地形遮挡对GNSS干扰范围影响的高效仿真算法

在卫星导航对抗效能的仿真中,真实地理环境的地形遮挡对全球导航卫星系统(global navigtion satellite system, GNSS)干扰源干扰范围影响的仿真计算是个重要问题。通常情况下,地形遮挡对GNSS干扰范围影响的计算通过基于视线可视域分析的算法得到,但该方法存在大量冗余计算。为了减少计算量,提出一种基于参考面可视域分析的GNSS干扰范围高效仿真计算方法,利用干扰源与目标点附近可视高程值对应的辅助格网点建立参考面,通过目标点实际高程值与参考面映射高程值判断目标点的受干扰情况,避免了目标点与干扰源视线方向上多个采样点的插值计算。仿真分析表明,当待分析区域半径约为145 290 m时,该算法与传统基于视线可视域分析的GNSS干扰范围仿真计算方法相比, Matlab耗时大幅减少了97.38%,但结果差异并不明显，仅为0.94%。因此,所提方法可以高效、准确地计算出地形影响下GNSS干扰范围,为干扰源优化部署、战场环境仿真分析等提供理论指导。     

基于分层SLAM的空地多智能体协同导航

针对单一智能体在导航过程中存在全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）易受遮挡或干扰,惯性导航存在误差累积的问题,提出基于视觉的分层即时定位与地图构建（simultaneous localization and mapping,SLAM）空地多智能体协同算法。通过建立系统模型,采用基于扩展卡尔曼滤波融合欧氏点、逆深度点、锚定同质点3种不同特征点的分层SLAM算法,实现了对导航系统的辅助和增强。针对空地协同场景设计并开展了仿真实验。结果表明,空地多智能体协同算法可以将位置误差降低40%;而在使用锚定同质点以后,误识别率由49%降低至4%。实验验证该算法具有良好的定位精度、实用性和有效性。     

基于Markov过程的导航系统星座可用性分析

卫星导航系统星座可用性分析面临准确性和快速性的矛盾。论文在研究全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）星座可用性分析需求的基础上,系统地定义了导航系统可用性的基本概念,给出了基于分系统部件失效计算导航星座可用性的方法,提出了基于Markov过程的单星可用度算法,建立了基于星座状态概率的服务可用性计算模型,并结合导航基本原理模型得到了导航星座的可用性。最后,基于此方法针对北斗区域卫星导航系统相关数据对其星座可用性进行了仿真和实验分析。结果表明,本文所提方法和模型能够满足卫星导航系统星座可用性分析的特殊需求。     

卫星导航系统接收传感器网络的攻击检测研究

卫星导航系统接收机小型化是未来发展的趋势,基于小型导航接收机的无线传感器网络具有新优点的同时也面临新的问题。研究分析了导航系统接收传感器网络所面临的攻击特点,传统无线传感器网络的干扰检测方法难以准确定位干扰和校正位置,提出了基于改进的到达角度定位机制的攻击检测算法确定受到干扰的点,并进行干扰校正;然后基于导航系统抗欺骗干扰原理,提出了单干扰源双曲线定位算法。最后,利用所提算法进行实验,结果表明,攻击检测和校正效率很高,理想条件下干扰源定位效率也较高。     

基于鲁棒EKF的MEMS-INS/GNSS/VO组合导航方法

针对传统惯导/卫导组合导航在复杂环境下易受干扰,观测量异常从而影响导航性能的问题,提出了基于鲁棒扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter, EKF)的组合导航方法。设计了基于微惯性导航系统(micro-electro-mechanical system-inertial navigation system, MEMS-INS)、全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)及视觉里程计(visual odometry, VO)的融合框架,给出了在GNSS信号失效情形下的导航滤波模型,并将EKF与Huber方法结合,克服观测量受噪声干扰时对导航性能的影响,以提升系统鲁棒性。经仿真和KITTI数据集验证,MEMS-INS/GNSS/VO组合导航方法在GNSS信号失效时仍能输出较高精度导航结果,且可以较好克服异常观测值对系统的影响,具有较高可靠性和鲁棒性。     

基于载噪比模型加权的GNSS双频载波和差联合跟踪算法优化与分析

前期发展的全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)双频载波和差联合跟踪算法存在双频信号载噪比不一致情况下双频信号跟踪稳定度和跟踪精度较差问题,对此提出了优化改进的算法。针对实际应用中共星双频信号存在的信号载噪比不同情况,优化原有双频载波和差联合跟踪环路结构,基于载噪比模型计算GNSS双频信号在双频载波和差联合跟踪环路中的加权值,利用该加权值实现共星双频信号的载波和差联合跟踪。算法理论分析和仿真结果表明,优化后的基于载噪比模型加权的GNSS双频载波联合跟踪算法更加适用于实际应用条件,能够提高原有算法在双频信号载噪比不一致情况下共星双频信号跟踪稳定性和跟踪精度。     

