Ka星间链路信号模拟器设计与实现

Ka信号模拟器可以模拟卫星星间链路高可靠性数传和高精度测距信号,同时也是Ka频段导航接收机研制过程中必不可少的专用设备。采用软件无线电设计思想,设计了Ka星间链路信号模拟器总体架构,采用标准PXI机箱结构,基于总线设计,板卡采用PXI插卡结构,实现模块化和通用化设计,可扩展性强;详细描述了核心板卡基带信号产生单元的软、硬件设计和部分关键技术及其实现方法,上位机完成多普勒仿真、电文生成和星间信号规划时隙表生成;基带信号产生板卡采用单频时分体制和QPSK正交调制技术,模拟产生高精度动态信号,并完成多径信号和干扰信号合路输出,测试结果满足工程使用需求。     

高性能导航增强测试信号模拟器技术研究

高性能导航增强测试信号模拟器集中反映了国家卫星导航系统建设与应用的技术水平,课题涉及导航卫星轨道高精度仿真、导航信号精密生成、载波相位精确控制和传输误差仿真等许多高精尖技术,是国际卫星导航领域争夺的战略制高点之一,其性能水平将直接影响我国卫星导航终端产品参与国际市场竞争的能力。随着我国北斗二代卫星导航系统建设和应用产业化的推进,测量型、高动态型、抗干扰型等用户终端检测已经成为我国GNSS高端用户终端研制与应用的瓶颈难题。国外一直将高端高性能导航增强测试信号设备作为制约我国卫星导航系统建设和发展的重要手段并一直对我国禁运。研究具有独立自主知识产权的高性能导航增强测试信号模拟器及标校技术,有利于提升我国卫星导航系统的国际竞争能力,促进我国卫星导航终端产品研制水平,加速我国导航设备示范应用产业化进程具有极其重要的意义。课题从研究途径来看可以划分为多体制和高性能两个关键点,其中"多体制"是实现多星座多体制卫星导航信号和地面导航增强信号仿真;"高性能"是要在既有信号模拟技术基础上进一步突破高精度模拟的性能瓶颈;最后为了充分发挥检测系统的测试作用,提高系统可用性,需要研究相关测试理论及实现技术。研究涉及的算法模型与技术包括多体制高性能GNSS模拟器数学仿真技术、精密信号时延控制与高质量信号生成技术、高精度高动态GNSS射频信号模拟技术、GNSS仿真信号高精度校核与可信度评估技术等。     

基于幅度振荡的天线圆周运动多径检测技术

多径干扰是全球导航卫星系统(GNSS)高精度应用的主要误差来源之一。地球同步轨道(GEO)卫星在北斗全球系统中的应用导致了极低的多径衰落频率,致使大部分基于测量域的多径检测技术失效。该文提出了基于天线圆周运动的多径检测技术。通过控制天线转动参数,提高多径衰落频率从而使接收信号的幅度振荡在频谱中易于区分,以检测多径干扰。在基于GNSS信号源生成的多径场景实验中,所提方法能有效检测出低于直达信号30dB的短时延多径干扰,且其性能优于基于载噪比(CNR)和码减载波(CMC)的多径检测方法。该方法大大缩短了多径检测时间,同时解决了GEO卫星多径检测问题。     

多径衰落环境下采用参考信道的自适应混合捕获

引入参考信道方法实现直序扩频系统PN码的自适应混合捕获,判决门限由参考信道采用单元平均恒虚警方法自适应设置．由于2个信道的本地PN码相位差远大于多径信号的最大时延,参考信道不会出现多径信号,因此能有效消除多径干扰对捕获系统的影响．对提出的参考信道捕获方法性能进行分析．仿真结果表明,提出的方法在良性环境下具有接近传统单元平均方法的性能,而多径衰落下性能明显优于传统的单元平均方法．     

码相关参考波形技术在BOC信号接收中的多径抑制性能研究

码相关参考波形（CCRW）技术是一类通过改变码跟踪环路的本地参考信号波形来改善GNSS接收机多径抑制性能的技术的总称.本文对五种波形的CCRW技术在BOC信号接收中的应用及其码跟踪性能进行了分析仿真,其中三种技术为首次应用于BOC接收机中;文中提出了三种基于多径误差包络的多径抑制性能评估指标,并根据这些指标对五种波形的CCRW技术应用于BOC信号时的多径抑制性能进行了定量的比较,得出的结果为针对BOC信号接收机的多径抑制技术设计提供了指导方向.     

