空间色噪声下信号频域检测方法性能分析

水下小孔径阵列的应用环境是色噪声环境,针对超增益波束形成方法在色噪声环境下噪声协方差矩阵估计偏差使阵列空间增益不能达到最大的问题,提出了一种频域超增益波束形成方法(FSD, Super-Directive beamforming in Frequency domain),该方法将宽带接收数据分成多个子带,在每个子带内分别估计噪声协方差矩阵,降低了噪声协方差矩阵的估计偏差,并使用估计得到的噪声协方差矩阵对接收数据解相关.最后使用空间谱检测器检测微弱目标信号.实测噪声数据的仿真结果表明,空间有色噪声环境中FSD方法的检测性能优于传统的时域超增益波束形成方法(TSD, Super-Directive beamforming in Time domain)2 dB,优于频域最小方差无畸变响应(FMVDR, Minimum Variance Distortionless Response in Frequency domain)波束形成方法2 dB.     

基于双层协方差矩阵重构的稳健波束形成算法

针对协方差矩阵含目标信号分量及目标导向矢量失配情况下，传统自适应波束形成器性能急剧下降的问题，提出了干扰加噪声协方差矩阵双层重构的稳健波束形成算法。首先，利用稀疏重构的方法预估干扰加噪声协方差矩阵，通过估计干扰导向矢量及干扰功率对干扰加噪声协方差矩阵进行优化校正；然后，基于子空间理论建立导向矢量约束误差优化模型，利用迭代方法对凸优化模型进行求解，得到最优权值向量。仿真结果表明:所提算法显著提高了波束形成器在目标导向矢量约束误差及阵列误差情况下的稳健性，低快拍条件下表现较好，输出性能优于仿真对比算法。      

自适应对角线加载的波束形成算法

采样协方差矩阵求逆(SMI)的波束形成方法在少快拍数、高信噪比情况下波束形成性能下降。对角线加载技术能减弱了小特征值对应的噪声波束的影响,改善了方向图畸变,但是加载量的确定一直以来是一个比较困难的问题。文中提出了一种自适应对角线加载波束形成算法,根据阵列接收信号协方差矩阵的特征结构,自适应地加载对角线,进而提高波束形成的鲁棒性。仿真结果表明:该算法在高、中、低的信噪比下都具有较好的波束形成性能,且在少快拍数情况下仍具有较好的波束形成性能,是一种鲁棒的且性能优越的波束形成算法,而且该算法容易实现。     

基于方向调制的多目标卫星物理层安全测控技术

在巨型星座中，航天测控系统需对多目标卫星同时进行测控任务。由于无线信号的广播特性，全空域多波束测控系统在可视弧段内存在多个目标卫星和多个非目标卫星，有用信息在传输过程中易被非目标卫星拦截和窃听，测控链路的物理层安全问题亟待解决。考虑在地面站多波束发射机中引入方向调制技术，通过在发射信号中叠加人工噪声，并针对非目标卫星方向未知和已知两种场景分别设计基于正交投影和基于最大化信泄噪比(maximum signal-to-leakage-and-noise ratio, Max-SLNR)的波束成形算法，来有效提升测控系统的物理层安全性能。仿真结果表明，两种算法均能使非目标卫星方向上的接收信号星座图产生畸变，同时在目标卫星方向上保持标准的星座图分布。相较而言，正交投影算法更适用于非目标方向未知场景，达到无差别屏蔽非目标卫星方向截获的效果；而Max-SLNR算法综合考虑了对非目标卫星接收机性能的抑制，能够达到定向屏蔽非目标卫星的效果。     

基于线性约束最小方差的稳健波束形成算法

针对平面阵列天线波束形成过程中的波达方向(DOA)估计失配问题,提出在期望信号(SOI)方向附近增加线性约束的算法,有效提升了平面阵列波束形成的稳健性;此外,针对增加线性约束会导致波束形成算法自由度降低的问题,以均匀线阵为例,提出在广义旁瓣相消(GSC)算法模型中添加阻塞矩阵预选环节的算法,有效解决了添加线性约束所致的自由度损失问题,从而使算法在提升稳健性的同时保持了原有的自由度。最后,通过计算机仿真实验验证了所提算法的有效性。     

自适应DBF与空间谱估计

讨论了自适应数字波束形成(DBF)技术和超分辨空间谱估计技术,并提出了一种基于信号协方差矩阵特征分解的时-空二维信号高分辨谱估计算法。以上技术应用于相控阵雷达系统,可以精确获得多个运动目标的方位信息和多普勒信息。文章最后给出了计算机模拟结果。     

基于酉变换的正交投影自适应波束形成

正交投影 (OP)自适应波束形成算法性能优良 ,但需要进行复协方差矩阵特征分解 ,运算量大。提出了一种基于酉变换的OP自适应波束形成算法 ,该算法对取样协方差矩阵Toeptitz化后利用酉变换将其转换为实矩阵 ,然后对实矩阵特征分解进行自适应波束形成。波束形成器的实值运算可节省大量计算时间。理论分析和计算机仿真结果表明此方法是有效的。     

