一维GTD散射中心模型参数估计的改进MUSIC算法

针对利用多重信号分类（MUSIC）算法估计一维几何绕射理论（GTD）的散射中心模型时噪声鲁棒性较差、参数精度不高这一问题,提出一类改进的MUSIC算法。首先,构建原始回波数据的共轭矩阵,有效提高了原始回波数据的利用率;其次,将原始回波数据的协方差矩阵、共轭数据的协方差矩阵叠加取平均,得到一个新的总协方差矩阵;最后,对矩阵作2次方、4次方等偶次方处理,得到另一矩阵,以达到增大信号特征值与噪声特征值之间差距的作用,等效为增大了信噪比。仿真结果表明:所提改进算法的参数估计性能及噪声鲁棒性均要优于经典MUSIC算法。      

一种适用于高轨空间的GNSS矢量跟踪方案设计

高轨空间中全球卫星导航系统（GNSS）信号可用性严重变差,对GNSS接收机的跟踪性能提出更高要求。利用GNSS信号传播链路模型分析了高轨空间GNSS信号特点,对比了标量跟踪和矢量跟踪这2类典型跟踪环路在高轨空间的适用性,进而设计了一种适用于高轨空间的GNSS矢量跟踪方案。该方案通过估计载噪比确定量测噪声方差阵,以对各通道量测信息进行加权处理来获得高精度的导航参数;并根据高轨航天器的动态性能确定过程噪声方差阵,利用轨道动力学模型对导航参数进行一步预测,从而实现了对各通道信号跟踪参数的准确预测及联合跟踪。仿真验证表明:所设计的跟踪方案可实现高轨空间中强信号对弱信号的辅助跟踪,从而提高了高轨空间中弱信号的跟踪性能及可用性,并对中断信号具有一定的桥接能力。      

基于帝国竞争优化的双目标综合决策选星算法

全球卫星导航系统（GNSS）的应用前景已经得到世界各国的普遍承认,其应用领域也趋于多样化,在此背景下,卫星接收机也要求其具有更快的解算速度和可靠的精度。针对目前多数接收机的选星算法都是固定选星数目从而限制算法机动性的问题,提出基于帝国竞争优化算法（ICA）的双目标综合决策选星算法。为了更好获取几何构型较好的卫星星座,引入可见卫星的卫星仰角和方向角先验信息,进行先验性约束,通过构建几何精度因子（GDOP）以及选星数目2个目标,进行综合决策的快速选星,提高了选星的灵活度,并且在满足用户精度的要求下减轻了多星座卫星接收机的计算负担。通过仿真实验和实测数据对双目标综合决策选星算法验证的结果表明:所提算法在高度截止角5°下引入先验性约束条件后平均选星数目在仿真数据和实测数据中缩减率分别为51.8%和45.4%,平均GDOP值较无约束下分别减少0.209 2和0.248 4。同时,所提算法单次选星平均耗时分别为0.168 4 s和0.303 1 s,与遍历法的选星耗时4 s相比,提高了95.79%和92.42%。      

基于GA-SVM的GNSS-IR土壤湿度反演方法

针对提高大范围土壤湿度测量精度的问题,研究了土壤湿度的全球卫星导航系统干涉测量法（GNSS-IR）,提出了一种基于支持向量机（SVM）的土壤湿度反演模型,利用遗传算法（GA）的自动寻优功能寻找SVM的最佳参数。结果表明,GA-SVM模型在测试集上得到的土壤湿度反演值与实测值的平均绝对百分比误差（MAPE）仅为0.69%,最大相对误差（MRE）为1.22%,线性回归方程决定系数达到了0.956 9。进一步与统计回归、粒子群优化的SVM模型（PSO-SVM）及反向传播（BP）神经网络方法进行对比,结果说明:在样本数目有限的情况下,GA-SVM方法更适用于土壤湿度的GNSS-IR技术反演,且反演精度较高,泛化性能良好。      