基于伪距信息的GNSS双接收机抗转发式干扰检测算法

在协同应用的背景下,提出基于伪距信息的全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)双接收机抗欺骗干扰检测算法。首先,建立真实信号与欺骗干扰信号的信号模型,进而得到伪距双差模型。然后,利用卫星钟差计算公式得到卫星钟差双差计算模型。根据载噪比选择卫星信号,对测量伪距进行修正并利用最小二乘法进行导航定位解算,得到载体在ECEF坐标系中的位置。由测量伪距结合导航电文计算得到卫星的位置,进而得到卫星与载体之间的距离。最后由伪距双差、卫星与载体的距离双差以及卫星钟差双差计算得到误差值,基于误差值的明显差异性实现对信号的检测与判别。利用双接收机进行实际试验并结合Matlab进行仿真实验,仿真结果验证了算法的有效性和可行性,对试验中的欺骗干扰信号均能有效识别。     

卫星/惯性组合导航事后高精度融合算法研究

高精度的组合导航数据事后融合处理算法是多传感器信息融合处理的重要环节,是对导航系统性能进行评估分析的关键。研究了一种分两步进行的惯性/卫星组合导航信息事后高精度融合算法,在惯性/卫星组合导航卡尔曼滤波算法的基础上,利用最优固定区间平滑滤波算法对惯性/卫星组合导航信息进行再次平滑滤波融合,可以提高组合导航数据事后处理的精度。设计了仿真验证平台,对所提出的融合算法进行了仿真验证。仿真结果表明:基于卡尔曼滤波与固定区间平滑滤波实现的惯性/卫星信息事后融合算法有效、可行,可作为试飞性能评估中确定参考基准的方法。     

基于改进d-Xdraw算法的起伏地形下异构多传感器分簇部署方法

为解决起伏地形环境下异构多传感器网络表面覆盖问题,提出了多传感器多阶段分簇部署方法。首先,考虑地形遮挡效应,给出了起伏地形环境下的传感器侦察与通信模型。其次,为快速获取传感器覆盖范围,构建了基于视线交点相似性判断的改进型d-Xdraw可视域求解算法。然后,为增强覆盖率,采用分簇部署策略,将传感器部署过程分为多个阶段,并结合各阶段特点分别采用微粒群和改进虚拟力算法进行求解。实验表明,改进d-Xdraw算法能够在牺牲少量精度的同时,有效提升可视域的求解速度;相较于传统的直接优化部署方法,多阶段分簇部署方法可节省最多26.7%的运算时间,覆盖率可提升10.9%。     

GNSS抗干扰实验室平台搭建与测试方法研究

GNSS（Global Navigation Satellite System）抗干扰问题是卫星导航应用研究的热点之一。简要介绍了抗干扰研究中存在的一些问题,针对这些问题,给出了一种实验室条件下抗干扰研究平台的搭建方法,该平台包括干扰环境的模拟、天线阵列的模拟、抗干扰算法的实现,以及算法有效性的验证;结合BLMS（Block Least Mean Square）算法在GNSS抗干扰天线上的应用,给出了工程中噪声基底、输入干噪比、输出信干噪比的计算方法;介绍了利用软件接收机模拟用户端的方法检验算法的有效性。该平台具有实现简单、成本低、可信性高等特点,为GNSS抗干扰研究提供参考。     

基于信号传播修正的GNSS干扰源质心定位方法

针对广泛存在的全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)干扰, 采用基于接收信号强度(received signal strength, RSS)的定位方法时, 存在RSS值提取难度大, 城市环境中不开阔、多径等复杂场景下定位误差大等问题, 提出一种基于载噪比加权和干扰信号传播误差修正的GNSS干扰源质心定位方法。该方法采用GNSS接收机输出的载噪比信息, 并采用神经网络的方法预测干扰信号传播影响因子, 通过质心加权实现GNSS干扰源的定位。实验结果表明, 该方法的定位精度得到显著提升。     

干扰条件下自适应滤波定位精度分析

在干扰条件下,单纯采用自适应滤波(adaptive Kalman filter, AKF) 或扩展卡尔曼滤波器(extensive Kalman filter, EKF) 在全球导航卫星系统/惯性测量单元(global navigation satellite systems/inertial measurement units, GNSS/IMU)组合导航的运用中都无法达到系统精度最优。为了指导组合导航系统的数据融合滤波器设计,获取AKF和EKF定位性能的经验数值是十分必要的。首先推导出EKF和一种AKF算法--新息序列自适应估计(innovation based adaptive estimation, IAE)的数学模型和计算公式。然后提出了一种实际数据结合仿真的验证方法。针对不同的干扰程度造成的精度降低的测量值,比较AKF算法跟普通EKF在GNSS/IMU组合导航数据融合中的定位精度性能。试验和仿真得到了在实验所采用的IMU精度条件下,自适应滤波在组合导航方面的定位性能的经验曲线以及IAE与EKF定位精度存在的临界点。     

GNSS自适应阵列天线引入误差的分析与估算

自适应阵列天线作为全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)抗干扰应用中的重要工具,已经得到了广泛应用。然而,自适应阵列天线在抑制干扰的过程中,破坏了GNSS信号的完整性,给GNSS接收机测量引入了新的误差。首先从理论上分析测量误差的来源,然后通过仿真分析自适应阵列天线对接收机码相关函数的影响,最后提出一种码/载波相位偏差估算方法,并进行了引入测量误差大小的估算。实验结果表明,自适应阵列天线引入的测量误差具有不确定性,主要是由码相位偏差引起的,引入的伪距误差甚至达到几十米。在高精度应用中,这些误差必须被消除或补偿。     

