基于新一代GNSS-R星座海面测高原理提高水下惯性/重力组合导航精度研究进展

紧跟国际卫星测高反演和水下组合导航的最新热点,以满足中国迫切提出的科学和国防需求为导向,介绍了基于GNSS-R卫星海面测高原理提高水下惯性/重力组合导航精度研究进展。第一,介绍了GNSS-R测高精度研究进展、GNSS-R测高沿轨迹空间分辨率研究进展、GNSS-R反射点轨迹间空间分辨率研究进展、基于卫星测高反演海洋重力场研究进展、水下重力匹配导航研究进展等。第二,在GNSS-R海面测高方面,提出了新型大地水准面静态高程镜面反射点修正定位法、海洋潮汐时变高程镜面反射点修正定位法、法向投影镜面反射点修正定位法、GNSS-R星载下视天线接收信噪比模型构建法、GNSS-R星载下视天线可用镜面反射点筛选算法等,旨在提高卫星测高精度和空间分辨率;在水下重力匹配导航方面,提出了新型主成分加权平均归一化法、测地线周期性航向控制法、分层邻域阈值搜索法、先验递推迭代最小二乘误匹配修正法等,旨在提高水下重力匹配导航精度、匹配效率及可靠性。第三,预期提出新型二阶不动点时延提取法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高精度;预期提出新型反射信号分解法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高沿轨迹空间分辨率;预期提出新型海面粗糙度误差校正法,旨在提高GNSS-R卫星海面测高轨迹间空间分辨率;预期提出新型正则化稳健算法,旨在提高海洋重力场反演精度和空间分辨率;预期融合星载GNSS-R模拟测高数据、岸/空基GNSS-R验证测高数据等多源信息,联合几何配准收敛速度快和直接概率准则定位精度高的优点,构建新型几何配准-直接概率准则混合法,旨在提高水下惯性/重力组合导航精度和速度。     

基于二分算法的全球导航卫星反射信号数值分析研究

海面风场反演是利用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)进行海面遥感探测的一个重要应用,其前提是确定散射区域信息。通过分析比较S.C.Wu算法及在此算法基础上提出的二分法,仿真得出二分算法测得的镜面反射点也可以正确得到散射点的区域变化信息。仿真分析了二分法下的海面散射信号的时延-多普勒二维相关功率关系,验证了二分算法模型简单且实际应用性强的优势。     

基于二分算法的GNSS-R数值分析

海面风场反演是利用全球导航卫星系统反射信号（GNSS-R）进行海面遥感探测的一个重要应用,其前提是确定散射区域信息。通过分析比较S.C.Wu算法及在此算法基础上提出的二分法,仿真得出二分算法测得的镜面反射点也可以正确得到散射点的区域变化信息。最后,仿真分析了二分法下的海面散射信号的时延-多普勒二维相关功率关系,验证了二分算法模型简单且实际应用性强的优势。     

基于进退法的全球导航卫星系统反射信号镜面反射点的估计算法

通过研究全球导航卫星系统反射信号（GNSS-R）几何关系及其镜面反射点算法,确定镜面反射点问题为一维单峰凸函数极值搜索问题后,本文提出基于进退法的镜面反射点估计算法,并论述了进退法在镜面反射点位置估计中的理论可行性。为了验证进退法的正确性,利用MATLAB仿真软件对进退法与传统算法进行了仿真结果分析。实验仿真结果表明：进退法可以正确估计GNSS-R镜面反射点的位置信息,并且具有迭代次数少,运算速度快,算法效率高的特点。     

全球卫星导航反射信号遥感的镜面反射点快速估算

近年来,利用全球卫星导航反射信号(global navigation satellite system reflectometry,GNSS-R)进行遥感应用已经成为遥感领域的新技术。镜面反射点是星载GNSS-R遥感测量和建模的主要参考点,其估算的精度和速度对GNSS-R遥感有着显著影响。提出了星载GNSS-R接收机测量中GNSS-R镜面反射点的快速估算方法。首先,总结了镜面反射点的几何特征。根据几何特征,进行了镜面反射点的粗估算。然后,提出了基于角平分线变步长校正精确估算镜面反射点的位置,并通过迭代实现了镜面反射点的精确定位。最后,通过仿真实验验证了所提算法具有较好的准确性和快速性。     

