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.     

同步式GPS欺骗干扰信号生成技术研究与设计

出于对"低、慢、小"无人机进行导航定位诱骗的实际需求,在实验室原有的异步生成式GPS欺骗干扰源的基础上,研制了一种小型化的同步生成式GPS欺骗干扰源。首先,在异步生成式GPS欺骗干扰源射频信号模型的基础上,考虑到干扰源信号处理延时、欺骗信号的传播延时、无人机上目标接收机所接收真实卫星信号状态以及无人机运动模型,建立了对同步欺骗信号仿真时间和状态参数进行精确计算的数学模型。其次,通过本地授时型接收机提供驯服后的基准时钟和秒脉冲（1PPS）信号,实现欺骗干扰信号与真实卫星信号系统时的同步,并通过高阶直接数字频率合成（DDS）技术精确控制信号参数、保证欺骗信号到达目标接收机接收天线相位中心时与真实信号的相位状态在成功诱骗所允许的误差范围之内。最后,通过商用接收机和无人机进行了实验验证,在无人机上目标接收机正常跟踪真实卫星信号的前提下,开启同步生成式GPS欺骗干扰源发射欺骗信号,能够使目标接收机逐渐偏离正常定位测速结果而产生受控的定位测速结果。结果验证了同步信号模型和所设计同步信号生成电路的正确性,且表明同步生成式GPS欺骗干扰源能够实现对商用接收机和无人机导航定位的诱骗。      

电离层不规则结构对GPS性能的影响

电离层不规则结构的存在可引起无线电信号的幅度和相位发生随机起伏, 这 种电离层闪烁现象会影响全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的 性能, 降低定位精度, 严重时导致信号失锁. 电离层不规则结构对GPS性能的 影响涉及电离层物理、接收机设计和表征卫星几何分布的精度衰减因子(Dilution of Positioning, DOP)等多方面因素. 本文通过对表征电离层不规则结构参数 的分析, 根据GPS接收机跟踪环路和闪烁信号模型, 综合研究了电离层闪烁对 GPS接收机载波跟踪环和码跟踪环跟踪误差的影响; 结合实际观测, 评述 了电离层不规则结构对单频和双频GPS接收机定位性能的影响, 在此基础上 提出了有待深入研究的问题及具体建议.      

软件GNSS信号模拟器架构与中频信号生成

软件GNSS(Global Navigation Satellite Systems)信号模拟器对于GNSS接收机的高效研发将做出重要贡献,因其结构灵活、开放性以及低成本.以GPS/Galileo组合系统为例,讨论了软件GNSS中频信号模拟器的架构,主要功能模块包括卫星星座仿真、接收机轨迹生成、传播通道特性仿真(包括电离层模型、对流层模型、多径模型等)、数字中频信号生成.在此基础上,着重阐述了数字中频信号生成模块的实现,功率谱图及分析结果验证了所生成的信号,包括GPS L1 C/A,Galileo E1 CBOC(Composite Binary Offset Carrier),Galileo E5a和E5b信号.     

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。     

辅助式GPS接收机信号发射时间恢复算法研究

当GPS接收机无法进行位同步、帧同步以及导航电文解调时, GPS接收机无法恢复卫星信号发射时间. 为解决该问题, 对基于迭代最小二乘的发射时间恢复算法进行了研究, 利用辅助GPS接收机中无线通信网络提供的卫星星历、卫星修正参数等辅助信息, 结合信号发射时间模糊度的遍历搜索, 完成了信号发射时间的恢复. 详细讨论了算法及其成立条件, 给出算法流程, 并推导出搜索因子的不同选取方案, 使该算法对接收机初始位置误差(150km)和初始时间误差(180s)没有限制. 通过仿真验证了算法的有效性.      

基于GPS的地球资源卫星精密星历外推新方法

随着技术的发展,通过星载GPS接收机直接确定卫星星历成为卫星定位的一个重要手段.GPS接收机获取的卫星星历数据是某一时刻的瞬时状态,要获取连续的卫星星历数据还需要进一步处理.常用的处理方法有几何法与动力学法.在GPS接收机给定瞬时星历频率较低的情况下,几何法的计算误差比较大,特别是只有一组瞬时星历时,无法用几何法进行轨道的外推.在分析地球资源卫星轨道特点的基础上,提出一种新的轨道缩减动力模型,该模型将卫星运动在直角坐标系中分解为简谐运动,利用模型实现了轨道外推的算法.通过试验验证,该算法可以达到较高的精度.      

