基于跳频扩谱的卫星导航测距新方法

As a vital enabling technology in military field, the satellite navigation systems are vulnerable to jamming. We propose to leverage the new generation of military communication (milcom) satellites to boost the anti-jamming performance of the navigation service. With precise ranging capability based on frequency-hopping spread spectrum, milcom satellites can be integreted with the navigation satellites. The major obstacle to such a proposal lies in the fact that there is no solution yet to realize precise ranging with non-coherent fast frequency hopping spread spectrum in the “one transmitter and one receiver” mode. We put forward a new idea called in-band differentiation to accommodate the non-coherent receiving scenario and identify three major issues with the design of a new phase-based ranging approach, including the construction of efficient ranging signals, the method of obtaining the initial phases and the transmission mechanism of navigation messages. We propose a new ranging method called differential time frequency matrix (DTFM). With three new mechanisms called time-frequency matrix, baseband phase coupling and M-ary frequency shift keying, DTFM is expected to determine the pseudo-range between the satellite and the receiver directly. Research findings in this proposal will not only make it possible for milcom satellites to provide FHSS-based anti-jamming ranging service, but provide a new approach to enhancing the anti-jamming capability of the satellite navigation service.

卫星导航系统对于军事应用至关重要，但很容易受到干扰威胁。考虑到新一代军事通信卫星能够对抗强干扰，本项目提出利用这种卫星增强导航服务的抗干扰能力。实现这一设想的前提是用户能够通过接收跳频通信卫星的信号而测量自己到达卫星的距离，其主要障碍是目前还缺乏这样的精确测距方法。在高速跳频体制下，用户通常采用非相干方式接收卫星信号，其中的未知相位偏移使“一发一收”的精确测距难以实现。本项目提出基于带内差分机制解决非相干接收条件下的未知相位偏移消除问题，并据此设计一种新的相位测距方法：差分时频矩阵法。项目研究差频信号的设计、差频信号初相获取以及导航电文传递等三个方面的问题。通过时频矩阵、基带相位耦合和多进制频移键控等机制，项目有望实现用户到军事通信卫星的测距功能。项目成果不仅将填补跳频扩谱测距的技术空白，而且将为增强导航服务的抗干扰能力提供一条崭新的途径。

卫星导航系统对于军事应用至关重要，但很容易受到干扰威胁。考虑到新一代军事通信卫星能够对抗强干扰，本项目提出利用这种卫星增强导航服务的抗干扰能力。实现这一设想的前提是用户能够通过接收跳频通信卫星的信号而测量自己到达卫星的距离，其主要障碍是目前还缺乏这样的精确测距方法。在高速跳频体制下，用户通常采用非相干方式接收卫星信号，其中的未知相位偏移使“一发一收”的精确测距难以实现。为此，本项目设计了一种新的基于跳频信号的测距方法。通过时频矩阵、双音二进制频移键控等机制，项目实现了用户到军事通信卫星的测距功能。.项目的主要成果是：.1）基于高速跳频信号提出了一种适用于卫星导航场景的测距方法时频矩阵测距方法。在“一发一收”的测距结构下，时频矩阵方法在跳频信号的不同跳安排不同频率间隔的双音信号，联合多跳信号构建时频矩阵用于解算伪距，克服了双音信号测距面临的测距精度与覆盖范围之间的矛盾。同时基于双音信号的时频矩阵克服了信号初相对测距的影响，无需关心信号初相，简化了设计。基于时频矩阵测距方法军事通信卫星可以利用高速跳频信号实现较高精度的伪距测量。.2）推导了时频矩阵测距方法伪距估计的近似均方误差作为分析时频矩阵测距方法性能的工具。伪距估计的近似均方误差它可以在整个信噪比区间描述时频矩阵测距方法性能，可用于分析预测时频矩阵测距方法的门限效应，为使用时频矩阵测距方法的系统参数设计提供了有效的方法。.3）突破了“一发一收”测距结构下导航电文传递的关键技术，提出了基于双音二进制频移键控的时频矩阵测距方法，在测距的同时实现导航电文的传递。研究结果表明，该方法与时频矩阵测距方法具有相当的测距精度。.这些成果为构建基于军事通信卫星的跳频导航系统奠定了技术基础，在军事抗干扰领域具有重要意义。