高速飞行器等离子体鞘套下导航信号及系统特性研究

发布时间：2017-07-31 14:03

  本文关键词：高速飞行器等离子体鞘套下导航信号及系统特性研究

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【摘要】：高速飞行器在稀薄大气中以超高声速飞行时,与周围空气剧烈摩擦,高温产生空气电离,使表面包裹了一层等离子体鞘套。等离子体鞘套对电磁波信号具有吸收、反射、折射、散射等作用,严重时产生信号中断,形成所谓“通信黑障”。等离子体鞘套严重影响飞行器中通信、探测、导航等电子系统工作,特别是广泛应用的卫星导航系统,载频低、发射功率低,等离子鞘套及高速飞行环境伴随着的高动态带来的大多普勒及其变化率对导航信号产生诸多影响,严重时接收系统不能正常工作。因此高速飞行器下的导航信号及其接收系统特性的研究具有重要的理论意义及实际价值。等离子体鞘套对导航信号传输具有典型的幅度衰减和相位移动作用,其影响程度主要与鞘套的电子密度、碰撞频率参数及卫星导航信号的频率、体制等相关。研究认为幅度衰减是导致卫星导航中断的主要原因,当衰减大于接收系统的功率阈值时导航失效,但是对于这一问题缺乏系统研究,而且缺乏相关的实验验证。目前GPS导航系统属于调相体制,动态等离子体鞘套下对信号相位特性及导航特性影响的研究展开较少,高机动飞行大动态多普勒变化对接收机同步环路会产生影响,本文重点针对动态等离子体鞘套对导航接收系统的影响、鞘套下信号相位特性以及等离子鞘套和高机动飞行大动态多普勒耦合环境下的导航接收系统特性展开研究。本文从飞行器等离子体鞘套和高动态两方面进行导航信号及接收系统特性的理论和实验研究。主要工作有:1.提出了等离子体鞘套环境下的GPS导航信号载噪比计算模型,研究了等离子体鞘套环境下的GPS导航信号衰减特性及其对接收系统的影响。阐述了等离子体下电磁波信号幅度衰减的计算方法,分析了幅度衰减与导航接收信号的接收功率、载噪比之间的关系;采用实验室环境下的可产生大面积、均匀、长时间持续的地面等离子体模拟装置和GPS导航收发设备搭建系统,进行了等离子体环境下电磁波信号的幅度衰减实验,验证了实验装置的等离子体鞘套的电子密度可对GPS信号及系统造成中断,进行了不同电子密度的等离子体鞘套对GPS导航接收机性能的影响实验;并在此实验系统基础上,在实验室环境下持续再现了GPS导航系统正常接收信号、黑障产生、持续黑障、重新通信的过程。并采用衰减器进行了不同幅度衰减对GPS导航接收机性能的影响实验,验证了实验测量结果与理论研究结果的一致性。2.提出了中频段等离子体鞘套GPS导航信号及系统分析模型,研究了等离子体鞘套下GPS导航信号的相位特性及对接收系统的影响。分析了在导航信号中频部分研究附加相位移动对系统影响的可行性,计算了等离子体鞘套引起导航信号的相位移动数值,采用Hilbert方法建立了附加相位移动的导航信号模型,并进行了后续的导航解算,给出了等离子体鞘套引起的相位移动对定位结果的影响规律。3.提出了大动态多普勒环境下同步环路的改进方法。改进了高速飞行器下GPS接收机内部捕获和跟踪环路。计算了高速飞行器环境对GPS卫星信号造成的大多普勒频移及其变化率,比较了导航接收机的捕获和跟踪方法,分析了高速飞行器对导航信号及接收系统的主要影响因素为大衰减、大动态二者的共同作用,并在此二者影响因素的基础上对捕获和跟踪环路进行了改进:采用了辅助的方法,提供卫星编号、搜索频率和导航数据位辅助信息,减少搜索范围,延长积分时间,提高累积增益获得更低载噪比的信号;同时改进跟踪环路,也采用了辅助信息,延长积分数据长度,并将二阶环路滤波器改进为三阶滤波器,最终保证卫星信号解码的正确性与同步性,提高了接收机的性能。
【关键词】：等离子体鞘套 导航接收系统 相位移动 幅度衰减 同步环路
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V219
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-17
• 缩略语对照表17-22
• 第一章 绪论22-32
• 1.1 研究背景和意义22-24
• 1.2 国内外研究进展24-29
• 1.2.1 导航系统的研究进展24-25
• 1.2.2 等离子体鞘套对导航信号及系统特性影响的研究进展25-27
• 1.2.3 复杂环境下导航接收机同步环路算法的研究进展27-29
