低空空域通用航空飞机机载导航监视终端设计

针对通用航空飞机低空雷达监视存在盲区及广播自动相关监视（ADS-B）设备成本高的问题,提出以“北斗”卫星导航系统和移动公共网络通信相结合的低空空域通用航空飞机导航监视系统。系统利用“北斗”/GPS双模导航接收机获取载体位置等信息,通过移动公共网络通信系统和“北斗”卫星导航系统相互补充的通信机制可靠地将机载信息发送至地面指挥中心,并能够接收地面指挥中心的指令。考虑到“北斗”卫星导航系统通信资源的问题,系统设计了在移动公共网络通信处于盲区时导航位置等信息存储功能。系统具有成本低、与其他机载设备无电气交联等特点。相关成果对我国在低空空域通用航空飞机导航监视终端的研究具有一定的参考价值。     

基于BDS的ADS-B报文生成系统

目前国际民航组织（ICAO）和美国航空无线电技术委员会（RTCA）有关广播式自动相关监视（ADS-B）标准中的报文数据源均规定来自全球定位系统（GPS）,而中国自主建设的“北斗”卫星导航系统（BDS）作为ADS-B数据源是必然趋势。设计了基于BDS的ADS-B报文生成系统的总体架构,利用BDS接收机接收的真实数据仿真生成了ADS-B的6种报文,并以空中位置报文的生成为例,详细阐述了报文产生涉及的关键技术以及报文的生成过程。通过运行集成后的ADS-B报文生成系统以及对所产生的6种报文的仿真验证,证明该系统总体设计思路合理,运行结果正确,可为基于BDS的ADS-B相关技术研究提供稳定可靠的ADS-B报文源。     

基于1090ES的机载ADS-B设备总体设计

介绍了1090ES ADS-B系统组成和信号格式,提出了一种基于1090ES一次变频的超外差中频数字化ADS-B设备总体实现方案,包括天线、收发分机、终端分机和机内测试电路设计,计算了关键技术参数,并简述了其主要技术特征。该方案目前已在工程中得到应用,效果良好。     

“北斗”卫星导航系统在低空空域监管系统中的应用

从GPS和“北斗”两套卫星导航系统入手,建立了低空空域监管系统,分为GPS定位、“北斗”卫星通信、低空空域飞行器机载设备、地面控制中心四大模块。随着新一代“北斗”卫星导航系统的组网和完善,可以完全摆脱GPS,只利用“北斗”系统来实现低空空域的导航与检测,建立一个产权自主、功能完善、管理便捷的监管系统,在解决高空交通拥堵难题的同时创造巨大的社会经济效益。     

“北斗”救生终端海上自适应功率退避算法

受海况、浸水、结冰、对星等因素影响,飞行员海上遇险后报位可靠性较低,工作时长较短。为此,提出一种自适应功率退避方法,在对报位影响因素分析基础上,利用深度神经网络,通过对经纬度、高度、俯仰角、方向、加速度、速度、浸水、信号、电量等多维度数据进行学习,拟合出覆冰、浪涌、液面等信号特征与环境特征联想模型,自适应控制信号发射时机,实现功耗的有效控制。试验表明,该方法将通信成功率及工作时长分别由36.3%、6.0 h提升至73.3%、8.6 h。     

弱信号下“北斗”接收机NH码的快速捕获

在全球卫星导航系统(GNSS)中,延长相关累积时间可以有效提高弱信号捕获灵敏度,但是“北斗”中圆地球轨道/倾斜地球同步轨道（MEO/IGSO）卫星信号的捕获性能很大程度上受到二次编码(NH)码的影响：调制NH码的信号在每一个码元周期(1 ms)内都有可能发生跳变,对相关累积时间造成一定影响,从而会导致系统捕获灵敏度的下降。为此,提出了一种针对NH码的码元遍历搜索算法,通过遍历累积时间内NH码的所有组合,消除NH码码元引起的误差。实验结果显示,所提算法可以在一定程度上提高卫星信号的捕获成功率,尤其可以至少提高2 dB弱信号的捕获灵敏度。同时,算法可以为信号跟踪提供更加准确的载波频率。     

多SIM卡复用的“北斗”通信终端设计

为了扩大“北斗”一代终端的应用范围,降低使用成本,提出了一种多SIM卡复用的“北斗”终端设计方案。采用FPGA+ARM的硬件结构,将SIM卡增加至多张,通过软件设计实现数据自动分片和多张SIM卡的协同工作,提高“北斗”终端的数据传输速率。该方法已成功运用于野外油气井远程监控系统中。     

