基于北斗导航信号的高轨卫星定位性能分析

随着我国自行研制和发展的北斗卫星导航系统的日益成熟,利用北斗导航系统对高轨卫星定位正逐渐成为研究的热点。对基于北斗导航信号的高轨卫星定轨性能展开研究,首先对高轨卫星建立动力学模型,然后对北斗信号传播链路建模,对导航卫星的接收功率、可见性、定位精度因子(DOP值)、多普勒性能建立相应的模型并开展仿真研究。仿真结果表明:高轨卫星GEO、HEO星载接收机接收功率分别为-174d BW和-180d BW时,可见星数至少4颗,满足导航定位需求;GEO的平均几何精度因子(GDOP)的均值为31.9535,HEO的平均几何精度因子(GDOP)为25.2012;GEO的多普勒频移范围约为8k HZ,HEO的多普勒频移范围约为31k HZ。该研究为后续弱信号捕获跟踪提供了理论依据和数据支撑。     

GPS系统多普勒频移估算的研究

在GPS导航定位系统中,多普勒频率偏移直接影响接收机性能。为了克服多普勒频率偏移的影响,提高接收机的GPS信号捕获速度,对多普勒频移估计算法进行了研究。推导了导航卫星运行参数的数学模型,给出多普勒频移估算的数学模型,对导航卫星运行参数及多普勒频移特性进行了MATLAB仿真。结果表明,卫星与接收机之间的相对位置对信号的多普勒频移特性有着较强的影响。仿真结果可以为多普勒频移的估计和补偿提供先验信息。     

GNSS信号中多普勒频移的估计与补偿技术

为了提高全球导航卫星系统(GNSS)的信号捕获速度,提出了一种校正与补偿由卫星运动导致的GNSS信号中的多普勒频移的算法。讨论了由卫星运动的动力学方程计算卫星运动速度的方法、(GNSS接收机位置下的)可见卫星的确定,分析了由卫星运动引入GNSS信号中的多普勒频移,通过建模仿真了24颗卫星信号的多普勒频移变化曲线。仿真结果表明,多普勒随时间变化的曲线是具有周期性和单值性的光滑曲线,可依据接收机时钟估计出多普勒频移值,在半径800 km左右的范围内,大部分时间上的估计误差小于500 Hz,有效地缩减了多普勒频移的不确定范围,提高了GNSS信号的捕获速度。     

地面基准站网与星载GNSS融合的高中低轨卫星联合精密定轨

下一代导航系统拟纳入低轨卫星（LEO）作为增强和备份。研究了地面基准站网与星载GNSS融合的高中低轨卫星联合精密定轨（POD）理论与方法，基于实测国际地面站（IGS）和低轨卫星星载GNSS数据，通过建立高精度动力学模型和观测模型，根据全球测站和区域测站两种情况进行了导航星与低轨星的联合精密定轨试验。结果表明，联合定轨可同时获得导航星和低轨星厘米级的定轨精度。低轨星作为高动态天基测站，对导航星定轨精度的提升程度可达20%~90%。     

星载AIS接收链路设计与仿真

分析和论证了自动识别系统(AIS)在低轨卫星中应用所涉及的相关问题,阐述了AIS系统特征 ,理论分析了低轨卫星与目标船舶的作用距离、低轨卫星的运行周期、多普勒频移对星载AI S通信的影响,并对星载接收链路进行了预计,给出了星载AIS接收机的实现方案。最后,对 相关理论结果进行了仿真。     

卫星导航系统接收机原理与设计——之六

4.5.2数字信号检测Signal Detection上文假设接收机已经获取当前导航信号伪码延迟和多普勒频移参数对的预估值,因此,接收机可以利用当前估计的伪码延迟和多普勒频移参数对产生本地复制码。但是,GNSS接收机基带数字信号处理通道首次建立初始状态时,接收机并不能预估出导航信号的参数对(伪码延迟和多普勒频移),因此数字信号处理通道需要搜索可见范围内的所有的卫星(信号),即所谓的“冷启动”。接收机利用信号处理通道中的捕获模块     

星载GNSS反射信号时-空性能仿真分析

针对星载全球导航卫星系统(GNSS)反射信号时-空性能问题,该文从1阶统计量角度定义了平均空间覆盖次数、全球覆盖面积百分比和平均回访时间3个衡量星载GNSS反射信号时-空性能的指标,并通过建立GNSS和低轨卫星轨道仿真研究了低轨卫星轨道高度、倾角、升交点赤经以及天线波束对星载GNSS反射信号时-空性能的影响.结果表明:...     