• 1.3 论文内容安排29-32
• 第二章 导航接收系统原理及等离子体鞘套下的导航信号传输理论32-50
• 2.1 引言32
• 2.2 GPS导航接收系统构成及其应用原理32-37
• 2.2.1 GPS信号组成及接收机构成33-34
• 2.2.2 接收机的射频前端34-35
• 2.2.3 接收机的基带信号处理35-36
• 2.2.4 接收机的导航解算36-37
• 2.3 等离子体鞘套的产生机理及基本参数37-40
• 2.3.1 等离子体鞘套的产生机理与特性37
• 2.3.2 电子密度37-38
• 2.3.3 碰撞频率38-39
• 2.3.4 角频率39-40
• 2.4 等离子体下的电磁波传输理论与计算方法40-44
• 2.4.1 电磁波在均匀等离子体中传播的透射系数40-42
• 2.4.2 电磁波在非均匀等离子体中传播的透射系数42-44
• 2.5 等离子体鞘套下的GPS导航传播实验基础44-48
• 2.5.1 激波管44-45
• 2.5.2 电弧风洞45
• 2.5.3 等离子体鞘套地面装置45-47
• 2.5.4 等离子体鞘套中碰撞频率的诊断47-48
• 2.5.5 等离子体鞘套中电子密度的诊断48
• 2.6 本章小结48-50
• 第三章 等离子体鞘套环境下GPS导航信号衰减特性及对接收系统的影响研究50-64
• 3.1 引言50
• 3.2 等离子体鞘套下导航信号幅度衰减特性的理论分析50-53
• 3.2.1 信号幅度衰减与接收功率的关系50-51
• 3.2.2 信号幅度衰减与载噪比的关系51-52
• 3.2.3 等离子体鞘套下导航信号的幅度衰减52-53
• 3.3 等离子体鞘套下的GPS导航实验的方案53-59
• 3.3.1 实验系统构成53-54
• 3.3.2 实验参数设置54-56
• 3.3.3 实验内容和方法56-59
• 3.4 等离子体鞘套下的GPS导航实验的结果分析59-62
• 3.4.1 电子密度对信号幅度衰减的实验结果分析59-60
• 3.4.2 信号幅度衰减与载噪比的实验结果分析60-61
• 3.4.3 信号幅度衰减导致的接收机指标的实验结果分析61-62
• 3.5 本章小结62-64
• 第四章 等离子体鞘套下GPS导航信号相位特性及对接收系统的影响研究64-84
• 4.1 引言64
• 4.2 等离子体鞘套下GPS导航信号相位特性的理论分析64-71
• 4.2.1 等离子体鞘套引起的信号相位移动对GPS信号的影响研究机理64
• 4.2.2 等离子体鞘套引起的信号相位移动的数值计算64-68
• 4.2.3 建立附加相位移动的GPS信号模型68-70
• 4.2.4 引入附加相位移动的GPS信号处理70-71
• 4.3 等离子体鞘套引起的信号相位移动的仿真结果分析71-82
• 4.3.1 均匀非时变等离子体鞘套引起的信号相位移动对导航的影响分析71-74
• 4.3.2 再入等离子体鞘套引起的信号相位移动对导航的算例分析74-77
• 4.3.3 宽参数范围下时变等离子体鞘套引起的信号相位移动对导航的影响规律77-82
• 4.4 本章小结82-84
• 第五章 高速飞行器GPS接收机内部捕获跟踪环路的改进84-102
• 5.1 引言84
• 5.2 高速飞行器GPS卫星信号的多普勒频移及其变化率的数值计算84-88
• 5.3 高速飞行器导航接收机捕获环路的改进88-92
• 5.3.1 GPS接收机信号捕获原理88
• 5.3.2 高速飞行器导航接收机的捕获方法比较及改进88-90
• 5.3.3 捕获环路改进后的结果分析90-92
• 5.4 高速飞行器导航接收机跟踪环路的改进92-101
• 5.4.1 GPS接收机跟踪环路构成及机理92-97
• 5.4.2 高速飞行器导航接收机跟踪环路的改进方法与改进参数97-98
• 5.4.3 跟踪环路改进后的结果分析98-101
• 5.5 本章小结101-102
• 第六章 结论和展望102-104
• 6.1 本文的研究结论102-103
• 6.2 后期的研究展望103-104
• 参考文献104-112
• 致谢112-114
• 作者简介114-115

【参考文献】

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本文编号：599490