基于小波神经网络的航空通信盲均衡方法

针对航空通信信道中,多径干扰带来的信号畸变以及信道记忆效应所产生的码间干扰会严重影响通信质量,且现有的均衡算法由于收敛速度较慢无法适应高速航空通信的需求。提出了一种利用均衡器输出信号构建反馈循环的小波神经网络盲均衡算法。该方法利用反馈循环来消除航空信道的记忆效应,并结合小波神经网络时频局域性的特性来消除航空信道的多径效应和信号畸变所产生的码间干扰。仿真结果表明,该方法可以有效提高盲均衡算法的收敛速度,并使输出的信号星座图更加清晰与紧凑,有利于码间干扰的消除,具有一定的实际应用价值。     

高效平坦Rice信道模拟器

正弦波叠加法是生成衰落信道的有效方法,但生成高效率的信道模拟器需要以牺牲模拟器精度为代价。本文结合查表法和三角函数快速生成法对现有高精度平坦Rice信道模拟器进行改造,设计了一种高效平坦Rice信道模拟器。理论分析和仿真结果表明:该模拟器能在精度基本保持不变的情况下大幅度减小运算复杂度,提高仿真效率,有较强的实用性。     

实时高动态GNSS信号模拟器高精度伪距生成方法

针对伪距实时生成高动态GNSS信号模拟器的关键技术进行了研究,分析了现有真实距离计算方法的问题,提出一种改进的卫星-用户真实距离求解算法.该方法将航迹位置坐标作为用户位置输入,利用开普勒轨道根数计算卫星位置,实现GNSS信号模拟器的星座仿真与参量计算.在伪距计算过程中,为了精确计算真实距离,需要考虑在迭代过程中地固坐标系旋转造成的坐标值变化;在伪距生成过程中,提出一种基于三次样条函数的伪距三阶多项展开式系数的直接计算方法,避免了现存算法需要分别计算卫星、用户位置的高阶导数以及伪距误差的高阶导数等卫星-用户视向动态参数的问题,降低了计算的复杂度.同时也解决了现存算法无法精确计算视向动态参数造成伪距多项式系数计算不精确的问题,提高了伪距生成的精度.仿真结果表明,用该方法计算的伪距精度优于0.1mm.     

基于SoC的GNSS接收机多系统兼容技术研究

分析了GPS,GLONASS,BD,Galileo多系统兼容的意义、可行性和关键问题,提出了基于SoC的GNSS接收机多系统兼容方法,通过中频采样技术、扩展时频二维展开的微弱信号快速捕获技术及基于存储码技术的相关通道、基于SoC的信号处理等方法,解决多系统在采样、捕获、跟踪、处理等方面的兼容问题;前端配备兼容型天线和射频,实现了多卫星导航系统兼容;并给出了基于SoC的GNSS接收机多系统兼容的实现结构及处理流程,搭建验证系统,实现了对各导航信号的兼容跟踪.     

卫星导航信号设计中的抗多径性能分析

针对传统的多径误差分析方法难以对信号体制设计提供直接的理论指导,提出有限带宽条件下码跟踪多径误差的理论分析方法.在小误差假设条件下,基于线形等效模型推导了多径误差包络的理论表达式,并进行了仿真验证.仿真结果表明,当多径直达信号幅度比(MDR)为-10 dB时,该理论分析方法的偏差小于3%.在相关器间隔趋于0的极限条件下,给出了多径误差包络的理论下界表达式.结果表明:多径误差包络的理论下界取决于多径直达信号幅度比、导航信号自相关函数的一阶导数、导航信号的Gabor带宽以及波动函数;增大信号带宽和增加信号功率谱的高频分量可以减小码跟踪多径误差.     

自适应遗传算法抑制复杂短时延Galileo BOC(1,1)多径

针对传统GPS多径抑制算法无法在复杂短时延多径情况下准确估计出Galileo BOC(1,1)多径信号,提出一种隐含多径数量参数的多径模型,并构造自适应遗传算法对实际多径信号进行估计.当实际多径参数变化不大时,引用上次估计的多径参数,直到多径模型发生较大变化时,再启动遗传算法进行多径估计.城市峡谷中多径信号频繁消失和出现,而文算法中隐含对消失多径信号的估计,当消失的多径信号再次出现时,可以快速获得多径估计模型.本算法对于BOC(1,1)多径信号估计更加准确,有效地减小复杂短时延多径环境下每个通道的伪距测量误差,从而提高了Galileo接收机的定位精度,并且在一定程度上减小了计算量.     

基于联合角度—时延估计的多径信号抑制方法

为减小卫星导航信号受到多径干扰的影响,提出基于联合角度—时延估计的抑制多径干扰方法.该方法采用检测和比较多路信号相对时延的方法来区分直达和多径信号,设定最小时延对应的入射角为期望波达方向,并通过波束形成来抑制多径信号,从而达到减小多径误差的目的.仿真结果显示,该方法在直达信号较强和较弱的环境下能有效抑制多径影响.     

迭代算法在目标模拟器通道校准中的应用

射频目标模拟器对目标位置的模拟精度取决于模拟器三元组或四元组中各通道信号的幅度、相位的馈电控的精度. 本文基于二元定向原理,仿真分析了通道幅度、相位误差对目标位置模拟精度的影响,计算了在四元组方案下为模拟不同目标位置所需的四通道信号幅度控制量. 在系统实现中,由于用于幅度及相位控制的衰减器与移相器存在各自的误差且相互关联,设计了基于先验误差数据的衰减、相移控制量生成的迭代算法. 测试结果表明,该算法保证了目标位置的模拟精度.      

