現(xiàn)代化導(dǎo)航信號高精度建模與接收技術(shù)研究.pdf

1、導(dǎo)航戰(zhàn)對軍民信號頻譜分離以及用戶對系統(tǒng)服務(wù)能力提升的需求推動了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號體制的發(fā)展?，F(xiàn)代化的導(dǎo)航信號采用了大量新技術(shù)，包括使用BOC、MBOC、AltBOC等調(diào)制技術(shù)以及增加導(dǎo)頻通道等。現(xiàn)代化導(dǎo)航信號的高精度建模和高性能接收技術(shù)是決定下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和用戶接收機性能的重要因素。對此，論文展開了如下方面的研究：
　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單個頻點存在多個信號分量，用戶接收的相關(guān)峰同時受單個信號分量的自相關(guān)以及多個信號分量間的互相關(guān)的

2、影響。為了準確測量偽距，信號體制設(shè)計首先要保證理想條件下相關(guān)峰的對稱性。傳統(tǒng) GPS系統(tǒng) L1頻點使用簡單的QPSK調(diào)制，由于同頻信號分量間具有正交的載波相位，因此信號分量間互相關(guān)對相關(guān)峰的影響幾乎可以忽略。但現(xiàn)代化信號中同頻信號分量存在載波相位同相的情況，論文首次指出同頻同相的信號分量間的互相關(guān)會影響接收相關(guān)峰的對稱性，嚴重時可對低碼率信號造成米級的跟蹤偏差。論文通過推導(dǎo)跟蹤偏差的解析表達式，證明其與擴頻碼互相關(guān)函數(shù)有關(guān)，但僅僅受相對

3、時延在±1碼片范圍內(nèi)的互相關(guān)影響，此外還與擴頻碼調(diào)制的電文符號相關(guān)。為了降低互相關(guān)對跟蹤偏差的影響，論文提出了優(yōu)化擴頻碼局部互相關(guān)和增加子碼調(diào)制相結(jié)合的方案。對北斗二號全球系統(tǒng)某備選信號體制的分析結(jié)果表明該體制仍存在改進的空間，改進后可將互相關(guān)導(dǎo)致的跟蹤偏差降低至毫米級。
　　BOC調(diào)制使用方波副載波將信號頻譜搬移至中心頻點的兩側(cè)，基于雙邊帶處理的接收技術(shù)通常將BOC信號的上下邊帶建模為理想的BPSK信號，而并未考慮方波副載波調(diào)制

4、中高次諧波分量對信號接收的影響。針對這一不足，論文證明了高次諧波存在與否不改變相關(guān)峰的對稱性，從而嚴格證明了忽略高次諧波不影響測量的準確性，而僅僅對相關(guān)峰幅度造成微小影響。根據(jù)數(shù)值計算得到的幅度變化量，論文進一步通過幅度修正的方式建立了能夠精確分析雙邊帶接收性能的簡化模型。在分析電離層色散效應(yīng)的影響時，傳統(tǒng)模型將單個頻點的導(dǎo)航信號近似為具有相同碼相位延遲的窄帶信號，但在BOC信號的雙邊帶接收中該近似會導(dǎo)致米級的偏差。論文通過將BOC信號

5、的上下邊帶分別視作窄帶信號，推導(dǎo)了上下邊帶電離層延遲的解析表達式，在此基礎(chǔ)上建立了電離層影響下BOC信號的雙邊帶模型。仿真結(jié)果表明即使在電離層活躍期間碼相位延遲的建模誤差也小于1毫米。
　　BOC信號捕獲由相關(guān)、搜索、判決等多個相互關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)組成，為了使捕獲算法性能達到全局最優(yōu)，論文提出了信號捕獲的多環(huán)節(jié)聯(lián)合優(yōu)化方法。捕獲算法同時要求較高的檢測性能和較短的搜索時間，目前在研究相關(guān)和搜索算法時通常僅關(guān)注其中某單項指標(biāo)，而忽視了檢測性

6、能和搜索時間是互相制約的兩個優(yōu)化目標(biāo)這一重要約束。針對這一多目標(biāo)優(yōu)化問題，論文提出了相同計算復(fù)雜度下檢測性能最優(yōu)準則，給出了BOC信號捕獲中最優(yōu)相關(guān)算法和最優(yōu)搜索間隔。在捕獲判決環(huán)節(jié)，根據(jù)最大似然比檢驗準則推導(dǎo)了BOC信號捕獲判決的最優(yōu)線性組合檢測量。仿真結(jié)果表明在幾乎不增加計算復(fù)雜度的條件下，最優(yōu)線性組合檢測量的檢測性能比傳統(tǒng)取最大判決高約1.0dB。
　　眾所周知，BOC信號自相關(guān)函數(shù)的多峰特性會導(dǎo)致匹配跟蹤算法發(fā)生錯鎖。為了

7、消除 BOC(1,1)信號的跟蹤模糊度，非匹配的無模糊跟蹤算法得到了大量的研究。但非匹配跟蹤算法存在實現(xiàn)復(fù)雜、損耗較大的缺點，針對 BOC(1,1)信號擴頻碼和副載波速率均較低這一特點，論文使用近似分析、數(shù)值仿真和實測驗證等方式證明了 BOC(1,1)信號在初始跟蹤正確鎖定的基礎(chǔ)上采用匹配跟蹤算法不會導(dǎo)致錯鎖，并且其跟蹤性能接近理論極限，避免了目前各種非匹配跟蹤算法存在的不足。高階BOC信號具有較寬的帶寬，其相關(guān)峰形狀易受通道特性的影響

8、，但目前絕大部分研究并未關(guān)注非理想通道條件下高階BOC信號跟蹤的穩(wěn)定性。針對這一不足，論文提出了雙邊帶非相干組合跟蹤算法。該算法利用上下邊帶帶寬較窄，相關(guān)峰形狀幾乎不受通道影響的特點，實現(xiàn)通道特性惡劣的條件下的穩(wěn)定跟蹤，并且其性能和相同碼率的BPSK信號相當(dāng)，損耗約0.9dB。
　　目前導(dǎo)頻通道捕獲算法的研究主要是對傳統(tǒng)單路 BPSK信號的捕獲算法進行簡單擴展，而較少關(guān)注針對導(dǎo)頻通道捕獲的高效實現(xiàn)和最優(yōu)檢測量。針對采用時分復(fù)用的數(shù)

9、據(jù)/導(dǎo)頻通道的聯(lián)合捕獲，論文首次使用指出傳統(tǒng)匹配濾波器進行相關(guān)累加時存在的問題，并提出了基于雙加法樹的匹配濾波器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其所需的相關(guān)器資源僅為傳統(tǒng)匹配濾波器的1/2，且引入的額外損耗小于1.0dB。針對目前數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻通道聯(lián)合捕獲算法并非基于最優(yōu)檢測理論這一不足，論文推導(dǎo)了數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻通道聯(lián)合捕獲和導(dǎo)頻通道獨立捕獲這兩種策略在最大似然比檢驗準則下的最優(yōu)檢測量。分析結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的非相干組合檢測量，兩種策略下最優(yōu)檢測量的性能最多可提高3