基于IMM-EKF的高动态“北斗”导航信号频率估计算法

高动态环境下的“北斗”导航信号含有较大的多普勒频率及其变化率,传统锁相环（PLL）在跟踪时难以保证较高的跟踪精度。在分析高动态环境下“北斗”信号模型的基础上,提出了一种基于交互式多模型-扩展卡尔曼滤波（IMM-EKF）的自适应滤波算法,对载波相位及其高阶分量进行估计。IMM-EKF采用多个跟踪模型来解决滤波过程中单个模型不准确的问题,并结合改进的Sage-Husa自适应算法,在线估计和修正过程噪声及测量噪声的统计特性,增强了滤波的稳定性。仿真结果表明,IMM-EKF相比于PLL和EKF,估计精度更高,算法稳定性更强。     

基于松弛改进FastICA算法的星基ADS-B信号分离

星基广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B）系统覆盖空域广,星载接收机所接收的信号信噪比低、信号间的功率差异小,ADS-B报文在接收机处的冲突更加严重,对信号分离算法提出了更高要求。针对基于负熵的快速独立成分分析（Fast Independent Component Analysis,FastICA）算法存在的局部极大值和收敛依赖于初始权值的问题,在FastICA算法中引入了松弛因子,采用松弛改进的 FastICA算法对星基ADS-B信号进行分离。阐述了松弛改进FastICA算法对星载ADS-B接收机接收到的混合信号进行分离的机理,并进行了仿真实验,通过相关系数、迭代次数和误码率比较了松弛改进FastICA算法、经典FastICA算法和投影算法的性能。仿真结果表明,松弛改进FastICA算法能更有效地分离星基ADS-B混合信号。     

标校机便携式测试系统的设计与实现

分析了“北斗”一号标校系统现状,指出了当前标校系统所面临的问题,提出了解决问题的方法,设计并实现了标校机便携式测试系统。整个系统软硬件有机结合,具有体积小、重量轻、携带操作使用方便的优点,特别适用于现场测试,保障了标校系统设备能正常可靠地服务于“北斗”一号卫星导航定位系统。     

扩充1090ES数据链容量的相位调制技术

对广播式自动相关监视（ADS-B）系统的1090ES脉位调制信号做脉内调相,可在不增加发射次数、不占用新的频段、不影响现有ADS-B系统运行的情况下增加信号的数据传输能力。论证了两种可能采用的1090ES数据链扩容方法,说明了选择相位调制实现扩容的原因。讨论了相位调制扩容1090ES信号需解决的几项关键技术,包括扩容信号的调制,信号的接收、解调和解码,信号的同步,数据的校验码设计,可行性及安全性评估。针对多发单收的突发通信特点,提出了一种按偏差分区的载波粗同步方法;针对相位突变引起的频谱扩展问题,提出了一种相位线性过渡的解决方法。     

基于ADS-B意图信息的航迹预测改进算法

在飞行冲突探测和恶劣天气情况下,单纯利用跟踪滤波算法无法准确判断目标飞机未来的飞行动态。为了有效提高航迹预测精度,针对广播式自动相关监视（ADS-B）信息中意图信息对航迹的影响,提出了一种基于ADS-B意图信息的航迹预测改进算法。该改进算法先通过残差均值交互式多模型（RMIMM）算法,推算出目标飞机的飞行状态参数和飞机运动模式,再结合天气状况、飞行计划和空中交通管制规章进行意图估计,最后通过飞行状态参数、飞机运动模式以及意图信息共同预测目标飞机的航迹。运用蒙特卡洛方法进行仿真,结果表明,与现有算法相比,该改进算法不仅能提供更加精确的航迹预测,而且降低了意图推断的时间延迟。     

