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。     

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.     

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.      

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.      

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.      

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。     

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.     

星载GNSS海洋反射信号建模与仿真

星载GNSS反射信号建模与仿真对GNSS反射信号正逆问题的研究及接收机算法和性能的评估非常重要。从几何、信号和信息的角度建立了星载GNSS反射信号分层建模方法。详细论述了星载GNSS反射信号的双基几何关系,建立了海风、涌浪和降雨驱动的线性组合海浪谱,并基于此计算了GNSS反射信号双基散射系数,基于各散射单元独立散射的假设推导了反射信号模型,通过仿真产生了星载GNSS反射信号及时延-多普勒相关功率,并与UK TDS-1卫星实测相关功率进行了对比分析。结果显示,通过先产生反射信号后处理得到的相关功率和直接端对端产生的相关功率与UK TDS-1卫星实测的相关功率的余弦相似度分别为0.97和0.94,所提架构和方法可正确对星载GNSS反射信号进行建模和仿真。同时,通过所建平台分析了涌浪和降雨形成的海浪谱对星载GNSS反射信号的影响。结果发现,涌浪主要影响低风速探测而对高风速无影响,降雨对星载GNSS反射信号无明显影响。      

智能GPS软件接收机载波跟踪环路设计

传统的GPS接收机设计较为固定,用户不能改变接收机各类参数以适应不同导航信号处理的需要.而软件接收机只需做较小改动就可以适应不同信号,能够迅速分析、仿真、实现各类算法.在GPS软件接收机的基础上,利用鉴频器辅助鉴相器的输出,引入一个模糊逻辑控制器,使得环路能够智能跟踪GPS信号的动态变化.实验结果证明所提出的设计方法与传统环路相比可大幅度缩短跟踪时间,减小环路滤波器带宽,并能消除周跳.      

星载GNSS-R海面风场观测载荷关键技术设计与验证

目前海面风场观测手段有限,基于全球导航卫星系统反射信号处理(global navigation satellite system reflection,GNSS-R)的天基观测为全球风场信息获取提供了全新的手段.GNSS-R海面风速探测技术具有全天时、全天候、低功耗、宽覆盖、多信号源、低成本等特点,日益获得了广泛的关注...     

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.     

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.      

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.     

基于模拟器的辅助导航测试方法研究

随着卫星导航产业的迅猛发展,辅助导航技术得到越来越广泛的应用,利用该技术可提高导航终端对卫星导航信号的捕获概率,缩短首次定位时间,提高灵敏度,提升用户体验。基于导航信号模拟器,利用基准站接收机传送辅助数据（星历信息及时间信息）的方式,构建辅助导航测试系统,提出了一种新的辅助导航测试方法,对导航芯片利用辅助信息实现快速捕获和定位性能进行了充分验证,方法可行,具有一定的工程应用价值。     

基于模拟器的辅助导航测试方法研究

随着卫星导航产业的迅猛发展,辅助导航技术得到越来越广泛的应用,利用该技术可提高导航终端对卫星导航信号的捕获概率,缩短首次定位时间,提高灵敏度,提升用户体验。基于导航信号模拟器,利用基准站接收机传送辅助数据（星历信息及时间信息）的方式,构建辅助导航测试系统,提出了一种新的辅助导航测试方法,对导航芯片利用辅助信息实现快速捕获和定位性能进行了充分验证,方法可行,具有一定的工程应用价值。     

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。      

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。