关闭部分导航信号实现区域定位阻断对全球定位性能的影响分析

在导航战中,可采用关闭己方部分卫星信号的方法或对己方卫星信号实施干扰的方法在区域范围内(如战区内)阻止对方单独使用己方的卫星导航定位系统进行定位服务.文中以关闭部分GPS卫星信号来阻止目标点定位为例,描述了关闭部分导航信号实现区域定位阻断的方法及仿真流程,定义了导航定位性能评估方法以及一种基于不可定位区域最小准则的导航信号关闭策略,并就关闭部分卫星信号实现区域定位阻断对全球定位授时性能产生的影响进行了分析讨论.仿真结果表明,关闭部分卫星信号阻止目标点使用定位服务,会导致全球49%以上地区的用户无法使用普通民用定位服务,并使全球民用用户的定位可用性受到一定影响.本文分析结果可为我国未来的卫星导航系统的民用信号反利用以及系统安全策略提供理论支撑.     

北斗服务性能提升体系研究与集成验证

(1)空间信号精度提升总体设计。在最大程度兼容北斗卫星导航系统的基础上,从提升系统发播的空间信号精度方面,论证给出系统服务性能提升的指标分配与可行性分析、明确空间信号精度提升系统接口设计、完成空间信号精度提升总体设计,指导课题2(北斗空间信号精度提升关键技术)的工程实现。(2)地基导航信号网络总体设计。研究北斗地基导航信号影响服务精度的各种因素、实现定位精度5 m的指标分配、设计并论证地基导航信号网络信号体制、完成地基导航信号网络伪卫星布设方案与时间同步方案研究。指导课题3(北斗地基导航信号网络关键技术)的工程实现。(3)系统集成与试验验证。完成北斗空间信号精度提升系统集成方案设计、空间信号提升试验方案设计、地基导航信号网络布站方案的设计、地基增强示范系统集成方案设计、地基导航信号网络试验方案设计;实现空间信号提升系统集成、地基导航信号网络集成、搭建整个北斗服务性能提升试验系统;组织开展UERE优于1 m、定位精度优于5 m的技术指标试验验证,形成示范演示试验报告。(4)基于北斗的PNT体系架构及应用研究。该研究内容主要开展基于北斗的PNT体系需求分析、PNT体系应用模式及关键技术研究、PNT标准体系研究。最终形成"基于北斗的PNT体系构架及应用研究报告"。该年度主要研究内容为空间信号精度提升总体设计、地基导航信号网络总体设计、地基导航信号网络伪卫星布设方案与时间同步方案研究和基于北斗的PNT体系需求分析。     

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.     

北斗基本导航电文定义与使用方法

导航卫星发播的导航电文信息是用户导航定位的空间基准和时间基准.本文主要讨论了北斗卫星导航系统发展现状,介绍了北斗卫星导航系统发播信号特征与信息内容以及北斗系统时空基准与GPS(Global Positioning System)差异,在此基础上,详细给出了北斗基本导航电文中的卫星钟差与TGD(Time Group Delay)参数、卫星星历参数、电离层延迟模型参数的定义与使用方法,并结合实际应用,给出了用户使用北斗导航电文时需要特别注意的一些问题.     

GNSS空间信号质量分析方法研究

导航信号质量的优劣,直接关系到卫星导航系统的性能,同时也反映了卫星有效载荷的工作状态和各种电性能指标.中国科学院国家授时中心的GNSS空间信号质量评估系统,以标准仪器监测、离线数据分析和监测接收机三种方式对导航信号质量进行分析与评估.本文主要介绍了该系统的离线数据分析方式和数据采集方法,分析了信号功率谱、眼图、星座图和码片赋形等性能,分析了相关峰、相关损耗等相关性能参数.分析结果表明,该系统中使用的信号质量评估方法实用有效.     

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.     

北斗新一代试验卫星星钟及轨道精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星和3颗中轨地球轨道卫星组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能.导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生,本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升.结果表明新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,地球倾斜静止卫星(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)短期预报误差从0.65ns减小到0.30ns,中轨道卫星(Medium Orbit,MEO)短期预报误差从0.78ns减小到0.32ns,IGSO/MEO卫星中期预报误差均从2.50ns减小到约1.50ns.星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)是北斗全球系统最重要的技术体制设计之一,本文评估了试验卫星实现的星间伪距测量对提升空间信号精度,即轨道和钟差的贡献,得到在地面监测网无法连续覆盖到的境外弧段,高精度星间链路测量对轨道确定和钟差测定精度的提升尤为明显.加入星间伪距测量,MEO卫星重新入境时钟差预报误差由3ns减小至1ns以内.采用星地星间联合定轨方法估计的卫星轨道径向重叠弧段互差优于0.1m,三维位置重叠互差优于0.5m,预报24h径向重叠弧段互差优于0.2m,三维位置重叠互差优于1m,均较区域监测网L波段定轨结果有较大提升.为解决多星定轨处理时卫星钟差与轨道高度耦合问题,本文提出了卫星钟差半约束模式定轨处理方法.用户等效距离误差分析结果表明采用卫星钟差半约束的定轨模式,卫星轨道预报4h用户等效距离误差由1.04m减小至0.82m.     

