高精度导航与抗干扰技术
随着全球导航卫星系统（GNSS）技术的飞速发展，其在高精度定位与信号处理领域的应用日益广泛，成为推动现代导航、测绘、智能交通及航空航天等领域进步的重要力量。GNSS以其全球覆盖、高精度、高可靠性和实时性等特点，在多个行业中发挥着不可替代的作用。同时，随着无人驾驶、物联网、智慧城市等新兴技术的兴起，对GNSS高精度定位的需求日益增长，推动了GNSS信号处理技术的不断创新和发展。本专题聚焦于优化导航系统以提升定位精度、稳定性和可靠性，包括超紧组合导航技术的最新进展、高动态环境下的性能提升策略，以及先进传感器的集成与应用。此外，针对日益复杂的电磁环境带来的干扰挑战，专题深入分析了多种先进的抗干扰技术，旨在确保导航信号在复杂环境中的稳定接收。这些研究成果不仅丰富了高精度导航技术的理论体系，也为实际应用场景提供了有效的技术支持和解决方案。
关键词：
2023, 45(5):48-59.
DOI: 10.11887/j.cn.202305006
摘要:
卫星/惯性超紧组合导航系统以其定位精度高、动态性能优良、抗干扰能力强等特性成为组合导航领域的研究热点。介绍了卫星/惯性超紧组合的定位原理,基于对技术原理的分析,比较超紧组合模式相对于其他组合模式的优势特点；以高动态下超紧组合技术及卫星/微惯性单元超紧组合为代表介绍国内外研究现状；总结了亟待研究的容错控制技术、神经网络辅助、多传感器辅助超紧组合等关键技术,并对卫星/惯性超紧组合向着低成本、高精度、强稳定趋势发展的前景进行展望。
卫星/惯性超紧组合导航系统以其定位精度高、动态性能优良、抗干扰能力强等特性成为组合导航领域的研究热点。介绍了卫星/惯性超紧组合的定位原理,基于对技术原理的分析,比较超紧组合模式相对于其他组合模式的优势特点；以高动态下超紧组合技术及卫星/微惯性单元超紧组合为代表介绍国内外研究现状；总结了亟待研究的容错控制技术、神经网络辅助、多传感器辅助超紧组合等关键技术,并对卫星/惯性超紧组合向着低成本、高精度、强稳定趋势发展的前景进行展望。
2023, 45(6):90-99.
DOI: 10.11887/j.cn.202306013
摘要:
针对全球导航卫星系统接收机面临的分布式间歇干扰威胁，全面准确地分析了基于采样矩阵直接求逆方法的空时自适应处理（space-time adaptive processing，STAP）的抗干扰性能。在建立性能分析模型的基础上，根据间歇干扰造成的采样协方差矩阵不匹配情况，通过分类评估、梳理归纳、理论推导全面分析了不同情况下STAP的性能。分析结果表明在采样长度小于闪烁周期且使用预采用处理方法时，空时自适应处理器会出现漏采样，干扰抑制性能会急剧下降，漏采样出现的频率为各干扰闪烁频率之和。数值和仿真分析验证了理论分析的结果，在此基础上讨论了考虑分布式间歇干扰时STAP的优化设计。
针对全球导航卫星系统接收机面临的分布式间歇干扰威胁，全面准确地分析了基于采样矩阵直接求逆方法的空时自适应处理（space-time adaptive processing，STAP）的抗干扰性能。在建立性能分析模型的基础上，根据间歇干扰造成的采样协方差矩阵不匹配情况，通过分类评估、梳理归纳、理论推导全面分析了不同情况下STAP的性能。分析结果表明在采样长度小于闪烁周期且使用预采用处理方法时，空时自适应处理器会出现漏采样，干扰抑制性能会急剧下降，漏采样出现的频率为各干扰闪烁频率之和。数值和仿真分析验证了理论分析的结果，在此基础上讨论了考虑分布式间歇干扰时STAP的优化设计。
2023, 45(6):143-149.