BOC信号通道零值精密测试方法

导航卫星导航信号发射通道的设备自身时延是星地组合时延的一个组成部分,在实际定位和授时应用中必须扣除,因此,卫星在地面测试中必须进行通道零值标定。通道的零值测试精度将直接影响用户的测距精度和时间传递精度。文中给出一种采用数字域部分相关处理技术的导航卫星BOC(binary offset carrier)信号发射通道零值测试方法,对BOC信号和导航卫星秒脉冲1PPS (1 Pulse Per Second)信号高速率同步采样,对BOC信号采样数据进行载波相位相关处理,积分时间低于一个伪随机码周期,处理后得到采样数据中伪随机码起始点,结合1PPS采样数据,计算得到BOC导航信号发射通道的零值。采样频率10 GHz时,提出测试方法的测量不确定度优于0.2 ns。     

GNSS-R遥感的镜面反射点快速估算

近年来,利用全球卫星导航反射信号(Global Navigation Satellite System Reflectometry, GNSS-R)进行遥感应用已经成为遥感领域的新技术。镜面反射点是星载GNSS-R遥感测量和建模的主要参考点,其估算的精度和速度对GNSS-R遥感有着显著影响。本文提出了星载GNSS-R接收机测量中GNSS-R镜面反射点的快速估算方法。首先,本文总结了镜面反射点的几何特征。根据几何特征,进行了镜面反射点的粗估算。然后,提出了基于角平分线变步长校正精确估算镜面反射点的位置,并通过迭代实现了镜面反射点的精确定位。 最后,通过仿真实验验证了本文所提算法具有较好的准确性和快速性。     

GNSS-R海冰遥感的模拟和试验验证

介绍了利用全球导航卫星的反射信号(GNSS-R, Global Navigation Satellite System reflected signals )进行海冰遥感的技术原理,通过对辐射传输模型的分析,得到GNSS反射信号的功率与海冰厚度关系的模拟.分析了2013年天津渤海湾海冰实地观测试验数据,试验中利用一个垂直向上的右旋圆极化天线负责接收直射信号,同时另一个45°朝向海面的左旋圆极化天线接收反射信号,将观测得到的反射信号信噪比和GNSS卫星的镜像点轨迹相结合,得到冰面和水面的反射信号空间分布,相对于直射信号只与卫星发射信号强度和天线增益相关,反射信号则比较复杂,除了卫星发射信号和天线增益,还受到反射面的影响,分析结果表明GNSS反射信号用于海冰观测具有较高的敏感性,可用于海冰密度的反演.     

机载GPS-R遥感海面风场实验

利用GPS导航卫星反射信号遥感海面风场是一种新的海洋遥感手段.对2009年在我国海南开展的机载飞行实验进行了介绍,为了验证该技术测风原理的正确性、反演算法的可行性和实际测风精度,利用飞行实验数据反演出了海面风速风向,并与同步获得的海洋站实测风场数据和卫星散射计风场数据进行了对比.统计表明,GPS-R反演风场与博鳌海洋站...     

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。     

航天器高精度GPS导航定位技术研究

将GPS测量定位技术、求解卫星轨道摄动运动的Encke方法和广义Kalman滤波技术有机地结合在一起，提出了利用GPS实现低轨道航天器高精度自主导航定位的新方法——载波相位-伪距综合动态定轨技术，解决了GPS载波相位应用中动态解模糊和跳周修复的难题。以此为基础，提出了两个航天器之间的载波相位-伪距综合差分动态相对导航技术。数值仿真分析和半物理仿真实验结果表明，所提出的动态定轨技术是可行的，对提高GPS导航定位精度的效果是显著的，并且其模型、算法和软件具有工程实用性。     

采用相关曲线偏差的导航卫星多径信号分离方法

为解决卫星导航信号中提取多径分量困难的问题,提出了一种利用相关曲线偏差(SCB)分离导航卫星多径信号的方法(MSCB)。首先建立包含多径分量的接收信号模型;然后分析SCB偏差与多径信号幅值、延迟与相位之间的关系,得到不同多径延迟条件下两种不同的SCB偏差形状;最后通过SCB拐点估计出多径信号参数。基于北斗和GPS导航卫星的实验结果表明:MSCB方法能够有效地将来自地面与卫星自身的多径分量(或类似多径分量)特征参数提取出来,将多径分辨率从米级提高到分米甚至厘米级别,其估计标准差仅为传统多径估计延迟锁定环路算法的1/6左右,为未来多径信号的建模与分析提供了一种新的有效方法。     

