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。      

长河二号授时监测接收机设计与实现

长波授时系统是目前国际上授时精度较高的大型地基无线电授时服务系统，其授时信号采用罗兰C信号发播体制，具有作用距离远、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点。针对GNSS信号在某些特定区域易被干扰、易失锁的问题，设计并实现了一种长河二号授时监测接收机，采用信号完好性检测、ASF（附加二次相位因子）时延修正等技术，实现了高精度、高可靠长波授时与时差监测，可作为GNSS授时的重要补充手段。     

一种用于电离层TEC监测的GNSS信号载波跟踪算法

全球卫星导航系统（GNSS）是电离层TEC监测中应用最普遍的手段. 目前方法通常是在传统导航用途的GNSS接收机输出的原始观测量基础上,经过数据后处理得到电离层TEC信息,其GNSS信号的跟踪处理算法依然采用GNSS导航接收机的算法. 针对GNSS系统用于电离层TEC监测的特殊性,提出一种称为GNSS双频信号和差联合跟踪的新算法,与传统方法相比,该算法直接跟踪电离层TEC的变化,可以提高电离层TEC跟踪的灵敏度和TEC的观测精度,改善电离层TEC监测性能.      

长河二号授时监测接收机设计与实现

长波授时系统是目前国际上授时精度较高的大型地基无线电授时服务系统,其授时信号采用罗兰C信号发播体制,具有作用距离远、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点。针对GNSS信号在某些特定区域易被干扰、易失锁的问题,设计并实现了一种长河二号授时监测接收机,采用信号完好性检测、ASF(附加二次相位因子)时延修正等技术,实现了高精度、高可靠长波授时与时差监测,可作为GNSS授时的重要补充手段。     

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。     

时频重叠复用系统的低复杂度序列检测算法

利用时频重叠信号(Overlapped Hybrid-Division Multiplexing, OVHDM)实现高频谱效率数据传输,性能优于多电平调制方案.介绍了OVHDM信号模型以及最佳检测算法.为了降低检测的复杂度,提出了联合软干扰消除的序列检测算法--SIC-SE:软干扰消除后的各子载波数据流,在序列检测前首先通过基于快速矩阵逆的有限冲激响应滤波器.该算法的检测复杂度远低于最大似然检测算法,性能优于传统的软干扰消除算法.仿真表明,基于该检测算法的编码OVHDM系统性能优于使用相同信道编码的QAM-OFDM系统.     

GNSS模拟器中频调制卡设计与实现

GNSS(Global Navigation Satellite System)信号模拟器能够根据用户所设置的GNSS系统和信号形式、载体动态和环境参数,精确模拟出载体收到的卫星信号,这为GNSS系统级仿真试验和接收机的测试提供一种高效的工具.主要研究兼容多系统多频点的卫星信号模拟器中频信号发生器和数字信号处理技术,提出了数字合路与功率控制的方法和信号相位精确模拟的途径;在基于PCIE+DSP+FPGA+DAC架构的中频板卡上完成了与PC通信、波形控制参数计算和更新、基带信号调制以及模拟中频信号的产生;最后给出了与相应的GNSS接收机的对接结果,验证了所产生中频信号的正确性和信号质量.     

基于高轨航天器的GNSS接收机技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)应用于高轨航天器时,因轨道高于导航卫星,可见星数量急剧减少,空间信号功率微弱,信号的快速捕获和跟踪十分困难。文章对高轨地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)接收技术进行了研究。以中国实践十七号卫星为研究对象,采用官方正式发布的发射天线方向图对GEO下GNSS信号特征及可用性开展研究分析,并针对高轨道航天器GNSS信号微弱的特点,采用长时间积分处理的梳状滤波方法、差分相干累加比特同步算法和基于动力学模型补偿的扩展卡尔曼滤波自主定轨算法设计GNSS接收机,并在半物理仿真平台进行了测试验证。试验结果表明:GNSS接收机捕获灵敏度优于-173dBW,跟踪灵敏度优于-175dBW,定轨位置精度优于50m,速度精度优于0.01m/s。     

Demonstration of a high sensitivity GNSS software receiver for indoor positioning

Advances in signal processing techniques contributed to the significant improvements of GNSS receiver performance in dense multipath environments and created the opportunities for a new category of high-sensitivity GNSS (HS-GNSS) receivers that can provide GNSS location services in indoor environments. The difficulties in improving the availability, reliability, and accuracy of these indoor capable GNSS receivers exceed those of the receivers designed for the most hostile urban canyon environments. The authors of this paper identified the vector tracking schemes, signal propagation statistics, and parallel processing techniques that are critical to a robust HS-GNSS receiver for indoor environments and successfully incorporated them into a fully functional high-sensitivity software receiver. A flexible vector-based receiver architecture is introduced to combine these key indoor signal processing technologies into GSNRx-hs™ – the high sensitivity software navigation receiver developed at the University of Calgary. The resulting receiver can perform multi-mode vector tracking in indoor environment at various levels of location and timing uncertainties. In addition to the obvious improvements in time-to-first-fix (TTFF) and signal sensitivity, the field test results in indoor environments surrounded by wood, glass, and concrete showed that the new techniques effectively improved the performance of indoor GNSS positioning. With fine GNSS timing, the proposed receiver can consistently deliver indoor navigation solution with the horizontal accuracy of 2–15 m depending on the satellite geometry and the indoor environments. If only the coarse GNSS timing is available, the horizontal accuracy of the indoor navigation solution from the proposed receiver is around 30 m depending on the coarse timing accuracy, the satellite geometry, and the indoor environments. From the preliminary field test results, it has been observed that the signal processing sensitivity is the dominant factor on the availability of the indoor navigation solution, while the GNSS timing accuracy is the dominant factor on the accuracy of the indoor navigation solution.     

