基于北斗地球静止轨道卫星信号的目标成像研究

利用北斗导航卫星信号进行目标成像目前还处于研究和探索阶段,为此针对北斗卫星B1和B3频段信号的特点设计了利用北斗地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星进行目标成像的算法;并进行了基于点目标成像的仿真实验。实验比较了B1和B3信号的目标成像效果。仿真实验结果表明能够利用北斗B1和B3信号进行目标成像;而且B3信号的成像分辨率优于B1信号。最后通过现场实验对直达和反射信号进行了研究,验证了利用北斗GEO卫星B3信号对目标进行探测和分辨的可行性。     

北斗卫星导航系统多路径效应分析

多路径效应对于卫星导航一直是难以有效克服的问题,近年来一直是国内外相关学者们致力研究的重要课题。本文利用某型高精度监测接收机在(23°17′N,116°40′E)对北斗卫星的观测数据,分析了北斗系统IGSO、GEO以及MEO这3种类型卫星观测数据的多路径效应。结果表明:北斗系统的卫星高度角与其多路径值成负相关;北斗系统的卫星频点B1和频点B2的多路径值变化情况基本相同;北斗系统的卫星多路径值在高度角低于30°时波动较大。     

基于FPGA的北斗卫星导航信号发生器设计

设计了一种基于FPGA的北斗B1频点信号发生器,通过MATLAB对北斗B1频点的C/A码、D码及其被扩频后经过QPSK调制的卫星模拟信号分别进行了仿真,使用Verilog HDL描述了信号发生器,并使用ISE对设计进行综合实现,使用Modelsim对信号发生器内的模块进行仿真.实验结果验证了设计的正确性和可行性,为信号发生器的最终实现提供了强有力的支撑.     

基于北斗地球同步轨道卫星多星成像的图像融合

利用大型轨道卫星系统(global nanigation satellite system,GNSS)导航卫星作为发射信号源的双基地雷达成像方法是一种新型的微波成像手段。由于单颗卫星成像存在空间分辨率不高、信噪比偏低等问题,采用了多颗北斗GEO卫星,获取了多幅卫星成像图,然后将最大互信息准则应用于多幅卫星成像图的配准,利用Powell算法将最大互信息作为目标函数搜索卫星成像图几何变换的最优配准参数;最后使用高频带融合方法对配准后的卫星成像图进行融合以提高图像质量。将配准后融合的卫星成像图与Google实景地图比较的结果表明,该多星成像融合算法使得信号增益提高了约20%;且避免了同一目标点在不同位置多次叠加产生的成像混淆,从而达到了提高成像精度的效果。     

基于导航卫星反射信号的距离-多普勒图信噪比增强算法

利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)与地基接收机构成的双基地雷达探测水上目标,是监测水上交通的新兴手段。利用由地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星反射信号生成的距离多普勒(range-Doppler,RD)图来实现目标探测。为了提高RD图中运动目标回波信号的信噪比,提出了一种增强回波信号能量的算法。该算法首先将相邻距离元和多普勒元上的回波信号通过距离补偿和多普勒补偿搬移到弱回波信号的位置,然后通过信号累加提高回波信号的能量,从而达到增强信噪比的目的。描述了探测长江货轮的实验,实验结果表明经增强算法处理后,运动目标回波信号的信噪比平均提高了4 dB左右。这一结果验证了利用北斗GEO卫星探测水上目标的可行性。     

岸基多星多参数北斗GEO反射信号海面风速反演

开展北斗GEO卫星B3I信号岸基近岸海域海面风速反演研究.在GNSS反射信号相干时间和归一化时延波形面积两个观测量的基础上,本文提出了主成分分析和线性无偏最小方差的多星多参数海面风速反演方法.为了验证北斗GEO卫星B3I信号反演海面风速以及所提方法的有效性,在山东东营青东五验潮站开展了外场试验.试验结果表明反射信号的相干时间能够提供比波形面积更好的反演性能;多星多参数的反演结果比单星单参数的更好;线性无偏最小方差能够提供精度为1.15 m/s的最佳反演结果.      

