位难度大的问题,提出了一种基于地面基站的大区域（建筑群）室内定位方案。根据频率与信号穿透性能和空间衰减之间的关系,选择甚高频频段作为信号载波,采用码伪距和载波伪距联合定位的方式,可同时兼顾覆盖性和定位性能。利用所提出的新型定位方式,搭建了一个基本测试系统,通过信号的产生、发射、无线传播,进行了信号的捕获、跟踪和伪距求差解算,初步验证了本文方法的可行性及覆盖能力。      

基于声光技术的扩频信号循环谱的检测

扩频信号是被伪随机码调制的周期信号,因此它应被建模为循环平稳随机信号.基于循环平稳随机信号的谱相关理论,提出了一种采用基于声光信号处理技术的扩频信号循环谱检测方法.通过研究扩频信号的循环频率、循环功率谱和基于时间积分的声光循环平稳处理模型,利用声光循环平稳时间积分相关器,在循环频率处对扩频信号的声光相关函数(循环谱)进行检测.相比于传统的能量检测方法,循环谱检测方法具有更好的检测性能;对于噪声和干扰,无论是平稳的、还是非平稳的,循环谱检测方法都具有较强的抗干扰能力,仿真结果证明了其有效性.     

高轨微弱信号的跟踪算法分析及仿真

高轨航天器自主导航技术是中国迫切需要发展的航天新技术之一,广泛应用于通信、导航、气象、预警等领域.高轨导航接收机为高轨航天器自主导航定位提供了便捷有效的手段.在高动态环境下,载波频率和相位、伪码相位均随载体运动发生较大变化.由于载体动态引入的多普勒频率变化对伪码跟踪环的影响可通过载波辅助消除,接收机的动态性能主要取决于...     

新一代卫星导航信号测量性能分析

导航信号的测量性能最终影响系统定位、测速、授时等服务精度, 是系统顶层设计的重要论证内容之一. 结合COMPASS系统新一代卫星导航信号体制框架设计, 分析了各种应用条件下的伪距、载波相位和多普勒测量精度, 并以典型设计参数为例进行了数值计算. 结果表明, 在接收机典型设计参数和工作条件下, 各信号分量均能够实现0.1m的伪距测量精度、0.006周的载波相位测量精度以及0.005m·s-1的多普勒测量精度. 首次给出的针对新信号体制各项测量性能的研究结果可为卫星导航系统信号体制设计、 导航接收机关键参数设计以及卫星导航系统用户测距误差预算等顶层设计提供参考.      

An analysis on combined GPS/COMPASS data quality and its effect on single point positioning accuracy under different observing conditions

With the rapid development of the COMPASS system, it is currently capable of providing regional navigation services. In order to test its data quality and performance for single point positioning (SPP), experiments have been conducted under different observing conditions including open sky, under trees, nearby a glass wall, nearby a large area of water, under high-voltage lines and under a signal transmitting tower. To assess the COMPASS data quality, the code multipath, cycle slip occurrence rate and data availability were analyzed and compared to GPS data. The datasets obtained from the experiments have also been utilized to perform combined GPS/COMPASS SPP on an epoch-by-epoch basis using unsmoothed single-frequency code observations. The investigation on the regional navigation performance aims at low-accuracy applications and all tests are made in Changsha, China, using the “SOUTH S82-C” GPS/COMPASS receivers. The results show that adding COMPASS observations can significantly improve the positioning accuracy of single-frequency GPS-only SPP in environments with limited satellite visibility. Since the COMPASS system is still in an initial operational stage, all results are obtained based on a fairly limited amount of data.     

