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关键词： 北斗卫星导航系统   恒温晶振   PID控制算法   卡尔曼滤波  

摘要： 时间信息是现代科学技术发展不可忽略的组成部分,高稳定性、高精度的时间信息对于社会经济、航天、军事及通信等领域都有着极其重要的作用。当前市场上主要的驯服守时系统均采用GPS的1PPS信号作为参考信号,但由于没有自主权,因此在战略层面上有一定风险。北斗卫星导航系统是由中国自主研发的卫星系统,能够为需要使用时间信息的领域提供稳定可靠的高精度时间信息。由其发送的1PPS信号具备良好的长期稳定性,在驯服恒温晶振(OCXO)时将其作为参考信号,对改善恒温晶振长期稳定性差的缺点有着显著作用。本文设计了一种以北斗1PPS信号为参考信号的本地守时模块,主要工作内容如下:1.守时模块的硬件电路进行模块化设计,包括单片机电路、北斗接收机电路、恒温晶振电路以及电源等,有效降低了模块的硬件设计难度。2.针对北斗卫星信号在传播过程中受到的外界干扰而噪声的抖动,提出使用中位值平均滤波、卡尔曼滤波两种算法对测得的时间差数据进行二次滤波,有效消除北斗信号中的噪声干扰。3.对于经过二次滤波处理的时间差数据选择用计算量小的PID控制算法进行处理,通过该算法计算出对恒温晶振的数字控制量,将控制量经DA转换器转换为模拟电压输入到恒温晶振的压控端(VCO),使恒温晶振输出高稳定性、高精度的频率。4.守时模块在失去参考信号后进入守时模式,读取驯服模式时存储的历史时间差数据,并通过卡尔曼滤波算法对时间差数据进行预测,并将其转换为控制量输入到恒温晶振,从而使得系统持续输出高精度的1PPS信号。最后对守时模块的性能进行测试,通过测试结果发现,守时模块经过驯服后恒温晶振能够输出高精度的10 MHz频率,北斗接收机部分能够实现良好的定位功能并输出高精度的北斗1PPS信号,守时模块在进入守时模式5小时后输出的1PPS信号与北斗1PPS信号之间的时间差数据小于50μs。

关键词： 北斗卫星导航系统   北斗接收机   干扰   抗窄带干扰   抗宽带干扰  

摘要： 随着北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)全面建成和迅速发展,在军事和民用应用领域,人们对北斗接收机收到的卫星信号精确性和稳定性要求越来越高。由于空间电磁环境日益复杂,各种类型干扰广泛存在,严重影响了卫星导航系统的应用。如何在干扰环境中维持系统正常运行,实现高精度定位导航,成为当前卫星导航领域研究的热点问题。 本文在分析干扰源的基础上,从接收机抗窄带干扰技术和抗宽带干扰技术两方面进行研究,对其中若干算法进行详细分析,主要工作如下: 1.在基于时域和变换域的抗窄带干扰技术研究中分析研究了三种滤波技术。在时域自适应IIR滤波技术中,对Gauss-Newton算法进行改进,通过仿真验证,改进的Gauss-Newton算法能够更快的收敛和减小稳态误差;在时域自适应FIR滤波技术中,通过自适应FIR滤波器结构设计和对最小均方(LMS)算法进行变步长因子改进,提高了抗干扰性能,针对收敛因子的大小会影响稳态系数和算法的收敛速度,本文通过递归最小二乘(RLS)算法分析及仿真,有效解决了干扰频点的零陷问题。在变换域干扰抑制技术中,采用基于N-sigma的门限切除算法解决干扰检测阈值的问题,通过IIR滤波仿真结果表明:采用多个二阶IIR滤波器级联的方法,在IIR滤波器级联超过4个情况下,可抗单干扰干信比85d B的干扰。 2.在抗宽带干扰技术研究中,针对阵列天线信道幅度和相位不一致会导致阵列天线性能出现偏差的情况,通过采用变步长LMS算法对阵列天线信道进行校正设计,不仅可以有效解决问题,而且易于工程实现。针对空频二维抗干扰技术,对B3频点抗宽带干扰能力仿真分析得出结论:单宽带干扰可抗119d B,三宽带干扰可抗90d B;对S频点抗宽带干扰能力仿真分析得出结论:单宽带干扰可抗98d B,三宽带干扰可抗80d B。 3.完成基于FPGA+DSP组合的自适应抗干扰总体框架的设计,对各个模块进行功能设计,其中自适应算法模块是整个抗干扰系统中最重要的模块,在此基础上分析了影响自适应抗干扰的因素。

