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1、星载双频软件GPS接收机研究中国科学院空间科学与应用研究中心博士学位论文星载双频软件GPS接收机研究姓名:廖炳瑜申请学位级别:博士专业:空间物理学指导教师:林宝军;袁洪20050601摘要摘要年月日,一期神舟四号飞船发射成功后,对飞船轨道进行了四次单频、和联合观测。定轨径向精度优于米,满足预定任务指标要求。二期飞船综合精密定轨项目对定轨的精度提出了更高的要求。单频接收机无法直接进行电离层传播时延观测,电离层传播时延改正方法又不足以满足定轨的精度要求,所以必须开展星载双频接收机的研究。本文主要研究面向星载用户的高性能双频接收机的解决方案和具体实现。在目前的条件下,考虑和北斗等其他导航系
2、统的兼容,研究出适合于航天器使用的高精度双频接收机。要求接收机可以工作于高动态、弱信号的环境下,实现的/码伪距、.载波相位、。载波相位以及电离层时延的跟踪输出,为后续的应用提供基础。本文首先研究基于软件无线电的通用导航接收机的体系结构。基于软件无线电的通用导航接收机,采用宽频天线等通用的硬件平台,通过加载不同的应用程序实现不同的功能,解决现有的几种卫星导航系统融合问题,兼容包括北斗导航系统、俄罗斯的导航系统欧洲的伽俐略导航系统等卫星导航系统。基于软件无线电的通用导航接收机有着传统接收机所没有的众多优点。由于软件接收机数据存储的特点,接收机可以实现非常复杂的算法,从而在精度、抗干扰、弱
3、信号处理等方面有着极大的优势。本文接着研究了基于软件无线电技术的接收机的信号捕获和跟踪算法。此算法充分考虑了星载接收机多普勒频移大、换星快、掩星条件下信号弱、电离层传播时延变化范围大的特点,可以很好地适应星载高动态的工作环境。本文还研究了的波段载波跟踪算法。由于技术的影响,通常的途径无法实现的波段跟踪。本文通过对技术的进一步深入研究,获得了‖码的时序特性。把对系统频段信号传统的无码跟踪转变为在码辅助下的半无码跟踪。这从根本上改变了载波跟踪的方法,相对于平方、交叉等跟踪方法,大幅度地提高了跟踪的信噪比。在此基础上,本文设计了全新的基于贝叶斯滤波器的动态跟踪模型。这个模型是基于概率意义上
4、的最优化滤波模型,可以在高动态和强干扰的条件下工作,可以最大程度克服由于模型误差和模型的非线性性带来的收敛性等问题,同时也进一步地提高了跟踪的信噪比。测试的结果表明,本文提出的跟踪算法在技术条件可以获得和授权用户基本一致的跟踪性能。本文研究的星载双频软件接收机完全自主开发,是二期精密定轨、无线电大气掩星探测等的技术基础,有着广阔的应用前景,也为下一步高性能航天应用导航接收机的开发打下了良好的基础。关键字:高动态技术双频软件无线电贝叶斯滤波器英文摘要Ⅳ,.?,.,.’’,?.,?..,./,.,,.?.,,.,?.,,,,...,.,,..,.,星塾翌塑竺堡堕堡坚塑堡塞?.,?,..,
5、.,...,,.?..,.,:,,?,,第一章基础和背景第一章基础和背景。背景和意义一期工程神舟四号飞船上安装的雷达高度计是我国首次进行空间飞行的微波测高仪,它所测量的海面高度、有效波高、海面风速等参数可以用于海洋动力学研究的各个领域,如海洋大地水准面测量、海洋重力场探测、海洋大中尺度环流监测、厄尔尼诺现象监测等等许多方面,是目前能对全球范围的海水、海冰表面拓扑进行全天候、连续、实时高精度测量的唯一手段,对全球自然灾害研究和军事应用意义十分重大,对于我国遥感技术的应用和发展也具有非常重要的意义。由于高度计测量的是飞船到海面的相对距离,如果要得到海平面到地球基准椭球面的距离就必须精确地
6、测量飞行器的位置,因此精密定轨任务就显得十分重要。工程应用系统于年月成立了神舟四号飞船综合精密定轨专项任务。综合精密定轨的目的是为轨道舱上安装的多模态微波遥感器的高度模态高度计测量提供精确的轨道位置。总体技术指标要求在定轨区域内,飞船轨道径向误差为至米。综合精密定轨采用了联合、和三种观测数据,并加以精密电离层传播时延改正的综合精密定轨方案。年月日,神舟四号飞船发射成功后,共进行了四次单频、和联合观测。我国激光网第一次成功地对我国首颗安装了激光反射器的神舟四号飞船进行了激光跟踪观测,获得了厘米级观测数据。数据后处理结果表明:,满足预定任务指标要求,这是国内目前达到的最高定轨定轨径向精度
7、优于精度。综合精密定轨为多模态微波遥感器的高度模态测量提供了精确的轨道位置,对研究神舟飞船的轨道特性也有重要价值,也可推广到其它空间对地观测应用。二期飞船综合精密定轨项目对定轨的精度提出了更高的要求。由于单频无法直接进行电离层传播时延观测,其他的电离层传播时延改正方法已不足以满足定轨的精度要求。固而二期飞船综合精密定轨必须以船载软件无线电双频接收机加卫星激光测距为主要手段。精密定轨也是飞船空间交会对接等二期关键技术实现的基础。无线电掩星大气探测也是二期工程