新型卫星导航复用调制信号的单路分离方法

针对卫星导航信号时/频/调制域正交特性实现单路分离的传统方法不再适用于复杂多路复用信号分离的问题,提出了一种新型卫星导航复用调制信号的单路分离方法。该方法利用不同支路上数据码的随机特性,设计了多支路混合信号的周期掩码累加准则,通过计算各支路比特符号掩码累加值的残留度和补偿因子,获得使对应非期望支路累加和为零的乘积系数,实现了期望信号的单路分离。理论和实验分析表明,相较于非单路分离的传统评估方法,所提单路分离方法的载波相位分辨率优于5°、码元位置分辨率优于0.01%,可精确直观地反映基带信号在时/频/调制等域的畸变情况,为新型导航信号定量评估和处理提供了很好的技术支持。     

单频干扰下卫星导航信号的码跟踪性能评估

基于伪码为离散频谱推导了单频干扰下码跟踪误差的解析式,提出将鉴别器曲线的最大偏移量作为码跟踪性能的评价标准,对不同卫星导航信号的码跟踪误差进行仿真.仿真结果表明:GPSL1信号的部分卫星更易受到单频干扰的影响;采用BOC(1,1)赋形和MBOC(6,1,1/11)赋形的卫星导航信号受单频干扰的影响大于采用矩形赋形的;采用窄相关技术可以减小单频干扰对信号码跟踪性能的影响.     

媒体纵览

正中国成功发射第五颗新一代北斗导航卫星2月1日15时29分,中国在西昌卫星发射中心成功发射了第五颗新一代北斗导航卫星,同时也是中国第21颗北斗导航卫星,标志着北斗系统全球组网迈出坚实一步。该星入轨后,将与先期发射的四颗新一代北斗导航卫星共同开展星间链路、新型导航信号体制等试验验证工作,并适时入网提供服务。星间链路是北斗卫星导航系统的亮点,不经过地面基站,就能实现卫星之间的通信,堪称"空间高速互联网"。根据北斗系统全球组网建设计划,2018年将率先为"一带一路"沿线国家和地区提供基本服务。2020年将建成国际一流的全球卫星导航系统。(来源:新华网2016年2月2日)     

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。     

北斗三号B1频点卫星导航信号的调制复用及实际接收性能

导航信号结构是卫星导航系统的核心技术之一,也是我国北斗三号卫星导航系统独立建设、自主运行的标志.本文分析了北斗三号B1频点卫星导航信号设计的需求与挑战,详细介绍了为满足北斗三号新一代导航信号性能提升、多样化接收以及与其他导航系统兼容与互操作等方面的迫切需求,我们为北斗三号主用信号B1C提出了一种新型的正交复用二进制载波偏移(Quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier,QMBOC)调制技术,以及为解决北斗三号B1频点新旧两代和军民两类导航信号并存的重大技术难题,提出了一种通用的多频多分量导航信号恒包络复用(CEMIC)技术,并通过对北斗三号组网卫星实际播发的信号接收处理与分析,验证了新一代B1频点信号的先进性能.QMBOC调制和CEMIC复用构成了北斗三号B1信号的核心结构,在很大程度上决定了信号的时频域特性、接收性能及发射效率,目前已经部署在北斗三号所有的组网卫星上并开始向全球提供服务,成为北斗三号赶超世界先进水平的重要特征.     

多模卫星导航信号误差分析

多模卫星导航接收机信号模拟器关键技术涉及对导航信号误差的模拟.基于对目前全球导航卫星系统(GNSS)技术发展状况的了解和对系统的脆弱性分析,从影响接收机定位精度的数据源信号及信号传输过程中的误差特性入手,逐一对误差的性质、大小及对测量产生的影响进行了详细研究,给出静态误差模型的具体计算过程.最后介绍了高动态环境下误差模型的一般研究方法.     