关键词： 北斗卫星导航系统   精密单点定位   载波相位零基线自差分   载波相位重构   多普勒重构  

摘要： 随着北斗三号系统正式建成,为北斗精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)关键问题的研究提供了新的平台,目前北斗卫星导航系统在交通、农业、林业、渔业以及电力等多个行业领域有广泛的应用。PPP相比于RTK(Real Time Kinematic)技术因仅需单台接收机就能实现高精度定位而具有明显优势,是当前卫星导航的研究热门,具有巨大的理论研究价值和实用价值。PPP技术有着广泛的技术前景,例如无人机编队、船舶航海等。传统的PPP技术虽然能有效地提高定位精度,但是收敛时间过长成为制约其走向实时化和商用化的关键问题,针对这一问题,本文进行了深入研究,并取得了阶段性进展。PPP快速收敛的改善,为PPP走向应用迈出了坚实的一步,既发展了PPP理论体系,同时也为北斗在国际上率先实施PPP实时化和商用化奠定了理论基础。 本文的主要研究内容包括: 1.从消除载波相位整周模糊度的角度出发,在传统载波相位差分的基础上,通过伪距单点定位所确定的初始历元接收机坐标,进行载波相位零基线自差分,并建立了载波相位零基线自差分的无电离层组合PPP数学模型。为了保证接收机初始历元坐标的精度,提出了基于多普勒重构的载波相位平滑伪距方法,相比于传统的载波相位平滑伪距和多普勒观测值平滑伪距的方法,既解决了周跳的影响,也提高了伪距的精度。通过大量实验表明,相比于常用的PPP方法,本文所提出的方法有效提高了PPP的收敛速度。 2.充分挖掘PPP的本质含义,不借助地面增强站网和低轨卫星导航增强等外力,从制约PPP快速收敛与定位精度的关键因素(如整周模糊度固定、系统残余误差等)出发,本文提出了载波相位重构的PPP快速收敛方法:利用多普勒产生原理和星上PPP实时精密星历服务,通过多普勒重构,巧妙地把PPP快速收敛问题转化为伪距噪声如何快速抑制问题,并发现了协方差矩阵的迹均值导数与收敛时间的一致性数学关系,进一步提出了伪距重构和带阻尼因子的Kalman滤波这一伪距噪声双加速抑制机制。利用该原理和方法使BDS-3/GPS双频双系统PPP收敛精度优于20 cm时,收敛时间优于1 min。通过BDS-3/GPS的大量实测数据,有效验证了这一结论的正确性。PPP快速收敛的进展,为PPP走向应用迈出了关键的一步。

关键词： 目标导引   高斯克吕格投影   坐标转换   位置预测  

摘要： 无人机技术的日渐成熟,给各行各业带来极大便利。近年来层出不穷的无人机“黑飞”事件,却严重影响了机场的运行安全。机场的雷达可以在数千米外发现非法无人机,但是需要地面人员配合进行目标处置。目前地面巡管人员主要依靠人眼观察和跟踪非法入侵的无人机,缺乏对无人机进行指示和导引的装置。为此,本文基于目标坐标转换算法、位置预测算法以及姿态融合算法,研究与设计一种以雷达探测结果为依据的目标导引装置,为巡管人员提供无人机方位的指示和导引,以便及时发现和跟踪目标。要得到目标与装置位置的相对关系,本文首先对导航定位中常用的坐标系以及坐标转换方式进行研究,通过基于高斯克吕格投影的目标坐标转换算法,解算出目标与装置之间的斜距、方位角和俯仰角。雷达周期性转动搜索目标,装置接收的目标空情信息也是周期性更新,为了提高装置对动态目标的导引精度,先对目标位置进行时间补偿,再根据目标位置随时间的变化规律,采用最小二乘法对目标下一时刻的位置进行预测,并以线性插值的方式输出导引信息。为了获得目标位置与装置当前指向的方位及俯仰角度差值,本文对装置采用的GNSS板卡定位定向原理进行研究,然后对GNSS环境干扰问题进行分析,并提出相应改善措施。在GNSS板卡定向失败时,采用MEMS姿态传感器,通过姿态数据融合的方式为装置提供辅助的姿态信息。最后,在相关理论基础上完成目标导引装置的软硬件设计。装置通过无线电通信设备接收指挥调度系统下发的目标空情信息和雷达地理位置信息,结合GNSS定位定向板卡获得的装置地理位置信息,进行目标坐标转换及预测。同时采用GNSS定位定向板卡和MEMS姿态传感器测量装置当前指向的方位及俯仰角度,得到实际目标与装置当前指向的方位及俯仰角度差值,发送给观瞄设备和移动终端软件,引导地面巡管人员发现和跟踪目标。通过对目标导引装置进行实际的测试,验证了装置对静态目标的指示精度为1°;对飞行速度达到15 m/s的动态目标,装置的导引指示精度为3°。