高轨GPS信号可用性分析

针对目前国内关于高轨GPS信号可见性研究大多以几何分析为主,工程实现指导性不强的缺点,文章以GPS接收机系统指标设计为目标,引入接收机等价增益概念,结合空间几何模型与信号链路传播特点,考虑GPS发射天线增益、接收机信号处理时间、GPS星座状况、接收天线增益等实际因素,对适用于高轨GPS信号可用性进行分析。仿真表明-180 dBW接收功率下,通过接收更多GPS旁瓣信号,GPS接收机能有效应用于高轨航天器导航。     

低轨星DSSS信号快速捕获技术研究

本文介绍了一种基于非相干的低轨星直接扩频信号快速捕获技术。低轨星高速运动所带来的大多普勒频偏成为制约传统捕获方法的主要因素，导致捕获性能严重恶化，同时低轨星快速的过境时间要求加快信号捕获速度。部分匹配滤波器可在时域快速完成码相位搜索，快速傅里叶变换可在频域完成多普勒频移搜索。相比传统捕获方法，部分匹配滤波器结合快速傅里叶变换的捕获方法可快速完成大范围多普勒频偏搜索，为低轨卫星直扩导航信号的接收提供支撑。     

基于星间激光测距的高轨卫星定位技术研究

针对传统的高轨卫星定位技术存在定位精度低的问题,提出了基于基于星间激光测距的高轨卫星定位技术。在高轨卫星飞行器上安装低噪声激光探测器,借助激光探测器、发射机以及接收器构建星间通信链路,分析接收天线的接收功率与发射天线的发射功率之间的关系,通过激光脉冲传输空间测距与高轨卫星信号捕获接收功率和发射功率获得定位初始数据;再分析星间相对运动和修正电离层误差,得到定位数据的精确解算融合结果。选取精度因子DOP作为评判高轨卫星定位技术的参数,通过仿真实验发现高轨卫星定位技术比传统定位技术的平均DOP值高2.89,由此证明所提定位技术的定位精度更高。     

GPS软件接收机中微弱信号捕获算法研究

信号捕获的目的是确定接收机当前所在位置的可见卫星号,进而计算可见卫星的载波频率和伪随机码相位信息.目前随着GPS接收机应用的日益广泛,如何在弱信号环境下实现定位的问题日益突出.普通的GPS接收机不能捕获和跟踪到导航卫星信号,只能设法提高GPS接收机的灵敏度来实现导航和定位.为了解决微弱信号情况下的GPS信号捕获问题,在...     

一种多卫星导航系统快速选星算法研究与仿真

多卫星系统导航时,可见星数目大幅度增加,导致导航解算运算量成几十倍增长,加重了用户接收机尤其高动态接收机的负担。针对传统选星算法在卫星数目较多时耗时太长,无法满足导航实时性要求的问题,提出了一种适用于多卫星导航系统选取多颗次优星的快速选星算法,通过建立多卫星导航系统的几何精度因子（GDOP）分析模型,基于可见星仰角及方位角的分区、筛选,给出了被排除卫星的分布规律。仿真结果表明,在损失较少定位精度的情况下,可大大减少导航定位解算的运算量。     

导航星座对高轨特定目标导航方法

针对当前各种高轨飞行器对导航需求日益增强的情况,提出一种导航星座对高轨特定目标飞行器进行导航的方法。该方法需要在导航星座卫星配备全数字相控阵天线与指向可调的高增益导航天线。相控阵天线接收目标飞行器发射的用于波达方向(DOA)估计的信号,并对该信号的DOA进行估计,使距飞行器较近的多个导航星座卫星估计得到飞行器相对于自身的相对方向。以该方向为基础,导航卫星可以调节自身的高增益导航天线并使其指向特定目标飞行器,发送导航电文信息,从而使导航星座自主实现对高轨目标飞行器的导航任务。假定导航卫星相控阵天线装配于卫星对天面上,以此为基础对同步轨道的目标飞行器同导航星座各卫星相控阵天线的可见性进行了仿真分析,并在目标可见的基础上对二维DOA估计精确度进行了计算,验证了方法的可行性。     

Autonomous navigation of service spacecrafts on geostationary orbit using GNSS signals