基于星载GNSS-R延迟-多普勒图的海面目标探测

为了利用星载global navigation satellite system-reflections(GNSS-R)的延迟-多普勒图(delay-doppler map,DDM)实现对海面目标位置的遥感探测,依据星载DDM的生成原理,研究实现了其反过程即从DDM中重构散射区域图像进而达到探测海面目标的目的。首先利用截断奇异值分解(truncated singular value decomposition,TSVD)法去除DDM中的模糊函数;然后通过计算归一化雷达横截面积(normalized radar cross-section,NRCS)重构海面散射区域图像。以2016年3月1日TechDemoSat-1(TDS-1)实测的DDM数据为例,首先计算了镜反射点(specular point,SP)的位置,然后进行重构实验。实验结果表明:计算得到的SP与TDS-1提供的SP之间的最大误差在800 m左右,小于TDS-1 5 km的距离分辨率;同时,重构图像中目标的位置与极地海冰数据中海冰的位置相吻合,由此可见本文的目标探测算法能够从DDM中探测到海面目标。     

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.     

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.     

GBAS中相位平滑伪距差分修正改进算法

针对卫星导航精度问题,提出一种载波相位平滑伪距差分修正算法的改进方案.通过无码载偏离平滑滤波技术来解决电离层对伪距和载波相位观测值带来的不一致性导致的电离层误差加剧问题.利用信号传播中误差模型预测值、载波信号和码伪距确定滤波器的衰减因子,把接收到的双频载波信号相位值和伪距值线性组合,输入滤波器滤波.同时用卫星修正信息对平滑伪距值中钟差进行修正.仿真结果表明通过该算法能够减少滤波后的信号残差,提高载波相位平滑伪距差分修正值标准差的可用性,减少电离层误差对星基导航精密进近阶段定位精度的影响.     

新一代GNSS信号的自适应Kalman跟踪算法

为了提高导航服务的质量,要求新一代全球导航卫星系统(GNSS)信号的自适应跟踪算法在稳态场景下具有较好的定位精度的同时,当场景发生变化时也能保持稳健的性能。原有的自适应Kalman滤波算法应用于自适应跟踪时,在优化稳态跟踪精度或者动态稳定性方面有所不足。该文提出了一种自适应因子的Kalman滤波算法,并与双更新率的锁频辅助锁相技术结合,用于自适应跟踪环路的设计。仿真结果表明:相比原有的自适应技术,该算法具有较小的相位跟踪误差,在场景变化时的稳定性也更好。     

抗转发干扰FFT快速捕获方法研究

为了解决有效抑制转发式干扰问题,根据转发干扰信号的码相位滞后于卫星导航信号的特点,结合快速傅里叶变换(FFT)快速捕获的二维搜索策略,提出基于延迟-等待捕获策略的抗转发干扰FFT快速捕获方法.该方法根据过门限峰值的码相位信息来区分判别卫星导航信号和转发干扰信号,在不影响接收机在无转发干扰正常工作的条件下,保证了接收机在转发干扰下的捕获性能.理论分析和仿真实验验证了该方法的有效性.     

导航星座自主导航技术研究

导航星座自主导航日益成为新一代卫星导航系统的主要研究方向。在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上，重点提出了导航星座自主导航的关键技术，包括卫星星历与时钟参数的长期预报技术、星间测距与通信链路的建立和维持技术、星座卫星自主时间同步技术、星座卫星自主星历更新技术、自主导航信息处理的鲁棒滤波技术、星座整体旋转建模技术，以及地球自转及极移参数的长期预报技术。详细分析了关键技术实施途径，论证了相关数学模型。最后，对星座卫星自主时间同步与星历更新算法进行了系统仿真，结果表明：通过星载滤波器处理星间双向测     

锁频环辅助下锁相环的跟踪误差分析

为适应高动态环境,卫星导航接收机采取锁频环辅助锁相环的技术进行载波跟踪.锁相环在锁频环跟踪频率基础上锁定载波相位.现基于经典的二阶锁频环辅助三阶锁相环结构,研究其中的载波相位跟踪误差,包括动态应力误差与热噪声跟踪误差.通过推导,得到了2个误差的计算公式.仿真结果表明,有关载波相位跟踪误差的分析是准确的,有助于之后的载波跟踪环路设计.