基于三频数据的北斗卫星导航系统DCB参数精度评估方法

差分码偏差（Differential Code Biases,DCB）参数作为导航电文中重要的一项,是影响用户PNT服务的主要误差源之一。北斗卫星导航系统（后文简称“北斗系统”）发射三个频点的导航信号,在导航电文中需要发播卫星的2个TGD（Timing Group Delay）参数。文章首先介绍了北斗系统卫星DCB参数最小二乘解算与形式误差评估;其次根据北斗系统三频特点,提出了不同频点组合计算垂直方向电离层电子总含量（VTEC）互差的DCB精度定量评估方法,并与IGS(International GNSS Service)提供的GPS卫星DCB精度进行比较;最后,详细分析了DCB参数精度对用户等效距离误差（UERE）计算和定位计算的影响,分别采用卫星出场标定DCB参数和经过解算DCB参数进行评估。实测数据分析结果表明,北斗系统卫星DCB参数解算形式误差与IGS解算GPS卫星DCB参数形式误差相当,但受卫星类型和解算测站的几何分布限制,北斗系统卫星DCB参数解算不确定度相比IGS略差,估计精度优于0.5ns,不同频率组合计算VTEC互差绝对值均值优于0.6TECU。相比采用卫星出场标定值,采用系统解算DCB参数后,双频用户三维位置误差改善13.80%～47.42%。     

北斗/GNSS高精度时频终端测试方法探讨

基于虚拟仪器技术、网络技术和批量化测量技术,探讨北斗/GNSS高精度时频应用终端的测试手段;提出应用测试模块化和VXI/PXI/LXI总线技术的测试设计方案,该方案具有多路标准时间频率参考信号一致性设计和网络远程测试校准设计;同时,提出北斗/GNSS高精度时频终端测试校准系统的结构设计及其应用模式。这将能有效提高北斗/GNSS时频终端测试的集成化和智能化水平。     

A substitute for BOC modulation based on SS-CPM

CPM (continuous phase modulation) has been widely used in the field of satellite communication, which has high spectrum efficiency and constant envelope. This paper explores the applicability of CPM to satellite navigation. A SS-CPM (Spread-Spectrum CPM) modulation is investigated. The SS-CPM with tuned parameters can resemble the spectrum of Binary Offset Carrier (BOC) modulation and yields comparable performance in terms of tracking accuracy, multipath mitigation, anti-jamming, and compatibility. The BOC-like SS-CPM signal maintains the constant envelope at transmission and less out-band emission in radio determination satellite service (RDSS) band, which provides a reference modulation for COMPASS satellite navigation signal.     

基于DDMR辅助的GNSS-R载波相位差测高方法

提出了一种基于时延-多普勒映射接收机（DDMR,Delay-Doppler Map Receiver）辅助的载波相位差提取方法,给出了系统结构及信号处理方法.该方法将DDMR中所观测到的码相位差作为直射信号与反射信号的码相位延时量,将完成跟踪的直射信号扩频码进行对应的延时用于完成对反射信号的开环码跟踪.该方法省去了码相位延时搜索的过程,且可以准确地对反射信号扩频码进行同步.为了验证系统的可行性及实际性能,进行了针对水面高度测量的岸基试验并给出了试验结果.岸基试验证明采用该方法的GNSS-R（Global Navigation Satellite System Reflection）接收机可以稳定地对反射信号进行跟踪并提取直射与反射信号的载波相位差,测高精度约为2.5 cm,经过0.5 s的数据平均后精度可达0.6 cm.      

Evaluation of COMPASS ionospheric model in GNSS positioning

As important products of GNSS navigation message, ionospheric delay model parameters are broadcasted for single-frequency users to improve their positioning accuracy. GPS provides daily Klobuchar ionospheric model parameters based on geomagnetic reference frame, while the regional satellite navigation system of China’s COMPASS broadcasts an eight-parameter ionospheric model, COMPASS Ionospheric Model(CIM), which was generated by processing data from continuous monitoring stations, with updating the parameters every 2 h. To evaluate its performance, CIM predictions are compared to ionospheric delay measurements, along with GPS positioning accuracy comparisons. Real observed data analysis indicates that CIM provides higher correction precision in middle-latitude regions, but relatively lower correction precision for low-latitude regions where the ionosphere has much higher variability. CIM errors for some users show a common bias for in-coming COMPASS signals from different satellites, and hence ionospheric model errors are somehow translated into the receivers’ clock error estimation. In addition, the CIM from the China regional monitoring network are further evaluated for global ionospheric corrections. Results show that in the Northern Hemisphere areas including Asia, Europe and North America, the three-dimensional positioning accuracy using the CIM for ionospheric delay corrections is improved by 7.8%–35.3% when compared to GPS single-frequency positioning ionospheric delay corrections using the Klobuchar model. However, the positioning accuracy in the Southern Hemisphere is degraded due apparently to the lack of monitoring stations there.     

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。