DOI: 10.11887/j.cn.202306016
摘要:
为提高单基准站短基线相对定位解算的可靠性，研究了多基准站约束的相对定位算法。将基准站间可提前测量的先验基线信息融入观测模型中，给出了多基准站相对定位的函数模型和随机模型，在此基础上推导了模糊度精度因子的解析表达式，揭示了基准站数量的增加对模糊度浮点解精度提升的作用；从理论上分析了基准站间先验基线信息中的偏差对模糊度解算的影响，分析表明，当先验基线各分量偏差的绝对值之和小于5 cm时，模糊度解算几乎不受影响；通过仿真和实测数据进行了验证。试验结果表明，增加基准站数量不仅能有效提升模糊度解算成功率和收敛速度，并且对先验基线信息中的偏差具有较好的抑制作用，当基线各分量偏差均增加到4 cm时，实测数据模糊度解算成功率仍能达到92%以上。研究结论为特殊场景下多基准站间的快速非精确标定提供了理论依据。
为提高单基准站短基线相对定位解算的可靠性，研究了多基准站约束的相对定位算法。将基准站间可提前测量的先验基线信息融入观测模型中，给出了多基准站相对定位的函数模型和随机模型，在此基础上推导了模糊度精度因子的解析表达式，揭示了基准站数量的增加对模糊度浮点解精度提升的作用；从理论上分析了基准站间先验基线信息中的偏差对模糊度解算的影响，分析表明，当先验基线各分量偏差的绝对值之和小于5 cm时，模糊度解算几乎不受影响；通过仿真和实测数据进行了验证。试验结果表明，增加基准站数量不仅能有效提升模糊度解算成功率和收敛速度，并且对先验基线信息中的偏差具有较好的抑制作用，当基线各分量偏差均增加到4 cm时，实测数据模糊度解算成功率仍能达到92%以上。研究结论为特殊场景下多基准站间的快速非精确标定提供了理论依据。
2023, 45(5):72-77.
DOI: 10.11887/j.cn.202305008
摘要:
由于卫星端信号发射功率小、信号传播损耗大,到达接收机的卫星导航信号极其微弱,容易被干扰。为有效应对电磁干扰的威胁,在系统层面和用户层面同时采取抗干扰措施将是一种很好的选择。建立调零抗干扰接收机抗干扰能力分析模型,并定量分析信号功率增强对调零抗干扰接收机抗干扰性能的提升效果。结果表明:信号功率每增强10 dB,接收机抗干扰能力可提升3～4 dB,但从提高接收机非极限条件下的接收性能(载噪比、测距定位精度等)的角度,信号功率增强15～20 dB时,接收性能最优。研究成果可为卫星功率增强量的优化设计以及终端抗干扰设计提供参考。
由于卫星端信号发射功率小、信号传播损耗大,到达接收机的卫星导航信号极其微弱,容易被干扰。为有效应对电磁干扰的威胁,在系统层面和用户层面同时采取抗干扰措施将是一种很好的选择。建立调零抗干扰接收机抗干扰能力分析模型,并定量分析信号功率增强对调零抗干扰接收机抗干扰性能的提升效果。结果表明:信号功率每增强10 dB,接收机抗干扰能力可提升3～4 dB,但从提高接收机非极限条件下的接收性能(载噪比、测距定位精度等)的角度,信号功率增强15～20 dB时,接收性能最优。研究成果可为卫星功率增强量的优化设计以及终端抗干扰设计提供参考。
2023, 45(5):78-86.
DOI: 10.11887/j.cn.202305009
摘要:
自旋载体是全球导航卫星系统接收机的一种典型应用。当全球导航卫星系统载体自旋时,旋转产生的高阶动态将导致传统跟踪环路失锁；全球导航卫星系统与惯性导航系统组合可以有效补偿信号的高阶动态。因此,提出了一种利用惯性导航信息辅助卫星导航信号跟踪的超紧组合导航接收机环路设计方法,并分析了惯性导航信息辅助速率、自旋载体转速和信号载波相位误差之间的关系。通过仿真验证了所提接收机环路结构可以有效解决自旋载体接收机的信号跟踪问题,且相比于卫星导航单系统三阶环路而言,所提超紧组合环路结构可以显著提升自旋载体接收机的定位精度。
自旋载体是全球导航卫星系统接收机的一种典型应用。当全球导航卫星系统载体自旋时,旋转产生的高阶动态将导致传统跟踪环路失锁；全球导航卫星系统与惯性导航系统组合可以有效补偿信号的高阶动态。因此,提出了一种利用惯性导航信息辅助卫星导航信号跟踪的超紧组合导航接收机环路设计方法,并分析了惯性导航信息辅助速率、自旋载体转速和信号载波相位误差之间的关系。通过仿真验证了所提接收机环路结构可以有效解决自旋载体接收机的信号跟踪问题,且相比于卫星导航单系统三阶环路而言,所提超紧组合环路结构可以显著提升自旋载体接收机的定位精度。
2023, 45(5):87-94.