基于SSR和ADS-B混合监视的机载编队防撞系统设计

由于设备性能的限制,民航飞机目前使用的机载防撞系统TCASⅡ不能适用于编队飞行防撞。为了解决飞机编队飞行防撞以及与民航飞机TCASⅡ兼容的问题,给出了一种基于二次雷达(SSR)和ADS-B混合监视的机载编队防撞系统的设计方案。该方案采用了TCAS主动监视和被动监视相结合的方法,利用唯一的24位S模式地址来识别和归类目标飞机,将TCAS的监视数据和ADS-B的监视数据进行数据融合来完成对目标飞机的监视和跟踪。通过将大型编队划分为多个编队单元的方法,由长机负责保持各个编队单元之间的安全间距。采用收发器将长机产生的位置保持和碰撞避免的操纵指令通过高频数据链路传送给各个编队单元,各个编队成员按照操纵指令调整自己飞机的位置,完成对整个编队的位置保持和碰撞避免的集中控制和分散执行。该方案可以为机载编队防撞系统的设计和实现提供参考和帮助。     

GNSS空间覆盖性仿真分析

全球导航卫星系统（GNSS）对空间用户的应用价值在于GNSS信号对空间的覆盖性能,这不仅取决于星载信号发射器的信号辐射角范围,而且取决于用户自身的最小观测角。针对该问题,对GNSS空间覆盖性原理进行了分析,给出了判别依据,然后对GPS、GLONASS、GALILEO系统、北斗区域服务系统、“北斗”全球导航系统及“北斗”与其他GNSS组合共8种仿真方案,不同轨道高度用户的空间覆盖性进行了仿真。在实际应用中,可以根据仿真结果针对不同的应用任务选取不同的卫星星座或选取多星座互操作,以保证最大同时可见卫星数,从而更好地提升GNSS卫星星座的应用价值。     

一种采用ADS-B技术的通用航空防撞系统

为适应快速发展的通用航空对避撞的迫切需求,在基于广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B）的通用航空监视系统的基础上构建了通用航空防撞系统,该系统与无人机和运输航空一体化构建。结合ADS-B工作范围广和通用航空防撞复杂的特点,提出并构建了包括紧急避撞、一般避撞和提前避撞的三级避撞系统。分析了避撞系统中区域的划分,给出了避撞处理流程,讨论了每一级避撞需求及其关键算法。     

干扰条件下的“北斗”信号解扩重构DOA估计

在干扰条件下,卫星导航抗干扰波束形成算法往往需要卫星信号波达方向（Direction-of-Arrival,DOA）的先验信息。但当存在低信噪比信号或主动干扰源时,常规的DOA估计算法性能急剧下降甚至失效。针对此问题,提出了一种被干扰信号压制的低信噪比“北斗”信号的DOA估计算法。该算法首先通过对接收信号进行子空间投影抑制干扰信号,然后对抑制干扰后的信号进行解扩重构处理,最后通过多重信号分类算法完成对“北斗”信号的DOA估计。仿真结果表明,在干扰信号干信比80 dB条件下,“北斗”信号DOA估计误差在5°以内,为下一步进行波束形成计算提供了高精度的入射角信息。     

“北斗”卫星导航系统仿真与全球覆盖分析

为了解“北斗”卫星导航系统（BDS）的星座分布及其正式运行后卫星在全球范围内的覆盖情况,依据BDS卫星轨道参数,使用卫星工具包（STK）构建了完整的BDS空间星座,对BDS卫星轨道信息、可见性以及对地覆盖品质进行分析。在对可见性及覆盖品质的分析中,分别仿真分析了在4个不同的城市和全球范围进行观测得到的几何精度因子（GDOP）和导航精度等参数性能。研究结果对分析BDS系统的服务性能以及提高BDS的导航精度有一定的参考意义。     

一种新的通用航空机载防撞逻辑设计方法

由于机载防撞系统(TCAS)是针对具有较大垂直高度变化率的大型飞机设计的,系统设定条件和与之相关的解脱建议并不能适用于通航飞机。针对通用航空的防撞问题,提出了一种基于马尔可夫决策过程(MDP)的防撞逻辑设计方法。首先,将飞机空中相遇过程的动态模型转换为离散转移函数;然后,基于防撞系统结果事件末端效用函数进行MDP建模,采用动态规划方法导出了最优防撞逻辑的迭代方程;最后,给出了通航飞机最优化防撞逻辑的设计流程并对最优防撞逻辑进行了计算机仿真。仿真结果表明,通过调整效用比参数可以在保证安全性能的同时有效降低系统告警率。在垂直相遇高度小于30 m的相遇过程占比高达18〖WT《Times New Roman》〗%〖WTBZ〗的情况下,当告警率大于0.85时系统的碰撞概率仅为2.88×10-4左右。该设计方法对我国在低空空域通用飞机防撞系统的研究具有一定的参考价值。