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星载GPS大气掩星开环跟踪技术的设计及验证

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星载GPS大气掩星开环跟踪技术的设计及验证

第九届中国卫星导航学术年会

作者：阚亮韩俊博董娟娟单建峰李向宇刘宪阳航天恒星科技有限公司

低轨LEO大气掩星探测系统可以反演得到地表0km高度范围的大气折射率、温度、压强等参数,大气探测对于我国气象预报、科学研究、军事应用等都有着非常重大的意义。低轨LEO接收到的大气掩星信号由于大气折射率梯度的快速变化,导致大气多... 详细信息

低轨LEO大气掩星探测系统可以反演得到地表0km高度范围的大气折射率、温度、压强等参数,大气探测对于我国气象预报、科学研究、军事应用等都有着非常重大的意义。低轨LEO接收到的大气掩星信号由于大气折射率梯度的快速变化,导致大气多普勒频移和振幅信号的波动剧烈增加。信号幅度的衰减与多普勒频率快速变化双重因素导致一般的锁相环不能正常工作,需要一种更稳定的跟踪技术对掩星信号进行稳定跟踪。本文介绍了一种应用于在轨的GPS大气掩星开环跟踪技术,它与传统的锁相环PLL的重要差别是在观测信号和控制模型之间没有反馈,开环跟踪算法采用轨道预报模型以及大气折射率气候多普勒模型、伪距模型对信号进行跟踪,所以它不受信号变动的影响,具备跟踪多重相位和幅度的能力。低轨LEO大气掩星事件可分为上升掩星事件及下降掩星事件,上升掩星事件没有闭环数据的辅助,难以有效的跟踪捕获,大气掩星开环技术是基于模型伪距及模型多普勒的预报进行信号的捕获跟踪,可解决上升掩星事件难以捕获的问题。本文最后以航天恒星自研的GNSS掩星信号源进行了实际的接收验证,通过与信号源内部的理论文件做对比,预报的多普勒精度优于5Hz,并对大气掩星事件进行了反演处理,折射率的精度优于1%。

关键词：大气层掩星探测开环跟踪反演折射率

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无线电掩星信号的开环跟踪

无线电掩星信号的开环跟踪

中国空间科学学会空间探测专业委员会第十八次学术会议

作者：刘正廷中国科学院空间科学与应用研究中心

本文叙述了在GPS掩星跟踪过程中通过对流层低层时使用开环的必要性,实现开环的手段和方法,以及数据后处理和反演算法等。

关键词：无线电掩星开环跟踪开环辅助

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星基GNSS掩星事件预报方法分析

导航定位学报 2024年第1期12卷 51-58页

作者：刘宾张绍成何友林虢盛中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院武汉430078

针对全球卫星导航系统(GNSS)星基掩星观测时长通常仅有几十秒,特别是在升星掩星观测中,需要快速实现负高度角卫星信号的捕获跟踪,才能获得及时有效的掩星观测时长的问题,基于先验轨道信息辅助的开环跟踪技术,提出一种基于切线高度的掩... 详细信息

针对全球卫星导航系统(GNSS)星基掩星观测时长通常仅有几十秒,特别是在升星掩星观测中,需要快速实现负高度角卫星信号的捕获跟踪,才能获得及时有效的掩星观测时长的问题,基于先验轨道信息辅助的开环跟踪技术,提出一种基于切线高度的掩星事件快速预报方法,以辅助掩星接收机快速捕获和跟踪GNSS掩星信号,从而保证掩星观测数据质量和有效观测时长:对地球局部曲率中心进行修正,得到更为精准的切线高度;然后设置掩星事件的判决条件,采用极值的方式快速预报出符合阈值的掩星事件;最后对全球内曲率中心和曲率半径进行分析。实验结果表明,曲率中心的修正距离最大值可至45 km,曲率半径波动范围可达到65 km,足以影响掩星探测的准确预报。基于气象、电离层和气候星座观测系统(COSMIC-2)实测数据的仿真结果表明,掩星预报的全球定位系统(GPS)掩星漏报率低于3%,格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)掩星漏报率约14.5%,且预报掩星开始时间大多提前5~10 s;证明基于切线高度的掩星预报方法能够有效地应用于星基掩星事件的预报,以辅助接收机准确捕获和跟踪信号,提升掩星观测资料的数据量和有效观测时长。

关键词：全球卫星导航系统(GNSS)掩星掩星预报地球曲率改正开环跟踪气象、电离层与气候星座观测系统(COSMIC-2)

一种改善GPS接收机载波相位连续性的相位预测方法

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大地测量与地球动力学 2018年第12期38卷 1280-1284页

作者：李卓张提升严昆仑祁发瑞武汉大学卫星导航定位技术研究中心武汉市珞喻路129号430079

针对GPS信号受短时遮挡等影响导致载波相位不连续问题,提出一种基于载波开环跟踪的相位预测方法。通过对失锁通道的多普勒进行精确预测实现对载波相位进行开环跟踪,重点改善接收机晶振钟漂对多普勒估计精度的影响。基于软件接收机对该... 详细信息