基于卫星编队的空间碎片视觉高精度导航方法

视觉方法被广泛应用于空间碎片这类和卫星之间没有任何通信的非合作目标导航。针对观测过程中视觉传感器的像差偏差引起位置不确定的问题,提出了利用卫星编队的立体视觉导航方法。首先,利用卫星编队构造了长基线的视觉传感器,通过Fisher矩阵对系统的可观测性进行了分析,验证了系统是可观的;其次,对视觉传感器进行了误差分析,通过安排最优视差角,使多颗卫星的观测信息融合达到最优;最后,应用卫星编队的视觉导航方法对空间碎片进行了导航仿真验证。结果表明,基于卫星编队的视觉导航方法可以显著减小观测误差,精度能达到01m量级,而且编队构形简单,易于工程实现。     

基于多相关器的GPS信号质量监测技术

导航卫星的信号质量是影响系统定位性能的一个关键因素,当卫星自身硬件设备或空间传播信号受到干扰时,会导致卫星信号波形失真,用户接收机的伪码相关器产生的相关峰会产生偏差,造成定位精度下降;情况严重时,会使用户失去定位能力。因此,通过对空间信号的监测可以进一步保障系统的服务性能。文中借鉴现有的信号质量监测技术,对GPS信号失真的原因进行了总结,按照TMA、TMB和TMC完成失真信号的建模,并定性分析了对测距的影响。给出基于多相关器的导航信号质量监测方法,使用上述三种模型验证了该判定方法的有效性。     

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.     

星座分布式自主定轨中信息融合方法比较研究

为了保证大型导航星座在有限的星载运算能力和通信能力下，具备自主运行能力并提供精准位置参考信息，对基于分层结构的星座分布式自主定轨的信息融合方法展开了研究。以地月卫星联合星座作为研究对象，将简单凸组合法、协方差交叉融合法以及在线性最小方差意义下的矩阵加权法和标量加权法等方法应用于子滤波器估计的融合中，对各种融合方法的性能进行了对比分析。仿真结果显示，在采用方差放大技术去相关设计星座分布式自主定轨算法基础上，采用简单凸组合法、矩阵加权法和标量加权法3种融合方法的定轨精度较高，与集中式滤波精度相当，其中标量加权法的计算代价最低；而协方差交叉融合法由于难以准确确定最优系数，其精度低于其他3种方法。      

基于多矢量定姿的动基座最优化对准算法

针对车载捷联惯导系统（Strapdown Inertial Navigation System, SINS）的传统动基座粗对准方法精度低且环境适应性差的问题,提出了一种基于多矢量定姿的动基座最优化粗对准算法。在传统的基于重力矢量的初始对准方法基础上,将姿态矩阵求解问题转化为Wahba问题,实现对多个时刻重力矢量信息的充分利用,并通过SVD算法实现对Wahba问题的求解,结合全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）输出信息和SINS输出信息,构建状态方程和量测方程,采用Sage-Husa自适应滤波算法以解决量测噪声不准确问题,不断修正载体系变换矩阵以获得更加精确的姿态转换矩阵。仿真和半物理实验表明,改进算法能够明显提高惯导系统在动基座下的姿态精度,转台实验对准方位误差小于0.05°。     

基于星光角距/激光测距的卫星组合导航方法

为了进一步提高卫星天文自主导航精度,提出了一种利用激光测距辅助的天文组合导航方法。激光测距能够直接获取卫星到地面参考信标的高精度距离信息,在以星光角距为观测量的天文导航系统中引入激光测距辅助数据,可以拓展滤波器观测量的维度,从而改善滤波效果。由于组合导航系统为非线性系统,为避免泰勒展开线性化引起的二阶截断误差,采用UKF滤波方法进行组合导航系统信息融合。仿真结果表明,所提出的组合导航方法能够明显提升导航精度,改善滤波性能。     

使用三天线的联合定姿和欺骗检测方法

全球卫星导航系统（GNSS）的安全性已经引发了广泛关注。使用多天线的欺骗检测方法由于其独一无二的空间特性,已成为当前最有效的欺骗检测方法之一。提出一种使用三天线的联合定姿和欺骗检测方法,能够在确定天线载体姿态的同时检测出欺骗信号的存在。针对直接定姿法受限于基线向量精度的问题,使用长度约束的基线向量估计方法以获得高精度定姿结果。在姿态信息已知的前提下,根据星历信息、姿态变换矩阵及天线的几何关系可以获得载波相位单差的期望值。使用误差平方和（SSE）来评估载波相位单差观测值和期望值之间的偏差,并构建了欺骗信号的二元检验。结果表明：在无欺骗的情形下,所提方法能降低定姿的标准差76.1%以上;在有欺骗的情形,所提方法能够实现100%检测率,并降低定姿的标准差77.3%以上。