关键词： 卫星共视   北斗卫星导航系统   时间比对   时钟同步  

摘要： 随着科技的快速发展,信息技术、社会经济、国防安全等领域对时钟同步的要求越来越高,迫切需求一种兼具精度、速度和稳定性的时钟同步技术。时钟同步的前提是时钟比对,卫星共视法是一种通过导航卫星进行时钟比对的方法,其具有精度高、传输距离远且稳定性好的特点,目前远程时钟比对常用基于GPS的卫星共视法,但传统的卫星共视法不仅存在观测死区时间,还因为事后交换数据而存在严重的滞后性。本文基于我国自主建设的北斗卫星导航系统,提出了可以实时比对的卫星共视法,并使用这种方法设计基于嵌入式平台的卫星共视与时钟校准系统,完成了用户站时钟与远程标准站时钟的实时同步。相关的研究工作有: (1)分析时频传递技术基本原理。研究几种典型的时频传递方法,给出每种方法的原理和主要应用领域。从卫星定位方法出发,详细推导基于卫星导航系统的时频传递技术的原理,解释卫星共视时钟同步技术具有高精度和高稳定性的原因。 (2)改进卫星共视的方法,实现无死区的实时时钟比对。针对传统卫星共视法以16分钟为比对周期,每个周期中还存在3分钟的观测死区时间的问题,提出一种以100秒为比对周期的无间断比对方案,使用GPRS网络在站点之间实时传输每个比对周期的共视数据,并在共视数据中设计了“卫星掩码”,用于加快数据处理速度。 (3)提高卫星共视法的时钟比对精度。针对卫星信号传输过程中受到的大气层传播时延、相对论效应等多种误差因素,研究不同的方法进行修正。基于改进的卫星共视方法,设计处理每秒观测数据的曲线拟合算法和处理每周期观测数据的卡尔曼滤波算法,减小测量结果的不确定度。 (4)研究基于北斗卫星共视法的时钟实时同步系统。使用接收机观测北斗系统卫星,在嵌入式平台中设计处理共视数据的硬件模块,编写相关算法的软件程序,搭建了由标准站和用户站组成的时钟比对链路,并在用户站设计时钟控制模块,实现用户时钟与标准时钟的实时同步。 最后对本文研究的基于北斗卫星共视法的时钟实时同步系统进行测试和分析,结果表明该系统的时钟比对准确度优于2ns,标准差小于0.7ns,根据时钟比对结果进行校准后,用户时钟与标准时钟的相对频率偏差小于1×10-11。该系统的设备成本低,使用便捷,能够进行高精度的时钟同步,既建成了时频传递链路,又丰富了北斗卫星导航系统的应用场景。