北斗GEO卫星微动条件下的GNSS-R土壤湿度反演

全球定位系统GPS发射的L波段导航信号源已被用于估测地球表面的土壤湿度,但由于卫星具有一定的重返周期,所以对固定区域土壤湿度反演的性能受到不断变化的星下点轨迹的限制。北斗GEO（geostationary earth orbit）卫星是地球静止轨道卫星,同时又存在着周期性的微动,利用它的反射信号来反演土壤湿度受到其微动特性的影响。针对这个问题,本文研究了利用GEO卫星反射信号功率进行固定区域内土壤湿度反演的可行性。本文首先分析了GEO卫星的微动特征和反射区域的变化;然后采用包络提取和三次多项式插值的方法来恢复SNR的趋势变化规律,以消除因为GEO卫星轻微运动带来的周期性波动和噪声,并且根据现场收集的部分实验数据确定的校准参数值对反射系数进行校正;最后,我们使用测试数据进行土壤湿度反演,得到每半小时固定区域的连续土壤湿度反演值。结果表明,土壤湿度反演值与原位土壤湿度值的变化趋势基本一致,反演的平均绝对误差小于4.63％。可见,BDS GEO卫星信号可以作为GNSS反射计的重要数据来源。     

北斗GEO卫星广播星历的直接拟合算法研究

针对因北斗地球静止轨道(GEO)卫星的小倾角特性,经典全球卫星定位系统(GPS)广播星历拟合算法不能直接应用于北斗GEO卫星这一问题,提出了一种基于无奇点变换的北斗GEO卫星广播星历直接拟合算法.该算法采用一组无奇点轨道根数代替经典轨道根数,解决了由GEO轨道的小倾角特性引起的经典广播星历拟合过程中法化矩阵奇异的问题;同时,避免了接收机GEO广播星历参数用户算法中坐标旋转的过程,减少了GEO用户算法的计算步骤.经仿真验证:该算法可很好地适用于北斗GEO卫星广播星历拟合,且拟合精度高,完全满足接收机导航定位的精度.但对于圆地球轨道(MEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,该算法实用性较差,仍须进一步研究和改进.     

BDS多频非组合伪距单点定位方法

针对北斗卫星导航系统多频伪距单点定位研究较少的现状,利用北斗卫星导航系统B1、B2和B3频率伪距观测值,提出了一种基于非组合方式的北斗卫星导航系统多频伪距单点定位方法,将三频伪距观测值作为相互独立的观测值信息进行最小二乘参数估计.采用单历元多频伪距单点定位和多历元多频伪距单点定位的数据处理模式进行用户的单点定位,多历元多频伪距单点定位采用参数消去法消掉接收机钟差,并进行法方程叠加.利用实测数据进行算法实验,结果表明基于非组合方式的北斗卫星导航系统多频伪距单点定位能达到米级至亚米级的定位精度,较北斗卫星导航系统标准定位服务的精度有明显改善.     

北斗系统长期空间信号测距精度评估及精度提升分析

基于后处理精密产品,评估了2015-06-01—2018-06-30北斗广播星历的性能精度.对北斗系统性能精度评估的基准问题进行了讨论,统计分析了北斗系统不同星座卫星的轨道差值与星钟差值的长期变化趋势,表明北斗系统空间信号测距精度有逐年提升的趋势.还发现北斗广播星历在2017-01-17前后做出的调整具有较好的效果,不同卫星轨道径向产生一个非零均值的偏差,分析表明该径向偏差更好地实现了轨道径向与卫星星钟参数的自洽,进而大大提高了北斗系统空间信号测距精度.并且北斗系统在2017-07-22对广播星历TGD参数进行了更新,提高了卫星钟差精度.采用4个MGEX测站数据的伪距单点定位验证北斗空间信号精度提升对北斗系统基本导航定位服务的影响,结果表明北斗系统在2017年2次更新后,北斗基本导航定位精度在NEU三个方向分别提升41%、49%和39%.2018年1—6月的统计结果表明,目前北斗系统的IGSO卫星空间信号测距精度最高,优于0.8 m,GEO与MEO卫星次之,约为1 m.     

