GPS多径信号建模及接收机测试评估

多径信号误差是GPS(Global Positioning System)及其它卫星导航系统的重要误差源之一,有关多径建模与多径消除技术一直是卫星导航领域的研究热点.根据多径信号特性,推导了对GPS定位精度影响最大的镜面反射多径信号模型.基于这一多径模型,利用GPS软件接收机测试了多径对接收机伪距测量精度的影响.测试结果验证了所建立的多径模型的有效性,所获得的多径误差曲线为窄相关多径抑制技术提供了实验支持.     

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.      

通过GPS测量数据研究电离层电子总含量的逐日变化

提出了一种直接通过双频GPS伪距测量数据导出接收站附近垂直TEC的方法,这种方法不需要事先知道卫星和接收机电路时延的精确值,前者可在换算过程中自洽地加以修正,而接收机时钟误差则利用IRI模式的夜晚平均值作为参考来订正,这一订正存在一定的绝对误差,但不会影响逐日相对变化,却使数据处理过程大为简化.得到的垂直TEC为天顶周围60锥角内的平均值,能够相当好地反映电离层电子总含量的周日变化.一个计算实例显示了连续三天北京地区TEC的日变化情况,证实了这一方法的实用性.文中还提出一个新概念或问题,即GPS卫星仰角很小时,通常认为多径效应造成大的误差,本文的一些实例似乎表明,这种多径效应的概念应当包括电离层不规则结构的贡献.     

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。      

卫星远场测试工艺装备设计

导航卫星播发信号的用户等效测距误差(UERE)受到众多因素的影响,多径效应是其中较为主要的一个因素。为了测定卫星外形布局对多径效应及其带来的伪距误差的影响,同时为了验证减少多径效应的布局优化措施是否有效,有必要进行导航卫星的无线测试。在对试验技术条件进行充分研究后,设计了一系列的试验支持装配和工具,满足了多个状态的测试要求。通过工装的关键功能设计,完成了某卫星远场测试,测定了导航定位误差在典型工况下的量级,对卫星导航误差分析和提高定位精度有着重要意义。     

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.      

地基伪卫星系统多址测距误差的校正算法

相对于卫星导航,地基伪卫星与接收机距离较近,测距中不涉及电离层传播等误差,易实现高精度测距和定位。但由于地基伪卫星位置固定,在信号连续发射模式下伪卫星信号间的多址干扰(MAI)会引起相对恒定的测距误差,针对地基伪卫星系统这一特点,提出一种基于反馈串行干扰抵消(SIC)的测距算法。首先对全部伪卫星信号进行捕获跟踪和功率估计,然后通过串行干扰抵消算法降低强功率伪卫星信号对期望测距信号的干扰,通过反馈模式进一步提高干扰抵消算法的性能。仿真结果表明,该方法可有效改善地基伪卫星系统强远近效应区域内的测距性能,不考虑其他误差下在强远近效应区域内基于码环可将伪卫星测距性能从10 m以上降低到约0.3 m。     

北斗卫星导航空间信号模拟畸变研究

针对卫星导航信号生成载荷故障会导致信号畸变,对北斗卫星导航信号模拟进行了研究分析。首先,建立了北斗导航信号模拟畸变的数学模型并对其进行了理论分析;其次,推导了北斗信号发生模拟畸变后的相关函数、功率谱密度函数和相关损耗,并仿真分析了北斗信号模拟畸变的相关峰曲线、功率谱密度曲线和相关损耗曲线;最后,利用S曲线及S曲线锁定点偏差的模型,仿真了北斗模拟畸变信号S曲线及S曲线锁定点偏差,并分析了北斗信号发生模拟畸变对测距性能产生的影响。结果表明：北斗信号发生模拟畸变的畸变程度越大,伪距测量误差越大,则导航系统的测距精度和定位精度越低,增强系统的完好性越小。     

北斗卫星导航空间信号模拟畸变研究

针对卫星导航信号生成载荷故障会导致信号畸变,对北斗卫星导航信号模拟进行了研究分析。首先,建立了北斗导航信号模拟畸变的数学模型并对其进行了理论分析;其次,推导了北斗信号发生模拟畸变后的相关函数、功率谱密度函数和相关损耗,并仿真分析了北斗信号模拟畸变的相关峰曲线、功率谱密度曲线和相关损耗曲线;最后,利用S曲线及S曲线锁定点偏差的模型,仿真了北斗模拟畸变信号S曲线及S曲线锁定点偏差,并分析了北斗信号发生模拟畸变对测距性能产生的影响。结果表明：北斗信号发生模拟畸变的畸变程度越大,伪距测量误差越大,则导航系统的测距精度和定位精度越低,增强系统的完好性越小。     

Correction model of BDS satellite-induced code bias and its impact on precise point positioning