全球卫星导航系统兼容性评估方法研究

目前,卫星导航系统兼容性评估方法主要是计算机仿真验证,难以复制真正的导航系统运行条件,改变任何一个参数都需要重新进行仿真,计算量和分析量很大,并存在较大误差。文章以卫星导航接收机为落脚点研究导航信号的兼容性。首先,根据干扰信号对全球导航卫星系统接收机捕获、载波跟踪、数据解调等的影响,推导了即时相关器输出的信号功率对噪声功率加干扰功率之比的模型,建立了基于频谱隔离系数的等效载噪比模型,利用相对较简单的等式就获得了干扰的一级评估;其次,具体分析了GPS C/A码自干扰时导航信号到达地面的功率、天线增益,以及星座功率增益等参数;最后,给出GPS C/A码自干扰时等效载噪比衰减的测试结果,在信号捕获时,多普勒频移为kHz的整数倍C/A码自干扰对所需GPS C/A码的等效载噪比衰减程度最大,达到9.6dBHz。该方法可以为中国新一代卫星导航系统信号设计提供参考。     

多路径效应对GPS多普勒测速的影响

针对全球定位系统（GPS）多普勒观测值在城市环境中受多路径效应影响,从而导致测速误差大的问题,从多普勒频移产生的原理入手,通过运动学理论分析,构建了接收机、反射点与卫星整体运动与多普勒频移误差关系模型。模型分析结果表明:多普勒频移误差与卫星观测向量、反射点切线法向量、接收机运动速度及反射点运动速度有关。最后通过5种不同场景的GPS数据验证了所提模型的正确性。在多路径情况下,当接收机或反射点运动时,可能会导致巨大的测速误差,使得结果不具备可靠性。      

基于小波分析的BOC信号抗多径码相位估计

卫星导航接收机需要精确地估计扩频信号的码相位并进行跟踪,估计的精度直接影响伪距测量的精度.卫星信号的多径传播使得简单的相关器估计存在较大的误差,针对未来导航系统普遍采用的BOC(Binary Offset Carrier)导航信号,提出了一种基于小波分析的估计算法来抑制多径误差,仿真的结果表明该算法比传统的窄相关和双Delta技术在性能上有很大的改进.并证明了在采用Haar小波时,该技术与相关器估计方法在极限条件下是等价的,同时该方法的算法复杂度比基于最大似然估计的方法MMT(Multipath Mitigating Technique)要低.     

GPS授时校频方法研究与试验结果

为了解决多目标综合测量系统各测站之间时间同步和频率校准问题,提出了利用GPS(Global Positioning System)单星或多星共视方法进行站间时间同步与校频,给出了这两种方法的计算公式,分析了星历误差、星钟误差、电离层折射误差、对流层折射误差、多径效应和接收机硬件延迟对时间同步精度的影响.为了验证GPS授时校频精度,进行了相关试验.通过与铯原子钟比对,表明利用GPS可实现纳秒级时间同步,校频精度也优于5.0×10-11,多星共视具有更高的同步校频精度.      

基于GPS遥感的延迟映射接收机关键技术

全球卫星定位系统GPS(Global Positioning System)广泛应用于定位和导航,还可利用海面对GPS信号产生的散射效应进行微波遥感,是一种新型微波遥感手段.首先介绍了GPS海洋遥感测风技术产生背景及特点,给出了GPS散射信号测量技术理论基础,重点分析了延迟映射接收机设计中提高采样信号信噪比、双射频前端电路设计、计算反射点延迟、接收机工作模式、内嵌软件处理等5项关键技术.设计的延迟映射接收机样机在天津近海完成了首次搭载飞行试验,试验结果表明,延迟映射接收机可同时接收直射和海面散射卫星信号并输出导航定位解,正确计算镜面散射点码延迟,准确接收海面散射的GPS卫星信号,且散射信号信噪比达到了14.9 dB以上,接收机输出为反演海面风场提供了准确的基础数据,这种方式可推广到遥感探测陆地土壤湿度、海冰厚度、海浪高度等领域.      

GPS/GLONASS定位仿真器的设计与实现

GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)作为两种实时卫星定位导航系统,得到广泛应用.为满足离线试验研究的要求,设计开发了GPS/GLONASS卫星定位仿真器.该仿真器分析GPS和GLONASS星座的运动轨迹,并模拟卫星接收器的解算,以纯软件的方式实现卫星定位.仿真计算表明此仿真器定位精度与实际接收机相当,可以模拟真实的卫星定位,为仿真调试等研究工作带来便利.      