基于北斗二代/气压高度组合导航的APVI/Ⅱ飞行程序应用

APVI/II是依靠卫星定位系统提供导航引导的飞行程序,不依靠地面导航设备就可将飞机精确地引导到跑道。国外依赖美国的GPS系统建立广域增强系统,从而实现APVI/II程序的大规模应用。中国有自主研发的北斗二代卫星导航系统,但当前北斗系统的垂直导航精度达不到APVI/II程序要求,可通过与气压高度融合,提高北斗垂直定位精度,以尽快实现APVI/II在中国的运行。在2020年北斗系统组网完成覆盖全球后,在其GEO卫星上添加星基增强信号,则可以使APVI/II应用得以广泛地实施。本文对北斗二代/气压高度组合导航的算法和程序安全性进行分析,论证现阶段中国使用北斗系统实施APVI/II飞行程序应用的可行性。     

北斗MEO/IGSO卫星信号成像的多星点扩散函数分析及应用

利用导航卫星作为信号源进行双基地合成孔径成像是一种新的遥感成像手段。利用导航卫星成像的关键是成像分辨率,而双基地点扩散函数(point spread function,PSF)和多星点扩散函数(multi-satellite point spread function,MPSF)在成像拓扑结构设计和分析成像分辨率上有重要意义,但是目前缺乏对导航卫星成像的多星点扩散函数研究。针对此问题,首先研究利用北斗中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)/倾斜地球同步轨道(inclined geosynchironous orbit, IGSO)卫星和地面静止接收机形成的成像拓扑结构的双基地点扩散函数模型;其次,通过对具有不同方向角的双基地点扩散函数进行非相干累加得到了多星点扩散函数的数学模型,并对分辨率参数进行了分析,然后通过现场实验验证了点扩散函数计算的正确性;最后,针对多星成像中存在伪像的问题,提出基于多星点扩散函数的目标分离算法。结果表明:使用目标分离算法能够对正确地分离出多星成像中的伪像。     

北斗卫星整网集中式自主定轨算法研究

由于分布式定轨算法只能得到局部次优解,为进一步提升北斗卫星自主导航算法精度,对北斗卫星整网 集中式定轨算法在轨实现方法进行研究。设计了基于推广卡尔曼滤波算法的整网集中式定轨算法及其在轨实 现流程,并利用北斗卫星上的龙芯1E300 处理器对算法精度及工程可行性进行了评估。仿真结果表明,整网集 中式算法精度优于分布式导航算法。且通过在龙芯1E300 处理器上仿真验证可知,集中式导航算法已具备星 上使用条件。     

Terrain imaging using a SAR system based on reflected GPS signals

This paper describes a 3D multi-static synthetic aperture radar (SAR) imaging system which utilises reflected GPS signals from moving objects on the Earth's surface. The principle of bi-static radar is used to model the reflected GPS signals. The movement of a visible GPS satellite serves as a base for a synthetic aperture over an observation time period. As an example, a MATLAB simulation has been carried out in order to detect the movement of imaged object sunder the assumption of one static GPS receiver with two targets which move with different speeds. The influence of the visible satellite'sposition and velocity on the spatial resolution of such a SAR system isdiscussed. Simulation results show that by measuring the cross-correlation of the reflected GPS signal from the terrain and objects on it,the detection of the objects can enjoy a good spatial resolution for thecase of moving objects and a moving GPS receiver. Furthermore, thespatial resolution is also related to the selection of visible GPS satelliteswith respect to their azimuths, elevations and velocities. This systemhas the following useful features: (a) no dedicated signal transmitter is required; (b) the GPS signal frequency is reused; (c) GPS operates round-the-clock and its signals cover the entire Earth's surface; (d) low power consumption; and (e) known GPS signal structure.     

北斗导航卫星氢原子钟性能分析评估

星载原子钟是导航卫星最重要的载荷之一,负责星上时间基准的产生和维持.我国北斗三号导航试验卫星首次配置了23 kg级被动型星载氢原子钟,验证了氢原子钟的空间环境适应性和在轨性能,实现在轨运行误差小于1 ns/d.在北斗三号全球导航卫星系统中,氢原子钟已作为主钟应用至GEO,IGSO和MEO三类导航卫星,对系统的运行发挥至关重要的作用.本文从氢原子钟的机理和性能评估方法出发,比较了铷钟、铯钟和氢钟三类原子钟的性能差异,根据地面和在轨测试数据,给出氢原子钟在轨运行性能评估结果;最后利用卫星遥测数据建模,对氢原子钟健康状况和寿命进行了初步分析.     