DOI: 10.11887/j.cn.202305010
摘要:
针对全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)信道模拟计算量大、硬件资源开销大,不利于实时性能评估和实际工程应用的挑战,提出一种GNSS多径信道模拟的聚类稀疏拟合方案。利用基于K中心聚类信道冲击响应(channel impulse response,CIR)参数萃取的稀疏拟合方法,得到等效精简CIR参数,再以稀疏抽头延迟线结构来实现信道模拟。所提方法在保持多径误差条件下,通过较少抽头数量的抽头延迟线结构滤波器拟合原始GNSS多径信道模型,可以大为简化GNSS信道模型仿真复杂度,而无须庞大的硬件资源。仿真结果表明,通过对参考信道模型生成的信道CIR参数进行稀疏拟合,所提出的方案和方法具有良好的效果。
针对全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)信道模拟计算量大、硬件资源开销大,不利于实时性能评估和实际工程应用的挑战,提出一种GNSS多径信道模拟的聚类稀疏拟合方案。利用基于K中心聚类信道冲击响应(channel impulse response,CIR)参数萃取的稀疏拟合方法,得到等效精简CIR参数,再以稀疏抽头延迟线结构来实现信道模拟。所提方法在保持多径误差条件下,通过较少抽头数量的抽头延迟线结构滤波器拟合原始GNSS多径信道模型,可以大为简化GNSS信道模型仿真复杂度,而无须庞大的硬件资源。仿真结果表明,通过对参考信道模型生成的信道CIR参数进行稀疏拟合,所提出的方案和方法具有良好的效果。
2023, 45(5):105-110.
DOI: 10.11887/j.cn.202305012
摘要:
针对卫星导航接收机中的快扫频干扰抑制问题,提出了一种基于脉冲置零的低复杂度干扰抑制方法,与传统基于时频分析的干扰抑制方法不同,该方法通过低通滤波将时域上连续的快扫频干扰转变为脉冲干扰,并通过脉冲检测与置零对干扰进行抑制。当快扫频干扰处于低通滤波器带内时,被当作脉冲干扰置零；当快扫频干扰处于低通滤波器带外时,被当成带外干扰滤除。理论分析与实验结果表明,该方法相对传统方法的运算复杂度降低了一个数量级,并且能得到与传统方法相近的干扰抑制效果。
针对卫星导航接收机中的快扫频干扰抑制问题,提出了一种基于脉冲置零的低复杂度干扰抑制方法,与传统基于时频分析的干扰抑制方法不同,该方法通过低通滤波将时域上连续的快扫频干扰转变为脉冲干扰,并通过脉冲检测与置零对干扰进行抑制。当快扫频干扰处于低通滤波器带内时,被当作脉冲干扰置零；当快扫频干扰处于低通滤波器带外时,被当成带外干扰滤除。理论分析与实验结果表明,该方法相对传统方法的运算复杂度降低了一个数量级,并且能得到与传统方法相近的干扰抑制效果。
2023, 45(2):87-94.
DOI: 10.11887/j.cn.202302010
摘要:
为分析存在欺骗干扰的场景下GNSS多波束抗干扰接收机的反欺骗性能,提出欺骗抑制比这一性能指标。推导了在快拍数有限的情况下,多波束抗干扰接收机采用最小方差无失真响应(minimum variance distortionless response,MVDR)算法处理后输出真实信号和欺骗信号功率的理论公式。详细分析了欺骗信号到达天线阵口面的功率对真实信号和欺骗信号输出功率的影响。分析得出:即使欺骗信号功率在噪声水平之下,使用MVDR算法的多波束抗干扰接收机依然能对欺骗干扰进行抑制,且在欺骗信噪比高时,抑制效果更加显著。通过仿真和硬件平台实测验证了结论的正确性。
为分析存在欺骗干扰的场景下GNSS多波束抗干扰接收机的反欺骗性能,提出欺骗抑制比这一性能指标。推导了在快拍数有限的情况下,多波束抗干扰接收机采用最小方差无失真响应(minimum variance distortionless response,MVDR)算法处理后输出真实信号和欺骗信号功率的理论公式。详细分析了欺骗信号到达天线阵口面的功率对真实信号和欺骗信号输出功率的影响。分析得出:即使欺骗信号功率在噪声水平之下,使用MVDR算法的多波束抗干扰接收机依然能对欺骗干扰进行抑制,且在欺骗信噪比高时,抑制效果更加显著。通过仿真和硬件平台实测验证了结论的正确性。
2023, 45(2):121-130.