GPS定位数据在海洋一号卫星中的应用与比较

简要介绍了海洋一号卫星星载GPS接收机的定位原理、流程和应用，探讨了一种在轨定位结果的确认和互验方法．借助于卫星工具包软件(STK)，利用NASA网站公布的HY-1卫星两行根数(TLE)进行卫星轨道推算，生成星下点位置，并与相应时刻星载GPS接收机实测数据得到的星下点位置进行比较，由此得到两种方法定位结果之间的偏差，用实际在轨数据验证了两者的位置符合程度．     

GPS定位与测速算法研究

给出了GPS定位与测速的数学模型,然后在Gauss-Newton算法的基础上讨论了正常情况下的GPS定位与测速的迭代算法,最后给出了只有3颗可见卫星或几何精度因子太大时的处理方法,从而得出了一个完整的GPS定位与测速的迭代算法.该算法首先迭代地求定位解,并在迭代中不断更新卫星信号传播时间,然后用最后一步迭代中计算出的正规矩阵和卫星信号传播时间求解速度.     

基于GPS/北斗组合系统的高轨卫星定位技术研究

针对目前高轨GPS信号可用性差及定位精度低的特点, 对GPS/北斗组合系统的 高轨卫星定位技术进行研究, 对比分析了单GPS系统与GPS/北斗组合系统的卫 星可见性和几何精度因子. 结果表明, GPS/北斗组合系统比单GPS系统的卫星可 见性好, 且定位精度高. 同时通过提出在星载接收机上采用高精度原子钟, 可实现三星定位, 降低对接收机的技术要求.      

利用GPS实现高轨卫星定位的抗远近效应算法

针对GPS应用于高轨卫星定位面临的远近效应问题, 提出利用正交相关的联合极大似然估计算法来对GPS信号进行二维搜索, 可以得到正确的码延时及多普勒估计. 极大似然估计算法首先利用滑行相关法对仿真信号中的强信号进行搜索, 得到强信号模型, 然后利用正交相关去掉强信号, 最终实现对弱信号的正确捕获. 本文对高轨卫星接收到的GPS信号进行了功率分析, 并建立了信号模型, 进行了算法仿真. 结果表明, 这种估计算法能够提高二维搜索性能, 有效解决远近效应问题.      

观测资料和卫星钟差对PPP参数收敛影响分析

在GPS 单点定位中, 参数解算的收敛时间和收敛稳定性是重要的研究内容之一, 影响收敛时间和收敛稳定性的因素很多, 本文主要就观测资料的不同采样间隔、卫星钟差资料的不同采样间隔、不同的定位精度要求对精密单点定位中参数收敛时间的影响进行了深入的分析探讨, 以中国上海GPS综合应用网中的12个测站资料为例, 分析了采样间隔、定位精度要求与收敛时间的关系, 并对不同采样间隔的收敛时间进行了统计分析, 得出一些初步结论.      

星载GPS几何法实时定轨有关问题的研究

首先讨论了星载GPS几何法实时定轨的绝对定位方法和各种差分技术。由于伪距差技术能克服GPS卫星的星历误差、卫星钟误差，特别是SA误差的影响，而且实现难度不大，所以应用它来实时定轨。实测数据的处理表明，它能明显提高定轨的精度。然后分析了星载GPS所受扰动影响的情况，对应用抗差估计削弱GPS卫星信号扰动的影响进行了试验，试验的结果说明抗差估计能进一步提高星载GPS几何法定轨的精度。     

航天器应急姿态捕获中GPS信号的应用

星载全球定位系统（GPS）卫星接收机在测量接收各GPS卫星信号时,可同时得到接收信号的信号强度测量辅助数据E。理论分析表明,接收信号的强度E与信号入射天线的法向夹角α强相关。如建立E与α稳定的先验模型,E就可以作为测量值,计算入射天线的角度α。在同一时刻,通过三个以上GPS卫星信号入射天线的角度α,可计算星载GPS卫星接收机接收天线的空间姿态。确定姿态的精度取决于E与α相关先验模型的稳定性。利用CHAMP卫星星载接收机在轨实测数据检验,估算的初始姿态精度为2°~3°。该方法可作为航天器故障状态下应急姿态捕获的一种辅助手段,也可为携带星载GPS而无高精度定姿要求的简易航天器提供一种新的无附加成本的定姿途径。