关键词： BDS   增强定位   VRS   参考站整周模糊度   功率谱密度  

摘要： 增强定位方法利用参考站的观测数据对参考站覆盖区域和周边的用户提供误差改正信息,消除或削弱用户站观测值误差,达到加快收敛速度,提升定位精度的目的。本文提出的基于非差误差改正数的BDS增强定位算法使得各参考站生成的误差改正数独立,参考站上各颗卫星的误差改正数独立,与已有的基于双差改正数的增强定位方法不同,基于非差误差改正数的增强定位方法定位模型简单,最大限度的保留了参考站观测值本身的误差特性,同时生成非差格网化VRS观测值能更好的满足海量用户的高精度定位需求,具体的研究内容如下:(1)对增强定位数据处理中的关键阶段进行介绍,数据预处理是增强定位首先要面临的问题,直接决定着定位性能的好坏,首先对观测数据的预处理方法进行介绍。观测误差的消除和削弱是用户高精度定位的关键,从卫星端误差、接收机端误差、信号传播路径误差三个方面对观测误差的来源及消除方法进行介绍。在数据预处理和误差改正的基础上,对用户端整周模糊度的估计和定位进行介绍。为保证用户端定位性能的可靠,最后对用户端质量控制方法进行介绍。(2)通过载波相位观测值的线性组合分离出电离层观测值来反映电离层的变化,但观测值中电离层的变化趋势往往被观测值噪声所影响,特别是时间间隔较小时,时间差分电离层变化往往被观测噪声所淹没,从电离层观测值中提取电离层变化的关键是对观测值噪声的削弱。通过实验表明电离层变化符合随机游走,观测值噪声符合白噪声的特性,依据两者随差分间隔的不同变化特性,建立严密的数学关系式分离电离层功率谱密度(Ionospheric power spectral density,IPSD)和观测噪声。B1&B2、B1&B3得到的电离层观测值分离的IPSD相关系数达到了0.9以上,表明了分离IPSD的准确性。分离的IPSD一方面可以用来研究电离层的时变特性,另一方面通过分离的IPSD对定位模型中的电离层参数施加更为合理的约束,提升增强定位算法的性能。(3)在电离层时间相关性和IPSD研究的基础上,验证实时估计的IPSD对参考站整周模糊度固定性能的影响。与经验值IPSD相比,实时估计的IPSD在参考站模糊度固定时间上平均提升25.5%,在模糊度固定成功率上提升7.8%,参考站模糊度固定的性能要远远优于经验值的方法。在参考站双差整周模糊度固定的基础上,估计单个测站上的非差整周模糊度和非差误差改正数,内插用户的误差进行高精度定位。同时通过虚拟参考站的准确坐标和非差误差改正数来生成格网点虚拟观测值供海量用户自主定位,用户只需要选择距离最近的格网点进行观测值差分即可实现误差改正和高精度定位。(4)用户高精度定位依赖于参考站非差误差改正数对于用户误差的改正,但也存在参考站无法生成误差改正数的情况。此时可以利用较远的参考站进行单参考非差误差改正数的用户定位,用户端大气延迟误差不能得到很好的消除,需要在定位参数中增加大气延迟参数。通过大气参数的加权模型来实现对用户站大气参数的约束,建立适用不同长度基线的单参考站用户统一定位模型。同时通过实时估计的电离层功率谱密度对电离层参数的随机游走过程进行调整来提升单参考站用户的定位性能。该论文有图78幅,表24个,参考文献138篇。

关键词： 北斗卫星导航系统   RDSS   航空发动机状态监视   短报文通信性能   等效载噪比  

摘要： 北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)具有卫星无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service,RDSS)与卫星无线电导航业务(Radio Navigation Satellite System,RNSS)的双重功能,两者的结合给用户提供定位测速功能的同时,还可以提供短报文通信服务。针对当前航空发动机状态监视领域中空地传输手段不完善的问题,本文设计了一种基于北斗的航空发动机健康管理系统方案,该方案将北斗卫星导航系统与航空发动机状态监视相结合,以RDSS短报文通信技术为主要手段,实现航空发动机状态参数的有效传输。 首先,论文概述了北斗RDSS通信机制与北斗接收机组成,以等效载噪比对信号在干扰下的接收性能进行评估,其中通过设置接收机预检测积分时间、相关器间距等相关参数,对RDSS信号接收过程中的信号捕获、信号跟踪、信号解调进行仿真分析。仿真结果表明,改善北斗接收机相关参数会降低干扰及噪声对接收过程的影响,从而提高RDSS信号接收性能。 其次,参考原有的北斗基础定位协议和基础通信协议,设计了北斗飞行参数报文与航空发动机状态参数报文。针对课题设计需求,使用MFC编程软件搭建了基于北斗的航空发动机健康管理系统,其中包括北斗机载终端系统和北斗地面监视系统这两个子系统。机载终端系统主要具有通信申请与定位申请功能,地面监视系统负责收到下属飞机用户的定位信息以及通信信息,并将状态参数报文进行解析,提取相关状态参数后通过接口存入数据库,以供查询分析。 然后,为了验证北斗三号短报文通信性能的可靠性,本文设计了北斗短报文通信性能测试方案,先是估计了所需测试报文数,分析测试指标并使用编程软件实现北斗RDSS性能测试软件。接着以天津为测试地点,通过北斗指挥型用户机和北斗车载终端用户机进行短报文通信遮挡测试。 最后,对测试数据进行统计分析,得到传输成功率、传输延时与传输丢包率等相关指标,并通过实测数据对不同条件下的短报文通信性能进行分析评估。