高动态环境下高灵敏度GPS跟踪环路算法的研究

随着用户对接收机性能要求的不断提高,GNSS接收机在高动态环境下实现高灵敏度、高定位精度的定位性能成为研究的热点。在GNSS接收机中,传统跟踪环路在高动态情况下难以满足用户对定位精度的要求。针对复杂环境下GNSS接收机定位精度不高的问题,提出了高灵敏度GPS跟踪环路算法以改善GPS接收器的定位精度,通过经典超前—滞后延迟锁定环对码延时跟踪,并结合三阶PLL对载波相位跟踪。仿真实验表明:通过对中频信号码相位和载波相位估计,避免了使用传统FLL进行频率估计引起的码延迟效应和近似误差。与传统跟踪环路相比,在动态环境下码跟踪误差明显小于传统跟踪环路。     

基于RHT斜率抑制法和自适应载波信号跟踪的多径抑制算法研究

从传统的接收机环路多径抑制方法出发，通过纠正码环相关曲线畸变和自适应载波信号更新机制跟踪弱动态载波信号两个层次，并行减缓多径效应对接收机跟踪捕获带来的延迟影响。首先，针对码环内部函数畸变带来的自相关迭代误差问题，利用机器学习领域中的随机霍夫变换(RHT)斜率检测法辅助减小窄相关器的误差；其次，设计了一种自适应阈值载波跟踪信号状态模型，用于解决高遮挡低载噪比(CNR)条件下的信号跟踪受限问题。从不同的角度将该方法与现有方法做了对比和分析，结果表明：应用RHT斜率抑制法辅助自适应增强载波信号跟踪的定位模型性能相较于传统的高分辨率技术(HRC)和卡尔曼滤波(KF)载波跟踪方法均有明显的提升，其中本文提出的方法可以在1.8 s左右的信号延迟时及时恢复载波信号失锁。此外，从最终的定位结果可知，实验场景中多径(MP)效应较强的D区域，定位误差的均方根误差(RMSE)降低了6.3 m.     

基于小波滤波及载噪比估计的GPS接收机多径抑制

为了抑制城市环境GPS(global positioning system)导航应用中由复杂信号反射引起的多径效应,提出了一种基于假设检验小波阈值滤波处理并联合载噪比估计的GPS接收机多径抑制方法.这种方法作用于GPS导航接收机的码和载波跟踪环路,通过估计由多径引起的跟踪误差,补偿伪距估计量,进而消除多径效应引起的定位误差.仿真实验结果表明,对于城市环境典型导航应用的多径场景,所提出的方法显著改善用户定位精度,能够将定位误差从标准接收机处理下的15.95 m降至1.75 m,而计算量无明显增加.     

多路GNSS欺骗干扰信号功率控制策略

为满足多路GNSS欺骗干扰信号整体获得目标接收机高捕获性能的实际应用需求,设计了一种多路信号互相关干扰约束下的信号功率最优控制策略。分析了多路欺骗信号功率对噪声基底的影响,研究了在此情况下欺骗信号的捕获性能。以噪声基底上升和欺骗信号相对捕获概率为约束,构建了控制策略的目标函数,利用遗传算法进行寻优计算。仿真结果表明,该策略实现了多路欺骗信号的捕获性能优于真实信号,且此时噪声基底的抬升不超过10 dBW,欺骗信号功率不具有相关性。     

多径条件下GNSS干扰信号测向分布研究

为开展GNSS干扰源定位研究,围绕信号多径传播建立了干扰信号相位的多径衰落模型并提出了测向分布描述方法.首先针对GNSS干扰信号给出了测向模型以及理论误差;其次仿真分析了多径条件下干扰信号相位分布与莱斯因子的关系,通过推导相位分布PDF建立信号相位的数学模型;最后利用蒙特卡洛仿真研究测向分布与莱斯因子和来波方向的关系,并采用置信区间进行数学描述.理论推导和仿真结果表明,当莱斯因子较大时多径条件下的干扰信号相位服从高斯分布,测向结果方差随莱斯因子增加而减小,且来波方向垂直于基线时方差最小,莱斯因子大于20时同一置信水平下的置信区间趋于稳定.      

GPS卫星信号模拟器中C/A码的研究与实现

本文研究了一种GPS卫星信号模拟器中C/A码信号产生器的设计结构,并利用FPG A实现了C/A码的产生,仿真结果表明,所设计的C/A码信号产生器的正确性与有效性,满足了相关设计要求。     

利用CWDM实现多路信号传输的光纤通信系统

介绍了一种利用CwDM（粗波分复用）实现包括视频信号、网络信号和多路数据信号传输的光纤通信系统，其中较详细地介绍了多路数据信号传输的设计及实现方法，包括其编／解码原理和利用CPLD来实现同步码的生成与提取过程．此系统已经应用于科研项目中，而且较好地实现了多路信号的传输，工作状态一直很稳定．