针对GPS信号受短时遮挡等影响导致载波相位不连续问题,提出一种基于载波开环跟踪的相位预测方法。通过对失锁通道的多普勒进行精确预测实现对载波相位进行开环跟踪,重点改善接收机晶振钟漂对多普勒估计精度的影响。基于软件接收机对该方法进行性能评估,在部分GPS信号连续中断15s情况下,其估计的载波相位误差小于1/4周的概率在90%以上。

关键词：载波相位开环跟踪晶振钟漂多普勒估计相位预测

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面向掩星观测的软件接收机设计

科学技术与工程 2017年第1期17卷 61-67页

作者：罗雪倩严颂华向苗陈能成张训械武汉大学电子信息学院武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室中国科学院武汉物理与数学研究所武汉430072

目前,掩星接收机主要采用硬件构造。随着计算机与电子技术的发展,软件接收机以其可重配置、可扩展性强等优点,显现出对掩星观测数据提取,特别是闭环跟踪失锁情况下的开环跟踪算法研究方面的优势。设计了一种应用于获取载波相位观测值的... 详细信息

目前,掩星接收机主要采用硬件构造。随着计算机与电子技术的发展,软件接收机以其可重配置、可扩展性强等优点,显现出对掩星观测数据提取,特别是闭环跟踪失锁情况下的开环跟踪算法研究方面的优势。设计了一种应用于获取载波相位观测值的软件接收机,包括软件接收机的设计及掩星观测量的提取。在高度为1.5 km的湖北省九宫山进行了现场验证实验,完成了信号的捕获、闭环跟踪、开环跟踪及载波相位观测值的提取,并与硬件接收机输出的结果进行比对,验证了本软件接收机设计的可行性。

关键词：山基掩星软件接收机开环跟踪载波相位观测

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GNSS掩星探测软件设计与实现

计算机应用研究 2018年第3期35卷 807-810页

作者：李星星严颂华袁汉成王浩武汉大学电子信息学院武汉430072

GNSS掩星探测具有全天候观测、高垂直分辨率和全球覆盖等优势。大气环境的复杂性要求掩星接收机既要实时快速,也要参数自适应。基于软件接收机和掩星理论,设计了一种应用于掩星探测的软件接收机,以C/C++为编程语言,实现了掩星信号捕获... 详细信息

GNSS掩星探测具有全天候观测、高垂直分辨率和全球覆盖等优势。大气环境的复杂性要求掩星接收机既要实时快速,也要参数自适应。基于软件接收机和掩星理论,设计了一种应用于掩星探测的软件接收机,以C/C++为编程语言,实现了掩星信号捕获、跟踪、开环处理、提取载波相位、特征多普勒二维重现等算法。软件接收机可以灵活改变开环跟踪算法的参数,可重配性和可扩展性强,可兼容GPS和北斗系统;软件充分考虑了掩星数据的失锁处理和结果的可视化。实测数据验证了软件的有效性。

关键词：掩星探测开环跟踪接收机自适应软件设计

面向城市车道级导航的GNSS标量深组合基带技术研究

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面向城市车道级导航的GNSS标量深组合基带技术研究

作者：祁发瑞武汉大学

学位级别：硕士

导航与位置服务（LBS）已成为继互联网之后发展最快的新兴产业,车载导航作为LBS的主要应用领域,近年来也持续高速增长,无人驾驶更是作为未来汽车的研究方向,是当前科技前沿研究的热点,这些都迫切需要GNSS接收机在城市环境下能提供稳定... 详细信息