关键词： 天地一体化信息网络   北斗卫星导航系统   位置密钥   接入认证与重认证  

摘要： 当前,新一轮科技革命正在加速推动数字化经济的崛起,移动通信技术作为数字化经济的重要组成部分,其快速发展激发了用户多样化复杂化的通信需求。天地一体化信息网络作为移动通信技术的重要应用之一,为灾难救援、远洋勘探等领域提供了全域无阻隔的通信服务,提高了信息技术的综合效益,促进了全球经济和社会的产业变革。接入认证是维护网络安全的最重要的一道防线,其目的是防范未经授权的用户访问天地一体化信息网络获得服务,确保接入网络的用户设备身份合法性。因此接入认证机制对于保障天地一体化信息网络的稳定运行和数据安全传输至关重要。随着卫星网络和地面通信网络深度融合,卫星网络具有通信容量受限、节点高度动态、星地间链路传输时延大等特点使其更具挑战性,因此传统地面通信协议难以直接应用到卫星网络中。具体地,北斗用户设备容易被攻击者捕获,从而导致设备的主密钥泄露,攻击者可以通过该设备接入北斗卫星网络,非法获得服务,可能导致严重的安全问题。此外,现有认证协议更依赖地面网络控制中心的辅助,很少考虑到卫星网络的鲁棒性和无地面参与情况下的用户设备接入认证的实际需求,无法保障当地面通信基础设施瘫痪时通信系统容灾性和可靠性。 针对以上需求,本文提出了天地一体化网络中多类型卫星终端接入认证及重认证协议,具体工作如下: (1)调研现有北斗用户设备安全接入卫星网络的协议,针对现有北斗用户设备接入安全协议中认证时延长、用户身份隐私缺乏保护等缺陷,设计一种增强型北斗用户设备接入认证协议,利用北斗位置报告的独特性,结合用户设备的位置信息和主密钥形成双因子,实现用户设备和北斗指控中心之间的双向认证和会话密钥协商,在一定程度上避免了认证过程中用户设备被俘获所导致主密钥泄露的安全问题。通过BAN逻辑和Scyther进行协议形式化验证,结果表明所设计的方案可以实现所述的安全需求并抵御常见的各种协议攻击。此外,对方案进行性能分析,结果表明所提出的方案具有较低的认证开销,适于节点资源受限的北斗卫星导航系统。 (2)针对当前用户设备接入认证机制均需要地面参与带来较大的通信延迟以及可扩展性差等问题,提出了一种地面缺省场景下的用户设备接入认证及重认证协议,并进一步针对用户设备认证过程中可能发生断电重新连接和AV不同步等问题,提出了断电重连场景下的用户设备快速认证机制和AV快速安全同步机制,实现了用户设备在无地面参与条件下仍能够安全地接入卫星网络获取相关服务。利用初次接入认证中发给卫星的AV向量来完成用户设备与卫星之间的双向认证和会话密钥协商,无需网络控制中心的参与,保障了当地面通信基础设施瘫痪时的通信系统容灾性。通过BAN逻辑和Scyther进行形式化验证表明所提的方案可以实现双向认证、密钥协商以及抵抗常见的协议攻击,性能分析结果也表明所提出的方案具有较小的信令、计算、带宽以及存储开销。