基于双基ISAR的空间高速目标成像分析

讨论了空间高速运动目标在地基双基地逆合成孔径雷达(Bi-ISAR)系统下的成像算法。首先给出了地基双基ISAR的系统模型及其目标回波信号形式,其次分析了空间目标运动对双基ISAR二维分辨率的影响,在此基础上对回波信号进行分析和处理,通过数学推导得出当目标高速运动时,其回波信号中将产生距离展缩项以及不可忽略的残余视频相位项和脉内走动因子,此后采用构造补偿函数的方法对这些影响成像质量的因素进行补偿,并应用Keystone变换消除成像结果中的越距离单元徙动现象且给出了整个成像处理流程,最后通过对卫星目标的成像仿真验证了文中所分析的距离展宽项和脉内走动因子对目标二维像的成像影响,对补偿前后目标像的比较说明了文中补偿算法的有效性和实用性。     

基于旋转天线的二维高分辨成像算法

受涡旋电磁波产生方法和自旋目标成像方法的启发,提出了基于旋转天线的二维高分辨成像方法。首先构造了基于旋转天线的雷达观测模型;利用距离向傅里叶变换获取目标的距离仿真,推导出了包含目标方位角信息的多普勒效应的正弦表达式;最后将正交匹配追踪算法应用到该正弦信号中,重构出目标的方位角,有效提升了雷达波束范围内的方位角分辨能力。仿真实验证明,该算法对雷达性能要求较低,克服了成像质量对纯净的高模态涡旋电磁波的依赖,实现了对静止目标的二维高分辨成像。     

基于 MEMS 辅助的单基线北斗融合测姿算法

载体的姿态信息是导航的重要参数,随着北斗卫星导航系统（Beidou navigation satellite system,BDS）和微机电系统（micro-electro-mechanical systems,MEMS）惯性传感器的发展与完善,高精度、低成本、自主化的融合测姿技术具有广阔的应用前景,因此,提出MEMS辅助单基线北斗融合测姿算法。根据MEMS惯性传感器解算出的姿态信息确定基线向量的搜索范围,从而辅助模糊度函数法（ambiguity function method,AFM）减小整周模糊度搜索空间,提高整周模糊度快速求解的成功率和计算效率。将BDS输出的姿态角信息作为观测信息,对MEMS陀螺仪解算出的姿态信息进行实时校正,实现BDS和MEMS传感器二者的数据融合算法。通过实测数据仿真验证,该算法能够解决信号失锁带来的整周模糊度求解困难的问题,并且测姿系统能在遮挡和动态等复杂环境下提供高质量姿态测量结果。     

基于PDChirp-Golay信号的编码激励算法

线性调频信号编码激励超声成像算法旁瓣过高，针对这个问题，提出一种基于幅度加权的预失真线性调频信号调制Golay码(PDChirp-Golay)编码新方法.该方法将线性调频发射信号采用预失真处理，可以补偿超声探头对发射信号的影响，使回波信号的带宽增大，提高轴向分辨力，并同时消除发射信号幅频特性的菲涅耳波纹，实现旁瓣抑制;之后使用预失真处理的线性调频发射信号调制Golay码.Golay码理论上距离旁瓣水平为零，可以利用Golay码这一特点进一步进行旁瓣抑制.仿真结果表明，相较于单独的预失真线性调频信号与Golay码，预失真Chirp信号调制的Golay码提高了轴向分辨力和对比度，并且具有很好的抗噪性，为实现高质量的超声成像系统提供了理论依据.     

北斗三号GEO卫星的RDSS定轨精度分析

有源服务模式RDSS(Radio Determination Satellite Service)所具备的通信、导航一体化特性是我国北斗卫星导航系统的重要特色之一.为进一步提高RDSS的通信服务能力,并保障RDSS服务系统的健壮性,北斗三号RDSS服务从系统架构到信号体制都进行了很大改进.本文首先分析了新的信号体制下,RDSS测距在测量模型和观测噪声等方面的误差特性,并比较了其与原有信号体制的不同.为了避免在RNSS(Radio Navigation Satellite Service)载荷故障时RDSS不能正常提供导航服务的情况发生,RDSS系统需要能够仅利用RDSS测距完成GEO测轨,以此作为原有RNSS测轨的备份保障.文章进一步分析了这种情况下,仅利用RDSS测距进行GEO定轨的精度.通过实测数据分析,我们发现其精度可优于10 m,利用该轨道信息的定位、定时精度可以满足服务指标要求.