北斗导航卫星伪距偏差特性及减弱方法

导航卫星信号的非理想特性会引起伪距测量产生偏差,具体表现为相同类型接收机具有相同伪距偏差,不同类型接收机的伪距偏差不一致.当提供导航定位服务产品的接收机技术状态与用户端不一致时,伪距偏差将引起导航定位服务性能降低.本文利用超短基线双差伪距O?C(Observation Minus Computation)方法计算了BDS(Beidou Satellite Navigation System)的伪距偏差,发现在早期试验卫星阶段的不同状态接收机之间存在较大的伪距偏差现象,设计了接收机环路参数调整、改变抗多径算法和卫星预失真滤波器参数调整三种减弱伪距偏差的方法.分别试验验证结果表明,接收机环路参数调整能大幅降低卫星之间的伪距偏差,B1I各颗卫星伪距偏差标准差由0.63 m降低至0.36 m;抗多径算法会造成额外的伪距偏差,窄相关算法能大幅减小伪距偏差,B1I各颗卫星伪距偏差标准差由0.36 m降低至0.18 m;调整卫星预失真滤波器参数能在一定程度上减小伪距偏差,单颗卫星伪距偏差降低约0.3–0.4 m.最后,针对BDS卫星伪距偏差解算无固定参考基准的问题,设计了一种基于外频标非实时双差O?C方法,利用该方法分别处理了BDS和GPS(Global Positioning System)数据,并对两个系统卫星伪距偏差的特性进行比较分析.结果表明,BDS和GPS卫星都存在伪距偏差;GPS卫星L2C伪距偏差与BDS-3卫星B1C数据支路相当;GPS卫星L1CA伪距偏差与其兼容互操作的BDS-3卫星B1C导频支路相当;L5C与其兼容互操作的BDS-3卫星B2a信号相比伪距偏差更大.     

GNSS信号兼容捕获算法

目前卫星导航定位系统正在从单一的GPS时代向多星座并存的GNSS时代转移,多星座兼容的卫星导航接收机将会成为未来接收机产品的主流.常用的伪码频域和时域捕获算法,虽可以实现特定系统的伪码信号的快速捕获,但对于处理多个系统、多种调制方式、不同码长的卫星信号而言,尚存在一定的局限性.本文将提出一种应用于GNSS兼容接收机的通用信号快速捕获方法.经实际测试表明,该算法实现了兼容捕获GPS,GLONASS,Galileo和COMPASS等GNSS信号,可以对不同类型的卫星导航信号进行快速捕获,具备较高的实用价值.     

卫星导航技术发展向何处去

综述了导航定位技术的新进度,特别是卫星导航定位技术的新进展,探讨了GPS后的卫星导航技术的发展趋势和方向,介绍了多模卫星导航系统的兼容和互操作、卫星导航与地面移动网的融合和互补、导航和通信融合技术的发展,以及入向卫星定位通信系统和双向卫星定位通信系统的出现.最后还展望了导航定位信号及功能融入到通信链路中去的可能性.     

基于AT89C51的多通道导航信号切换系统设计

本文分析了卫星导航接收系统的电文解码方式,采用单片机的多机通信技术及方法以AT89C51单片机为数据处理核心,接收卫星导航信号,并将接收到的卫星导航信号通过MAX232芯片进行单片机的多机通信,从而将不同的导航信号分别传送到各从机中,并最终实现在终端显示定位信息。     

基于Krylov子空间的自适应陷波器设计

针对卫星导航接收终端的窄带干扰抑制问题,结合Krylov子空间性质,把基于Krylov子空间的多级维纳滤波算法应用到导航接收终端窄带干扰抑制中,提出了一种基于Krylov子空间的多级维纳滤波自适应陷波器设计方法,实现了导航接收机的自适应窄带干扰抑制,使输出信噪比达到最优,解决了传统的维纳滤波方法由于矩阵求逆运算量大的问题.仿真结果表明:该算法相比最优维纳滤波算法,运算量小,结构简单,有较好的窄带干扰抑制性能且对导航信号本身的接收影响较小,是一种实用的窄带干扰抑制算法.     

内含伪距差分功能的虚拟卫星原子钟

卫星原子钟是类GPS系统工作的基础,由卫星原子钟控制导航信号发射的时间和频率．在中国区域定位系统中,租用现有的通信卫星实现卫星导航,星上不配备卫星原子钟,在这种情形下,类GPS系统的基于卫星原子钟的时间同步方式不再适合．研究提出虚拟卫星原子钟的方法。可以实现无星载原子钟的卫星导航．采用虚拟卫星原子钟,将信号从地面发射的时间延迟到信号从卫星发射的时间,可以实现类GPS系统相同的伪距测量功能．虚拟卫星原子钟不但可以实现导航,并且还具有伪距差分功能,可以抵消星历误差,提高导航定位精度．虚拟卫星原子钟不但实现了无星载钟的导航系统,而且实现了一个具有差分功能的卫星导航系统．     

空地协同伪卫星导航增强系统评估方法

针对战区伪卫星导航增强应用效能评估问题,对空地协同伪卫星导航增强系统(PNAS)关键性能指标进行了量化分析,提出了空地协同伪卫星增强系统有效性评价方法.首先对模拟环境下的伪卫星系统内部和外部干扰进行建模;然后分析了系统增强能力和可用性;最后对伪卫星系统的覆盖区域、定位精度等应用性能进行了分析和推导.基于STK与Matlab对系统实体组成、信号链路和信号处理模型进行仿真实现,场景中心区域增强能力达到40dB;通过信号观测质量等参数得到的有效性评估算式对系统进行量化评估,验证了空地协同伪卫星导航增强系统的有效性和可用性.