关键词： 盲区估计   航班全球追踪   北斗卫星导航系统   航班状态估计   简单循环单元  

摘要： 追踪盲区指的是在使用卫星、甚高频、高频等通信链路对航空器进行追踪时受到外部环境和设备等因素的影响,容易出现信号不稳定或无信号覆盖的区域。马航MH370航班失联事件的发生,使得国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)要求各个成员国推动航空器全球追踪监控体系建设。然而,当航空器处于航班追踪盲区时,航空承运人无法获得航空器追踪的自动位置报告,极大地影响到航空承运人在对航班进行追踪时的效率。因此,本文将对航班追踪过程中存在的追踪盲区展开范围估计算法研究。同时对航班实时飞行过程中、盲区内和出盲区边界的航班状态预测算法进行研究。 (1)针对追踪盲区范围估计算法研究,本文在北斗短报文数据中叠加以ACARS(Aircraft Communications Addressing and Reporting System)作为追踪手段的盲区数据实现盲区范围的初始设定,建立并训练北斗短报文航班追踪盲区范围估计模型。最后,将测试数据输入至训练完成的模型中,实现航班追踪盲区的拟合与误差分析。 (2)针对航班实时飞行过程中的状态预测算法研究,本文基于简单循环单元(Simple Recurrent Unit,SRU)神经网络建立Pre-SRU航班状态预测模型,对处于飞行任务航班的状态进行实时预测。首先利用历史的北斗短报文数据搭建并训练SRU神经网络航班状态预测的预训练模型,将预训练完成后模型中的参数进行保存。当接收到执行飞行任务的航空器下发的北斗短报文数据时,使用获取到的实时航空器状态信息对预训练模型中的参数进行微调,最后,使用微调后的模型实现该航空器状态预测。 (3)建立航班追踪盲区内缺失数据预测模型。当使用Pre-SRU航班状态预测模型预测出航空器将进入盲区时,利用实时获取的北斗短报文数据输入至微调后的多步预测Pre-SRU模型中,实现航空器在盲区内及出盲区的时间、位置以及状态信息的预测。 实验结果表明:使用本文给出的追踪盲区范围估计算法能对航班追踪盲区进行有效估计。同时,使用本文给出的Pre-SRU模型对航班状态进行预测,能够起到提升航班实时飞行过程中、盲区内和出盲区边界的航班状态预测准确度的作用。

关键词： 自动引导车   北斗卫星导航系统   双目相机   视觉同步定位与建图   惯性导航  

摘要： AGV即自动引导运输车(Automated Guided Vehicles),其作为自主的无人驾驶运输工具,被广泛应用于运输、医疗、服务业等各个领域。目前AGV的研究聚焦于实现自主完成任务,导航技术则是其重中之重。 北斗卫星导航系统(BDS)具有定位精度高、作业范围广、系统建设便捷、成本低廉的优点,在传统已知环境下较为可靠。然而,在信号遮挡或遇强电磁干扰等情况时,定位精度将大幅降低,甚至在完全遮挡的环境中无法进行定位。针对弱BDS信号下持续导航的问题,本文对双目视觉SLAM技术以及惯性导航技术进行了研究,通过将BDS技术与其他导航定位技术组合的方式,扩展AGV的应用场景与工作效率。本文的主要工作内容和成果如下: 首先,针对AGV纯惯导系统误差积累的的问题,设计了BDS/IMU组合导航系统,针对BDS/IMU组合导航系统模型及噪声参数不确定性引起的模型误差,提出了一种噪声参数优化方法对EKF算法进行改进,抑制系统模型误差及观测粗差对组合导航系统稳定性的影响。通过使用导航数据进行测试分析,结果表明,该方法可提升BDS/IMU组合导航系统的稳定性及导航定位精度。 其次,针对BDS系统在遮挡环境下无法持续输出信号导致精度难以维持的问题,设计了一种BDS/IMU/VSLAM组合导航系统。为保证系统的实时性要求,对ORBSLAM3模型进行简化,并添加视觉信息滞后补偿,以保证系统的精确度。通过数据集进行测试分析,结果表明,该组合方式能有效改善单系统导航的精度,同时能够处理BDS信号中断的问题,实现持续导航。 最后,自主设计搭建了硬件平台进行数据采集,通过模拟卫星信号失锁的场景,验证了组合导航系统的稳定性与持续导航能力。