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

1、導(dǎo)航戰(zhàn)對(duì)軍民信號(hào)頻譜分離以及用戶對(duì)系統(tǒng)服務(wù)能力提升的需求推動(dòng)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)體制的發(fā)展?，F(xiàn)代化的導(dǎo)航信號(hào)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?，F(xiàn)代化導(dǎo)航信號(hào)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(jī)性能的重要因素。對(duì)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(gè)頻點(diǎn)存在多個(gè)信號(hào)分量，用戶接收的相關(guān)峰同時(shí)受單個(gè)信號(hào)分量的自相關(guān)以及多個(gè)信號(hào)分量間的互相關(guān)的

2、影響。為了準(zhǔn)確測(cè)量偽距，信號(hào)體制設(shè)計(jì)首先要保證理想條件下相關(guān)峰的對(duì)稱性。傳統(tǒng) GPS系統(tǒng) L1頻點(diǎn)使用簡(jiǎn)單的QPSK調(diào)制，由于同頻信號(hào)分量間具有正交的載波相位，因此信號(hào)分量間互相關(guān)對(duì)相關(guān)峰的影響幾乎可以忽略。但現(xiàn)代化信號(hào)中同頻信號(hào)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(hào)分量間的互相關(guān)會(huì)影響接收相關(guān)峰的對(duì)稱性，嚴(yán)重時(shí)可對(duì)低碼率信號(hào)造成米級(jí)的跟蹤偏差。論文通過(guò)推導(dǎo)跟蹤偏差的解析表達(dá)式，證明其與擴(kuò)頻碼互相關(guān)函數(shù)有關(guān)，但僅僅受相對(duì)

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

4、中高次諧波分量對(duì)信號(hào)接收的影響。針對(duì)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(duì)稱性，從而嚴(yán)格證明了忽略高次諧波不影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，而僅僅對(duì)相關(guān)峰幅度造成微小影響。根據(jù)數(shù)值計(jì)算得到的幅度變化量，論文進(jìn)一步通過(guò)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(jiǎn)化模型。在分析電離層色散效應(yīng)的影響時(shí)，傳統(tǒng)模型將單個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)近似為具有相同碼相位延遲的窄帶信號(hào)，但在BOC信號(hào)的雙邊帶接收中該近似會(huì)導(dǎo)致米級(jí)的偏差。論文通過(guò)將BOC信號(hào)

5、的上下邊帶分別視作窄帶信號(hào)，推導(dǎo)了上下邊帶電離層延遲的解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上建立了電離層影響下BOC信號(hào)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(hào)捕獲由相關(guān)、搜索、判決等多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)組成，為了使捕獲算法性能達(dá)到全局最優(yōu)，論文提出了信號(hào)捕獲的多環(huán)節(jié)聯(lián)合優(yōu)化方法。捕獲算法同時(shí)要求較高的檢測(cè)性能和較短的搜索時(shí)間，目前在研究相關(guān)和搜索算法時(shí)通常僅關(guān)注其中某單項(xiàng)指標(biāo)，而忽視了檢測(cè)性

6、能和搜索時(shí)間是互相制約的兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)這一重要約束。針對(duì)這一多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，論文提出了相同計(jì)算復(fù)雜度下檢測(cè)性能最優(yōu)準(zhǔn)則，給出了BOC信號(hào)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(yàn)準(zhǔn)則推導(dǎo)了BOC信號(hào)捕獲判決的最優(yōu)線性組合檢測(cè)量。仿真結(jié)果表明在幾乎不增加計(jì)算復(fù)雜度的條件下，最優(yōu)線性組合檢測(cè)量的檢測(cè)性能比傳統(tǒng)取最大判決高約1.0dB。
　　眾所周知，BOC信號(hào)自相關(guān)函數(shù)的多峰特性會(huì)導(dǎo)致匹配跟蹤算法發(fā)生錯(cuò)鎖。為了

7、消除 BOC(1,1)信號(hào)的跟蹤模糊度，非匹配的無(wú)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜、損耗較大的缺點(diǎn)，針對(duì) BOC(1,1)信號(hào)擴(kuò)頻碼和副載波速率均較低這一特點(diǎn)，論文使用近似分析、數(shù)值仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證等方式證明了 BOC(1,1)信號(hào)在初始跟蹤正確鎖定的基礎(chǔ)上采用匹配跟蹤算法不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)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(hào)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(hào)跟蹤的穩(wěn)定性。針對(duì)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(diǎn)，實(shí)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(hào)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(duì)傳統(tǒng)單路 BPSK信號(hào)的捕獲算法進(jìn)行簡(jiǎn)單擴(kuò)展，而較少關(guān)注針對(duì)導(dǎo)頻通道捕獲的高效實(shí)現(xiàn)和最優(yōu)檢測(cè)量。針對(duì)采用時(shí)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(jìn)行相關(guān)累加時(shí)存在的問(wèn)題，并提出了基于雙加法樹的匹配濾波器實(shí)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(duì)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(cè)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(dú)立捕獲這兩種策略在最大似然比檢驗(yàn)準(zhǔn)則下的最優(yōu)檢測(cè)量。分析結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的非相干組合檢測(cè)量，兩種策略下最優(yōu)檢測(cè)量的性能最多可提高3