导航与位置服务（LBS）已成为继互联网之后发展最快的新兴产业,车载导航作为LBS的主要应用领域,近年来也持续高速增长,无人驾驶更是作为未来汽车的研究方向,是当前科技前沿研究的热点,这些都迫切需要GNSS接收机在城市环境下能提供稳定可靠的定位结果。然而由于楼群、高架、树荫等的遮挡,导致传统GNSS接收机跟踪性能下降,多径干扰等造成定位精度差,无法提供稳定的车道级定位结果,因此,本文利用GNSS深组合技术,从基带信号处理和定位技术两方面出发,提升接收机性能。基带信号处理层面,首先利用并行码相位捕获算法,减少捕获时间,结合INS先验信息,提升捕获性能。其次提出无辅助跟踪环路中的弱信号跟踪技术—NonCoh-FFT,可实现在弱信号动态场景下正常跟踪多普勒频率变化。接下来研究了城市环境下的标量深组合跟踪技术,对开环跟踪技术进行理论分析,并以STIM300为例进行了仿真,并提出了新的深组合跟踪环路信号强度检测方法—SNR-FFT,验证了在实测环境下可有效检测信号能量的变化并相应调整环路策略;针对实测环境中存在码环收敛速度慢、锁相环错误锁定的情况,通过自适应带宽调整和SNR-FFT输出频率误差补偿的方法进行优化;研究了城市环境下多源融合辅助深组合技术,通过里程计信息限制INS基带辅助多普勒误差发散,并通过测试表明该方法切实可行。最后,给出了城市环境下矢量深组合实现,并对环路跟踪性能和影响因素进行了分析。定位解算层面,首先从观测量提取方面进行改善,给出了弱信号下的位同步和帧同步技术确保能准确的给出发射时间,对于INS深组合接收机,当有INS辅助信息时,可以利用INS短期精度来改善观测量粗差。其次,利用伪距差分技术提升定位精度,并通过深组合接收机中的INS信息来设置观测量权重,测试结果显示加权伪距差分定位技术进一步提升伪距差分定位技术在复杂城市环境下的导航定位精度。最后,针对城市车载导航,利用车辆约束来限制INS在无GNSS观测量时的误差发散。最后,设计实现了一套GNSS深组合软件接收机,从基带和定位结果两方面对软件接收机性能进行测试。基带性能测试首先给出了无辅助信息环路性能测试,对比测试了NonCoh-FFT和SFFT跟踪环的灵敏度性能和动态性能,在一般车载动态下其灵敏度性能小于20 dB-Hz;其次给出了深组合跟踪环路性能测试,通过仿真测试,部分卫星遮挡时,深组合环路开环跟踪多普勒误差不会发散,伪距误差在10 min达到80 m;全部卫星遮挡时开环跟踪误差受INS误差和钟漂共同影响,发散更快;而全部卫星遮挡时多源辅助深组合环路开环误差主要受钟漂的影响,INS误差发散影响基本可以忽略。定位性能测试从观测量、定位结果、多传感器融合结果三个方面和EVK-M8U进行对比,整体性能和典型场景对比结果表明,GNSS深组合软件接收机性能均优于EVK-M8U,并且深组合接收机多源融合结果定位误差的RMS达到1.099 m,实现了车道级精度。

关键词： GNSS深组合车载导航开环跟踪动态弱信号跟踪车辆约束

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LEO-LEO掩星信号接收技术研究

LEO-LEO掩星信号接收技术研究

作者：冯梓宸中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

学位级别：硕士

掩星探测技术是临近空间环境探测的重要手段。GNSS-LEO掩星技术从20世纪90年代中期开始应用于地球临近空间和电离层探测,并取得了丰硕的成果。由于受到电离层的影响,GNSS-LEO掩星技术无法有效开展60km以上中性大气探测。为了解决这一问... 详细信息

掩星探测技术是临近空间环境探测的重要手段。GNSS-LEO掩星技术从20世纪90年代中期开始应用于地球临近空间和电离层探测,并取得了丰硕的成果。由于受到电离层的影响,GNSS-LEO掩星技术无法有效开展60km以上中性大气探测。为了解决这一问题,我们提出一种可应用于60km0km中性大气的LEO-LEO掩星探测技术。到目前为止,国际上还没有实际运行的LEO-LEO掩星探测系统,国内对LEO-LEO掩星探测系统的研究大多是针对掩星特性的仿真研究或轨道参数的仿真研究,尚没有公开文献发表关于LEO-LEO掩星的发射机或接收机研究。本文利用软件无线电技术开展LEO-LEO掩星信号接收技术研究,设计并研制成功了一套LEO-LEO掩星接收机原理样机,实现了高动态、高精度的掩星信号开环/闭环跟踪与幅度、相位信息提取。测试结果表明,相位测量精度达到0.12mm(10k Hz带宽),多普勒测量范围达到3MHz,多普勒频率变化率测量范围达到144k Hz/s,满足60-90km中性大气探测需求。

关键词： LEO-LEO掩星掩星接收机闭环跟踪开环跟踪软件无线电

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低空目标双雷达联合定位方法研究

飞行器测控学报 2013年第5期32卷 389-392页

作者：常兴华 92941部队

针对海上靶场雷达对低空、远距离小目标的测量数据中存在大量的地海杂波干扰,陆海结合试验环境复杂,大气参数难以精确测量,电波折射修正困难,多径影响较大,以及自身的开环跟踪模式等因素,导致雷达俯仰角测量误差较大的问题,在充分利用... 详细信息

针对海上靶场雷达对低空、远距离小目标的测量数据中存在大量的地海杂波干扰,陆海结合试验环境复杂,大气参数难以精确测量,电波折射修正困难,多径影响较大,以及自身的开环跟踪模式等因素,导致雷达俯仰角测量误差较大的问题,在充分利用靶场雷达测量网布站特点的基础上,提出了一种利用2台雷达共有段落的方位角和斜距信息,构建双雷达联合定位模型,完成目标弹道解算的方法。实测数据与仿真数据综合测试表明,通过使用该方法可有效解决雷达俯仰角测量信息超差对整体测量结果的影响,同时提高了靶场雷测数据处理的精度和可靠性。

关键词：联合定位低空目标开环跟踪弹道解算