avatar avatar 我的文献 现代化导航信号高精度建模与接收技术研究 作者 刘瀛翔 单位 国防科学技术大学 关键词 现代化导航信号; 卫星导航接收机; 多路复用; BOC调制; 导频通道; 时分复用; 互相关; 电离层效应; 双边带模型; 信号捕获; 信号跟踪
摘要
导航战对军民信号频谱分离以及用户对系统服务能力提升的需求推动了卫星导航系统信号体制的发展。现代化的导航信号采用了大量新技术,包括使用BOC、MBOC、AltBOC等调制技术以及增加导频通道等。现代化导航信号的高精度建模和高性能接收技术是决定下一代卫星导航系统和用户接收机性能的重要因素。对此,论文展开了如下方面的研究:卫星导航系统的单个频点存在多个信号分量,用户接收的相关峰同时受单个信号分量的自相关以及多个信号分量间的互相关的影响。为了准确测量伪距,信号体制设计首先要保证理想条件下相关峰的对称性。传统GPS系统L1频点使用简单的QPSK调制,由于同频信号分量间具有正交的载波相位,因此信号分量间互相关对相关峰的影响几乎可以忽略。但现代化信号中同频信号分量存在载波相位同相的情况,论文首次指出同频同相的信号分量间的互相关会影响接收相关峰的对称性,严重时可对低码率信号造成米级的跟踪偏差。论文通过推导跟踪偏差的解析表达式,证明其与扩频码互相关函数有关,但仅仅受相对时延在�1码片范围内的互相关影响,此外还与扩频码调制的电文符号相关。为了降低互相关对跟踪偏差的影响,论文提出了优化扩频码局部互相关和增加子码调制相结合的方案。对北斗二号全球系统某备选信号体制的分析结果表明该体制仍存在改进的空间,改进后可将互相关导致的跟踪偏差降低至毫米级。BOC调制使用方波副载波将信号频谱搬移至中心频点的两侧,基于双边带处理的接收技术通常将BOC信号的上下边带建模为理想的BPSK信号,而并未考虑方波副载波调制中高次谐波分量对信号接收的影响。针对这一不足,论文证明了高次谐波存在与否不改变相关峰的对称性,从而严格证明了忽略高次谐波不影响测量的准确性,而仅仅对相关峰幅度造成微小影响。根据数值计算得到的幅度变化量,论文进一步通过幅度修正的方式建立了能够精确分析双边带接收性能的简化模型。在分析电离层色散效应的影响时,传统模型将单个频点的导航信号近似为具有相同码相位延迟的窄带信号,但在BOC信号的双边带接收中该近似会导致米级的偏差。论文通过将BOC信号的上下边带分别视作窄带信号,推导了上下边带电离层延迟的解析表达式,在此基础上建立了电离层影响下BOC信号的双边带模型。仿真结果表明即使在电离层活跃期间码相位延迟的建模误差也小于1毫米。BOC信号捕获由相关、搜索、判决等多个相互关联的环节组成,为了使捕获算法性能达到全局最优,论文提出了信号捕获的多环节联合优化方法。捕获算法同时要求较高的检测性能和较短的搜索时间,目前在研究相关和搜索算法时通常仅关注其中某单项指标,而忽视了检测性能和搜索时间是互相制约的两个优化目标这一重要约束。针对这一多目标优化问题,论文提出了相同计算复杂度下检测性能最优准则,给出了BOC信号捕获中最优相关算法和最优搜索间隔。在捕获判决环节,根据最大似然比检验准则推导了BOC信号捕获判决的最优线性组合检测量。仿真结果表明在几乎不增加计算复杂度的条件下,最优线性组合检测量的检测性能比传统取最大判决高约1.0dB。众所周知,BOC信号自相关函数的多峰特性会导致匹配跟踪算法发生错锁。为了消除BOC(1,1)信号的跟踪模糊度,非匹配的无模糊跟踪算法得到了大量的研究。但非匹配跟踪算法存在实现复杂、损耗较大的缺点,针对BOC(1,1)信号扩频码和副载波速率均较低这一特点,论文使用近似分析、数值仿真和实测验证等方式证明了BOC(1,1)信号在初始跟踪正确锁定的基础上采用匹配跟踪算法不会导致错锁,并且其跟踪性能接近理论极限,避免了目前各种非匹配跟踪算法存在的不足。高阶BOC信号具有较宽的带宽,其相关峰形状易受通道特性的影响,但目前绝大部分研究并未关注非理想通道条件下高阶BOC信号跟踪的稳定性。针对这一不足,论文提出了双边带非相干组合跟踪算法。该算法利用上下边带带宽较窄,相关峰形状几乎不受通道影响的特点,实现通道特性恶劣的条件下的稳定跟踪,并且其性能和相同码率的BPSK信号相当,损耗约0.9dB。目前导频通道捕获算法的研究主要是对传统单路BPSK信号的捕获算法进行简单扩展,而较少关注针对导频通道捕获的高效实现和最优检测量。针对采用时分复用的数据/导频通道的联合捕获,论文首次使用指出传统匹配滤波器进行相关累加时存在的问题,并提出了基于双加法树的匹配滤波器实现结构,其所需的相关器资源仅为传统匹配滤波器的1/2,且引入的额外损耗小于1.0dB。针对目前数据/导频通道联合捕获算法并非基于最优检测理论这一不足,论文推导了数据/导频通道联合捕获和导频通道独立捕获这两种策略在最大似然比检验准则下的最优检测量。分析结果表明,相比传统的非相干组合检测量,两种策略下最优检测量的性能最多可提高3.0dB和5.0dB。最后,对本文研究成果进行了总结,并对下一步将要开展的工作进行了展望。论文的主要成果在北斗地面运控系统多系统监测接收机中得到了应用。
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