There are code biases on the pseudo-range observations of the Beidou Navigation Satellite System (BDS) that range in size from several decimeters to larger than one meter. These biases can be divided into two categories, which are the code biases in the pseudo-range observations of Inclined Geo-Synchronous Orbit (IGSO) satellites and Medium Earth Orbit (MEO) satellites and the code biases in the pseudo-range observations of Geosynchronous Earth Orbit (GEO) satellites. In view of the code bias of the IGSO/MEO satellites, the code bias correction model is established using the weighted least square curve fitting method. After the correction, the code biases of the IGSO and MEO satellites are clearly mitigated. A methodology of correcting GEO code bias is proposed based on the empirical mode decomposition (EMD)-wavelet transform (WT) coupled model. The accuracies of the GEO multipath combination of the B1, B2 and B3 frequencies are improved by 39.9%, 17.9%, and 29.4%, respectively. Based on the corrections above, the ten days observations of three Multi-GNSS Experiment (MGEX) stations are processed. The results indicate that the convergence time of the precise point positioning (PPP) can be improved remarkably by applying a code bias. The mean convergence time can be improved by 14.67% after the IGSO/MEO code bias correction. By applying the GEO code bias, the mean convergence time can be further improved by 17.42%.     

深空伪码测距中复合码性能的分析与研究

深空伪码测距系统中复合码的选择影响到系统的无模糊距离、测距精度、捕获时间和硬件实现方法. 针对深空伪码测距系统中常用的测距码进行仿真、分析、比较与研究, 包括复合码的频谱特性、周期、直流分量、码钟衰减、捕获时间和测距抖动误差等. 利用同相相关系数和非同相相关系数的信号空间图分析复合码的捕获时间性能; 采用同相中相积分环作为码跟踪环, 利用其线性环路模型分析测距系统的抖动误差性能; 进而分析半正弦成型和方波成型对系统的捕获时间和测距抖动误差的影响. 通过研究和分析认为, 在深空测控测距中, 一种比较适用的测距方式是选择T4B作为伪码测距系统的测距码, 基于DDS原理产生任意码片移位的伪码序列, 采用半正弦成型调制方式和半正弦匹 配滤波接收技术, 利用同相中相积分环进行伪码的跟踪.      

星间相对测量在三星编队中的应用

以NASA新千年计划中的深空计划3为背景，使用星载类GPS的伪距和载波观测数据，研究利用编队卫星间相对测量，高精度自主确定三星编队星座相对状态的有关问题；研究星间相对测量各种可能的测量方案和可能达到的精度，验证这种星间相对测量技术是否能够满足深空计划3的系统要求．首先建立了三星编队星间相对测量系统的数学模型，然后利用星载高精度伪距和载波观测信息，对各种可能的测量方案进行仿真协方差分析；研究利用卫星姿态机动提供的几何信息，进行单差整周模糊度初始化的问题，讨论了卫星姿态机动方案；最后针对每一种测量方案给出了仿真结果和相关的结论。     

基于GPS的中、高轨道航天器定轨研究

利用GPS确定空间航天器轨道，尤其是GPS在中、高空间航天器定轨中的应用，针对中、高轨道中可见星少及GPS信号微弱等问题，提出了有效的微弱信号检测算法，提高了GPS接收机的接收能力，同时提出了利用伪加速度测量和轨道约束进行定轨解算的新方法，使得在HEO(高偏心轨道)中利用两颗可见星可以解算定位解，对GEO(静止地球轨道)只用一颗星就可求解，仿真结果表明该方法具有很好的效果。     

An unbiased carrier-phase anti-interference filter based on mirror frequency amplitude compensation

Anti-interference and high-precision measurement are two important indicators of the performance of a satellite navigation receiver. However, current receiver designs do not simultaneously satisfy these two criteria. While the carrier-phase ranging technique is necessary for high-precision receivers, frequency domain interference suppression (FDIS) results in tracking error biases for nonideal analog receiver channels. Importantly, as the FDIS filter is adaptive, the bias will vary with the jamming pattern, particularly when the frequency of interference varies. For precision navigation applications, this bias must be mitigated. Therefore, a new FDIS filter based on the mirror frequency amplitude compensation (MFAC) method is proposed in this paper. The amplitude at the symmetry position of the notch frequency is doubled in the MFAC method to mitigate this carrier-phase bias. The simulation results showed that the MFAC method can reduce the range of the carrier-phase bias by more than 60% for different interference bandwidths, which substantially exceeds that achieved using the conventional FDIS and calibration filter methods of 20 orders.     

GPS L5信号捕获方法的研究

L5信号是全球导航定位系统(GPS)新增的一种民用导航信号,它具有码速率更高、码长更长的特点。在星载高动态环境下,采用传统方法捕获L5信号捕获时间过长,因此文章提出了一种匹配滤波结合快速傅立叶变换(FFT)的捕获方法,该方法能够同时搜索码相位与载波多普勒频率,从而加快了捕获速度。理论分析和仿真结果表明,这种捕获方法适用于码长较长、多普勒频移较大的环境,通过对各种码长分段方式的分析比较,文章选出一种最合适的分段参数,能够满足L5信号的捕获要求,最后采用FPGA对该方法进行了硬件设计,验证其硬件可实现性。