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。      

基于GPS多星三频数据融合的GNSS-IR土壤湿度反演方法

土壤湿度的监测是全球卫星导航系统干涉测量法（GNSS-IR）的关键应用之一。传统的GNSS-IR土壤湿度反演方法一般只针对单颗卫星的单一频段,未充分利用不同轨道、不同频率卫星信号的差异性与互补性。针对此问题,提出了一种将GPS多星的L1、L2和L5频段数据加权融合进行联合反演的方法,该方法利用基于最小方差的自适应融合算法得到加权因子,并通过现场实验进行了方法验证。结果表明:在测试集上所提出的反演方法相比于传统的Larson方法,相关系数提高了24.69%,均方根误差下降了22.28%,与均值融合法相比,相关系数提高了26.77%,均方根误差下降了23.26%,证明了所提方法能有效提高反演精度。      

涌浪及降雨影响下的GNSS海面反射信号建模

全球导航卫星系统（GNSS）海面反射信号的模拟仿真采用的海浪谱多为风驱模型,而忽略了真实复杂环境中涌浪、降雨的影响。为此,提出了一种涌浪、降雨影响下的GNSS海面反射信号模型。首先,对Elfouhaily海浪谱、涌浪谱、降雨谱分别进行仿真,从海浪谱的角度分析涌浪、降雨对GNSS反射信号的影响。然后,设计了引入涌浪、降雨影响因子后的GNSS反射信号建模的方法,并建立噪声模型。最后,对星载场景下仿真得到的二维时延-多普勒相关功率分布图像（DDM）、时延相关功率波形（DW）进行分析,并与英国技术演示卫星（UK TDS-1）实测数据的处理结果进行了对比验证。结果表明:涌浪主要形成对GNSS反射信号影响较大的大尺度粗糙海面,而降雨对GNSS反射信号影响较小;仿真的DDM与实测数据结果的波形有很好的一致性,DW对比的相关系数达到0.92,优于未修正模型的对比结果,模拟的反射信号更为真实,证明了提出的GNSS反射信号建模方法的可行性、有效性。对真实复杂环境下的GNSS反射信号建模及GNSS反射信号星载探测应用研究具有一定的参考意义和实用价值。      

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。      

调频引信谐波时序检测抗干扰方法及实现

针对调频（FM）引信抗干扰能力差的问题,提出了调频引信谐波时序检测抗干扰方法,利用弹目交会过程中谐波时序特征,提高了调频引信抗调幅（AM）、调频和扫频干扰能力;设计了基于快速傅里叶变换（FFT）的调频引信谐波提取方案,通过对差频信号进行FFT获得谐波幅值,与现有谐波定距调频引信通过带通滤波器（BPF）获得谐波幅值相比,在保证同等定距精度的前提下,可以灵活选取谐波次数和谐波通道,利用谐波时序性提高调频引信抗干扰能力,同时易于实现炸高分挡。仿真及实测结果验证了本文方案的可行性,调频引信抗干扰成功率由16.7%提高到90%以上。      

机载GNSS海洋反射信号的建模与仿真

由于全球导航卫星系统反射(GNSS-R)机载试验耗费大和重复性差,需研制GNSS-R信号模拟器,但没有相应的反射信号模型。提出了一种基于数据拟合的机载GNSS海洋反射信号建模方法。首先,对复杂的GNSS海面反射信号进行近似简化。然后利用ZV模型生成的时延相关功率曲线,通过最小二乘拟合和非线性拟合,建立了多条等时延间隔的海洋反射信号功率衰减模型,从而得到机载GNSS海洋反射信号的时延、功率、多普勒频率参数。最后,对多条反射信号的合路信号进行相关的仿真验证。验证的结果表明模拟的14条反射信号的相关功率曲线与ZV模型理论曲线的相关系数优于0.99,能够有效地用于GNSS海洋反射信号的生成。该方法可根据海面风场、浪高、波高等海面信息,模拟不同海况的海洋反射信号,为GNSS-R信号模拟器的研制奠定基础。     