In this paper we consider the possibilities of navigation of spacecrafts designed to service artificial Earth satellites on the geostationary orbit and of space debris removal in the near-Earth space using the signals of Global Navigation Satellite Systems. We have formulated the methodology for estimation of the signals availability of navigation satellites on the geostationary orbit through the utilization of almanac of GPS and GLONASS. It has been demonstrated that in the case of reception of navigation signals, which are radiated by the antenna system within the limits of main lobe of the radiation pattern (RP), the availability of satellite navigation signals on the geostationary orbit is very low even if we utilize GPS and GLONASS simultaneously. We present the simulation results of the received on the geostationary orbit navigation satellites using the signals radiated in the main lobes in the range from ±13.8 to ±23.5° for the L1 frequency, from ±13.8 to ±26° for the L2/L5 frequencies and in the side lobes in the range from ±30 to ±60° of RP of the satellite antennas. The simulation of the navigation satellites available on the geostationary orbit is given on the 24-hour time interval. Presented results are illustrated by the calculations of number of visible satellites and by the geometric factor.     

一种星载GPS接收机设计及测试

为解决星载GNSS接收机具备高动态信号的跟踪与锁定功能,基于自行研发的星载GPS导航接收机,通过软件升级使其能够工作在LEO、GEO和更高轨道高度上,实现更快的信号捕获能力和对微弱信号的跟踪能力。文中给出了接收机的软硬件架构及功能描述,以及低轨道高动态条件下的模拟器测试结果,通过测试表明,文中给出的接收机具有高动态、微弱GNSS信号的捕获跟踪性能,具备星载搭载条件。     

iGPS导航技术的探索分析研究

本文分析了iGPS系统在导航应用及GPS增强方面的特征和优点。通过对iGPS系统构架、时间同步、导航终端的多普勒定位算法等关键技术的分析,从以下三个方面总结了iGPS对低轨星导航系统建设的借鉴意义:在系统构架设计方面减少系统对地面站点依赖增加系统灵活自主性运行能力;在工作体制方面,采用自主信号播发和中高轨卫星导航增强信号的转发,增加系统的抗干扰能力;导航终端可采用多普勒测量定位,减少对可见星数量约束。     

基于DOR侧音信号的条纹搜索算法

针对深空航天器在某些运行阶段轨道预报精度不够的情况,利用航天器下行差分单向测距(DOR)侧音信号的特点,论述了用于时延模型重建的条纹搜索算法的原理,并对算法流程进行了详细说明和仿真。结果表明,该算法能够精确提取两测站间的时延差和多普勒频差,为时延和时延率模型的精确重构创造了必要条件,从而可以正确引导相关器数据处理,实现对深空航天器的精确导航。     

在多模卫星导航接收机中集成IRNSS

IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)是印度独立开发的区域卫星导航系统， 由 3 颗 GEO(Geostationary Orbit)卫星和 4 颗 IGSO(Inclined Geo-synchronous Orbit)构成，目前已经发射 3 颗卫星，整个系统预计于 2015 年建成。IRNSS 建成之后将对南纬 30°至北纬 50°、东经 30°至东经 130°的区域提供准确的定位服务，集成 IRNSS 的多模卫星导航接收机将对上述区域的用户带来更好的服务。本文描述了 IRNSS 卫星星座、信号特点、调制方式，分析了 IRNSS 的 SPS 信号与其他卫星导航系统信号的差别，给出了在多模导航接收机芯片上集成 IRNSS 的方式。     

面向低轨通信星座的导航定位方法比对研究

当前基于低轨卫星的导航定位方法研究成为国内外热点,其中基于低轨通信卫星的导航定位技术更是当前研究的重点方向。然而低轨通信星座较低的时空基准精度给导航定位带来了较大的挑战,针对弱时空基准约束的低轨卫星导航定位体制设计还处在研究的初级阶段。本文针对低轨通信星座的导航定位服务需求,基于LEO通信卫星的伪码测距信号与多普勒测频信号,开展精度因子（Dilution of Precision,DOP）及定位精度均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）分析,并对两类测量体制下的低轨通信星座导航定位服务性能进行分析论证。理论分析与仿真结果表明,在设定低轨通信卫星10 m～30 m弱时空基准误差的约束下,多普勒测频体制具有更优的导航定位精度,其周期平滑后的三维RMSE值为1.28 m,相比伪码测距体制下的三维RMSE值优化了86.8%;二维RMSE值为0.99 m,相比于伪码测距体制提升了52.9%。本文提出了一种较为可靠的低轨通信星座多普勒定位方案,为未来低轨通信卫星用于导航定位服务提供了有益参考。