DOI: 10.11887/j.cn.202302014
摘要:
全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)高程时间序列具有非平稳、非线性、含噪声等特点,在深入研究Prophet预测模型的基础上,针对Prophet预测模型对于趋势信号和周期信号有良好预测效果这一特性,提出一种引入经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)的“降噪—分解—预测”组合GNSS高程时间序列预测方法。该方法先将原始时间序列进行EMD降噪,再对降噪后的序列进行分解预测,最后重构各分量预测信号为最终预测序列。通过对实测高程数据进行研究,实验结果表明:降噪后信号的平均信噪比为10.30dB,能量百分比平均为88.75%；利用所构建的短期预测方法,GNSS高程时间序列预测结果的均方根误差分别平均提升26.41%和14.88%；平均百分比误差分别平均提升18.92%和7.91%,验证了组合预测方法的有效性及实用性。
全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)高程时间序列具有非平稳、非线性、含噪声等特点,在深入研究Prophet预测模型的基础上,针对Prophet预测模型对于趋势信号和周期信号有良好预测效果这一特性,提出一种引入经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)的“降噪—分解—预测”组合GNSS高程时间序列预测方法。该方法先将原始时间序列进行EMD降噪,再对降噪后的序列进行分解预测,最后重构各分量预测信号为最终预测序列。通过对实测高程数据进行研究,实验结果表明:降噪后信号的平均信噪比为10.30dB,能量百分比平均为88.75%；利用所构建的短期预测方法,GNSS高程时间序列预测结果的均方根误差分别平均提升26.41%和14.88%；平均百分比误差分别平均提升18.92%和7.91%,验证了组合预测方法的有效性及实用性。
2022, 44(6):109-116.
DOI: 10.11887/j.cn.202206014
摘要:
在战场复杂电磁环境下,卫星导航接收机很容易受到电磁干扰而出现不定位的现象,针对这一现象,提出了一种基于环境感知无人机卫星导航接收机的电磁干扰态势评估方法。以干扰信号的特征参数、导航接收机未受干扰时的接收状态作为预测的输入,以接收机跟踪环路失锁时的效应阈值作为观测目标值,建立了极端梯度提升(extreme gradient boosting, XGBoost)的预测模型。在此基础上,给出了导航接收机电磁干扰态势的等级,提出了导航接收机在单源和双源电磁干扰下的态势评估方法。通过与高斯过程回归和支持向量机回归的预测方法进行比较,结果表明XGBoost方法具有更好的预测精度。依据该预测方法,综合利用技战术方案,有利于提高无人机在复杂电磁环境中的适应能力。
在战场复杂电磁环境下,卫星导航接收机很容易受到电磁干扰而出现不定位的现象,针对这一现象,提出了一种基于环境感知无人机卫星导航接收机的电磁干扰态势评估方法。以干扰信号的特征参数、导航接收机未受干扰时的接收状态作为预测的输入,以接收机跟踪环路失锁时的效应阈值作为观测目标值,建立了极端梯度提升(extreme gradient boosting, XGBoost)的预测模型。在此基础上,给出了导航接收机电磁干扰态势的等级,提出了导航接收机在单源和双源电磁干扰下的态势评估方法。通过与高斯过程回归和支持向量机回归的预测方法进行比较,结果表明XGBoost方法具有更好的预测精度。依据该预测方法,综合利用技战术方案,有利于提高无人机在复杂电磁环境中的适应能力。
2021, 43(4):9-16.
DOI: 10.11887/j.cn.202104002
摘要:
卫星功率增强技术是提高区域导航信号抗干扰性能的一种有效措施,在卫星导航全星座中优选出卫星数量少、服务性能优的功率增强子星座,是新一代卫星导航系统建设迫切需要解决的问题。因此提出基于卫星数最少准则的功率增强子星座优化设计方法,详细介绍设计流程、数学模型及最优解搜索策略；定义了可用性水平、精度水平和覆盖范围等指标评估功率增强子星座性能；以GPS为例,分别针对覆盖点目标和区域目标两种应用背景进行功率增强子星座优化设计及性能评估。分析结果表明:全球范围内任意目标点进行功率增强需要12～17颗卫星；实现对我国沿海地区的连续覆盖需要18颗功率增强卫星；覆盖整个亚太地区则需要全星座24颗卫星都具备功率增强能力,这样才能满足其连续性和精度要求,此时最优功率增强子星座的服务范围可扩充至全球区域。
卫星功率增强技术是提高区域导航信号抗干扰性能的一种有效措施,在卫星导航全星座中优选出卫星数量少、服务性能优的功率增强子星座,是新一代卫星导航系统建设迫切需要解决的问题。因此提出基于卫星数最少准则的功率增强子星座优化设计方法,详细介绍设计流程、数学模型及最优解搜索策略；定义了可用性水平、精度水平和覆盖范围等指标评估功率增强子星座性能；以GPS为例,分别针对覆盖点目标和区域目标两种应用背景进行功率增强子星座优化设计及性能评估。分析结果表明:全球范围内任意目标点进行功率增强需要12～17颗卫星；实现对我国沿海地区的连续覆盖需要18颗功率增强卫星；覆盖整个亚太地区则需要全星座24颗卫星都具备功率增强能力,这样才能满足其连续性和精度要求,此时最优功率增强子星座的服务范围可扩充至全球区域。