基于双基雷达原理的GNSS海面反射信号建模方法

全球导航卫星系统反射(GNSS-R)技术应用过程中接收机的测试验证需要反射信号产生源,以降低成本。信号的模型是GNSS-R信号产生源中的核心。针对缺乏相应模型的问题,提出了一种根据双基雷达原理建立GNSS海面反射信号模型的方法。首先,在分析GNSS海面反射信号特征的基础上,选取了恰当的海面反射点。然后,计算了雷达方程中的散射系数和散射面积,从而得到相应反射点的反射信号功率。最后,对所求得的反射信号参数进行仿真验证。验证的结果表明,反射信号的相关功率曲线与ZV模型理论曲线的相关系数优于0.98,能够有效地用于GNSS海面反射信号的生成。因此,该方法可为GNSS-R信号产生源的研制提供一定的理论支撑。     

新型GNSS信号波形设计

在发射带宽严格受限的约束下连续函数波形信号较传统矩形波形表现出了较高的频谱利用率优势和优良性能,很有可能应用到未来的全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)信号体制中.在建立导航信号波形设计准则的理论模型基础上,研究了7种可能适用于未来GNSS系统的新型信号波形,在典型的宽/窄发射带宽条件下,通过仿真评估了传统GNSS信号和新型GNSS信号的精度、抗多径、抗干扰等性能,优选出BOCc和MSK两种适用于不同环境的信号波形: 在频谱资源充足的情况下,BOCc信号具有最优的导航性能;在频率资源受限的情况下,MSK信号兼容性好,抗干扰能力强,拥有较好的导航性能.最后,结合两类信号波形的优缺点提出了我国新一代卫星导航系统信号波形设计的建议.     

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。     

强信号下GNSS接收机前端处理引起的相关损耗

在全球导航卫星系统（GNSS）信号质量监测及GNSS射频（RF）信号模拟器测试等应用中,有用信号功率往往远高于噪声功率。针对二进制相位移位键控（BPSK）和二进制偏移载波（BOC）调制信号,首次研究了这种强信号条件下接收机带限滤波、采样和量化（BSQ）引起的相关损耗。首先分析了不考虑量化作用时由滤波和采样引起的损耗;然后分析了不考虑前端滤波时由量化和采样引起的损耗,推导了相关损耗的解析表达式并得到了量化器的最佳量化间隔;最后,对于滤波、采样、量化共同作用引起的损耗,采用蒙特卡罗方法仿真分析了GPS L1 C/A信号在不同滤波带宽和量化比特数下的归一化相关功率,探讨了根据仿真结果拟合相关损耗解析表达式的方法以简化分析。      

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.      

基于块平均预处理的GNSS-R延迟映射处理方法

为了提高导航卫星反射信号信噪比,提出了一种基于块平均预处理(BAP)的反射信号处理方法,该方法首先以伪码周期为块尺寸对接收信号进行分块,并对各分块进行叠加、平均,然后对平均后的信号进行相关处理.在此基础上,理论分析了块平均预处理对导航反射信号的影响,推导了镜面反射点反射信号处理增益的数学表达式,以及相关处理后得到的一维相关功率,对比分析了该方法与传统处理方法的计算复杂度,分析表明该方法对反射信号具有空域滤波效果,提高了镜面反射点反射信号的信噪比且有效降低了计算复杂度.最后,基于块平均预处理的软件接收机被开发,并对课题组实采的岸基GPS数据进行了处理,结果表明:与未块平均预处理的传统方法相比,在块平均预处理时间为2、5、10、15以及20ms时,该方法所得相关功率的峰值信噪比分别提高了约3.5、6.7、10.2、10.6和10.4dB,且在块平均预处理时间为10ms时,处理等长数据的时间缩短了近2.2倍.