一种更精确的多模GNSS兼容性方法研究

传统的卫星导航系统的多系统兼容性分析方法只适用于分析长码、码速率高和数据速率高的信号兼容性。通过推导信号模型,讨论了信号参数对干扰系数的影响,提出了一种更精确的多模全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）系统兼容性分析方法。该方法加入了多普勒的影响,并且考虑了与期望信号同频段内的所有卫星导航信号,适用于任意伪码结构、数据结构的卫星导航信号兼容性分析。最后通过仿真GPS系统内干扰与系统间干扰验证了方法的正确性,并得出Galileo 在E1采用的MBOC信号对GPS C/A信号产生的干扰在0.1 dB以内。     

GNSS导航信号常见畸变产生机理及对测距性能影响分析

在全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)导航信号的产生、发射、传播和接收过程中各种环节的异常,都有可能对卫星信号质量产生影响。用户接收到异常信号后,会在一定程度上影响其位置、速度、时间(position, velocity, time, PVT)性能。开展GNSS导航信号监测评估,可以在第一时间及时准确发现异常并快速告警,确保GNSS用户,特别是民航、海事等涉及生命安全领域相关用户的高效、可靠使用。然而,针对GNSS导航信号的各种异常的综合监测评估,目前国内外尚无全面而系统的研究成果,因此无法进行实时或准实时的信号异常自动识别与分析。文中提出建立GNSS导航信号畸变模型库的理念,针对GNSS导航信号的产生、发射、传播和接收过程中各类信号异常,通过仿真分析和实测数据验证,建立一套较完善的数学分析方法,研究GNSS导航信号各类常见畸变产生机理及特点,并在此基础上,定性或定量地给出不同程度的信号畸变对信号质量评估以及对用户定位的影响。本文的研究成果能够为卫星系统故障自动识别与快速定位提供支撑材料。同时,还可为卫星星上信号产生方面的设计者提供参考,在信号设计和优化过程中提供依据。     

抗干扰型卫星导航接收机的最优前端增益

基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)接收机射频前端增益大小引起的抗干扰能力与模数转换器(analog to digital converter，ADC)量化损耗之间的矛盾问题，提出一种抗干扰性能约束下的最优前端增益设计方法。首先，建立射频通道、ADC的数学模型。然后，分析在无干扰情况下前端增益对信号采样的影响、干扰条件下的抗干扰极限性能。最后，针对前端增益对信号接收与抗干扰性能之间的矛盾，以抗干扰性能为优化目标提出了最优的前端增益设计方法。仿真实测结果验证了本文分析结论的准确性和提出方法的有效性。     

水下地形辅助导航中匹配航路的选取

水下地形辅助导航精度很大程度上依赖于匹配区域的地形特征。针对同一地形区域不同匹配航路产生的导航效果不同且单一地形特征参数无法对航路可导航性进行全面准确评价的问题,讨论了地形特征对导航性能的影响,综合选取反映地形信息的多地形特征参数,基于灰色模糊理论提出了一种用以衡量某一地形区域不同匹配航路的可导航性能的综合导航系数,并运用质点滤波算法对具有不同导航系数的航路进行了导航性能仿真。仿真结果表明,所提出的评价方法在航路选取方面具有较好的可行性及较强的地形适应性,无论是在地形信息丰富区还是匮乏区,导航系数均能较好地对匹配航路可导航性作出评价,克服了单一特征参数评价不全面以及在航路选取方面研究不足的问题,对水下航路规划和提高辅助导航性能具有实际工程应用价值。     

高功率微波弹对GNSS接收机毁伤效果分析

针对高功率微波（high-power microwave,HPM）武器易对全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）接收机造成毁伤的问题,以高功率微波弹为对象,分析了不同弹体起爆姿态下的攻击范围与效果。在电磁仿真软件CST-MWS（CST microwave studio）中建立GNSS接收机辐照模型,设计了圆极化贴片天线为接收载体,以单脉冲正弦信号调制的平面波模拟高功率微波弹起爆后的辐射场效应。在电磁能量前门耦合的基础上,基于场—路联合仿真方法给出了一种仿真模型,将天线端口感应电压注入电路仿真软件ADS中设计的PIN限幅器,完整模拟了HPM由场到路的耦合过程。仿真给出了以微波源峰值功率为变量的敏感器件毁伤评价曲线,结果表明,GNSS接收机射频前端电路中的低噪声放大器是HPM武器的主要攻击对象,以ERA-2+型低噪放为例,脉冲峰值功率在27~310 kV的微波源均可造成其晶体管烧毁。同时,HPM也容易引发限幅器在一定功率范围内产生尖峰泄漏现象,其尖峰泄露对电路可能产生的损伤值得重视。研究结论可为下一步开展卫星导航接收机针对性电磁防护设计提供依据与技术指标。