OFDM系统的自适应低秩信道估计

为了降低正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency division Multiplexing)系统中最小均方误差MMSE(Minimum Mean Square Error)信道估计算法的复杂度,并且改善由于信道的统计特性与先验知识不匹配而导致的MMSE估计性能恶化,提出了一种自适应的低秩信道估计算法.该算法利用信道的时间平均相关取代统计相关,结合了基于特征值分解的低秩建模,从而近似地实现MMSE估计.借助于子空间跟踪,该算法可以自适应地估计信道相关矩阵的主特征空间及噪声方差,以迭代的方式逼近最优的MMSE估计,而且复杂度较低.进一步分析指出基于信道延时子空间跟踪的估计算法是该算法的一种特例,理论分析和仿真结果均表明这种新算法在低信噪比时可以显著改善信道估计的准确性.      

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MLAMBDA的BDS/GPS单频RTK性能分析

GNSS RTK技术以其高精度、高效率、实时性的优点,被广泛应用于航空航天等领域.目前双频RTK技术已非常成熟并且应用较广.相比于双频,单频GNSS RTK在数据质量控制、定位误差处理等方面存在难点.因此单频RTK服务精度可能会受到限制,其定位性能有待研究.本文基于扩展卡尔曼滤波模型,通过MLAMBDA模糊度搜索方法和Ratio检验法,结合实测数据,对比分析BDS,GPS,BDS/GPS三种模式下的单频RTK定位性能.实验证明在静态场景下,三种模式的单频RTK定位精度都在厘米级,可满足高精度定位需求;动态场景下三种模式的模糊度固定率都在70%以上,可满足日常定位需求.在静态及动态应用场景下,北斗的模糊度固定率最高,模糊度解算所用时间短,能实现快速RTK定位.      

融合高斯过程回归的UKF估计方法

高精度滤波估计是SINS/GNSS组合导航系统的关键技术之一,其估计精度直接影响了导航精度。传统滤波估计方法一般只基于惯导误差模型,未考虑惯导误差模型不确定性的影响。针对此问题,提出了一种采用高斯过程回归（GPR）增强无迹卡尔曼滤波（UKF）预测和估计能力的高精度滤波估计方法。一方面,能在有限的训练数据条件下通过UKF估计误差状态量;另一方面,高斯过程既考虑了噪声,也考虑了UKF的不确定性。将所提方法应用于SINS/GNSS组合导航系统中,车载实验结果表明,所提方法能有效提高滤波估计精度。      

GNSS实时动态授时精度分析

基于GNSS载波相位观测值的实时动态授时,可有效规避PPP授时对实时精密轨道和钟差产品的依赖问题,对短距离动、静态高精度时间用户具有重要意义。为了更好地验证GNSS实时动态授时性能,基于中国科学院国家授时中心时间频率资源和三个GNSS跟踪站长达2个月的观测数据,以GPS系统为例开展了授时试验。与事后PPP时间传递相比,实时动态授时结果差异STD优于0.15ns;与光纤双向时间传递结果相比,实时动态授时结果差异STD优于0.5ns。试验表明,GNSS实时动态授时精度能够达到亚纳秒量级,可为下一步推广应用提供重要参考。     

基于随机森林的航天器电信号多分类识别方法

针对航天器电特性信号数据存在数据量大、特征维数高、计算复杂度大和识别率低等问题,提出基于主成分分析(PCA)的特征提取方法和随机森林(RF)算法,对原始数据进行降维,提高计算效率和识别率,实现对航天器电信号数据的快速、准确识别分类。随机森林算法在处理高维数据上具有优越的性能,但是考虑到时间复杂度问题,利用主成分分析方法对数据进行压缩和降维,在保证准确率的同时提高了计算效率。实验结果表明:与其他算法相比,针对航天器电特性信号数据,本文方法在准确率、计算效率和稳定性等方面均显示出优异的性能。     

The multi-source data fusion global ionospheric modeling software—IonoGim

We introduce a new global ionospheric modeling software—IonoGim, using ground-based GNSS data, the altimetry satellite and LEO (Low Earth Orbit) occultation data to establish the global ionospheric model. The software is programmed by C++ with fast computing speed and highly automatic degree, it is especially suitable for automatic ionosphere modeling. The global ionospheric model and DCBs obtained from IonoGim were compared with the CODE (Center for Orbit Determination in Europe) to verify its accuracy and reliability. The results show that IonoGim and CODE have good agreement with small difference, indicating that IonoGim owns high accuracy and reliability, and can be fully applicable for high-precision ionospheric research. In addition, through comparison between only using ground-based GNSS observations and multi-source data model, it can be demonstrated that the space-based ionospheric data effectively improve the model precision in marine areas where the ground-based GNSS tracking station lacks.