GNSS兼容与互操作总体技术研究

【摘要】：全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是当代信息领域发展最迅速、最受关注的热点之一。目前,世界各国和地区都在积极发展自己的卫星导航系统,我国自主卫星导航系统也已经进入组网阶段,四大全球卫星导航系统竞争格局正逐步形成,多个系统共存和组合应用使得系统间兼容与互操作问题成为关注的焦点和研究的热点。在这样的大背景下,迫切需要我国在兼容与互操作理论和技术上有所突破,以支持自主系统建设和国际GNSS兼容与互操作的协调与合作。在国家相关部门支持的863目标导向类“多模GNSS兼容与互操作总体技术仿真研究”等项目研究内容的基础上,本文通过理论分析和仿真实验相结合的途径,从机理上提出或改进了GNSS兼容与互操作技术,完善导航星座和信号体制相关理论并提出一系列新的设计结果。 本文深入研究了GNSS兼容评估技术及应用、兼容评估技术的改进及阈值确定、星座及信号互操作技术、导航信号体制设计研究等兼容与互操作的总体技术。主要研究工作和结果体现在五个方面: (1)从机理上完善包括兼容评估标准、模型、方法和准则在内的全面GNSS兼容评估理论;开发了GNSS兼容仿真实验系统,对GPS、Galileo和COMPASS系统间的兼容性进行计算机仿真和理论分析评估。结果表明,GPS L1 C/A码和L1C信号受到的干扰比Galileo E1OS和COMPASS B1C信号受到的干扰小;采用全面兼容评估理论可以避免干扰被低估的情况;引入的基于信号集总增益因数的理论分析方法,虽然在精度上有所欠缺,但是不需要对星地链路进行重复计算,运算速度较快。 (2)建立频谱分离系数和码跟踪灵敏度系数的理想和实际计算模型,进行GNSS信号频谱重叠分析与评估;针对实际计算模型运算量大、复杂度高等特点,提出计算频谱分离系数和码跟踪灵敏度系数的简化判据及方法;建立接收机的带限、采样和量化损耗分析模型,并进行GNSS信号的带限、采样和量化损耗仿真分析。结果表明,对兼容评估技术的改进不仅使兼容评估模型更符合实际,同时也可提高了评估的运算速度。 (3)针对目前尚无兼容评估阈值确定方法和标准的问题,在考虑接收机的捕获、载波跟踪、码跟踪和数据解调等信号处理环节的基础上,提出确定GNSS兼容评估阈值的方法,并仿真计算在特定接收机参数下GNSS L1频段民用信号的兼容评估阈值,结果表明GPS、Galileo和COMPASS三个系统在L1频段的所有民用信号都是兼容的。 (4)提出基于模糊递阶层次模型的定性和定量相结合的互操作评估方法,并对GNSS L1频段信号的互操作性能进行评估;研究多星座组合的互操作性能,揭示星座及卫星数目增加的互操作性能极限规律;进行GNSS全球星座的互操作设计,提出Walker 27/3/1和Walker 27/3/0星座构型为未来新建GNSS系统星座的首选方案;研究GNSS L1频段互操作信号的兼容问题,提出新增互操作卫星和信号数目的理论极限,对于实际应用情况,新增75颗包含MBOC信号的互操作卫星能实现噪声贡献和性能提升较佳的折衷。 (5)进行信号调制波形的研究和设计,完善包括矩形调制、正弦调制以及多级编码符号调制在内的调制波形理论,研究新调制波形的互操作应用;分析扩频码的构造方法和性能需求,提出一种基于多项式序列的自互相关性能良好的新型扩频码;总结和分析信号复用技术,进行COMPASS导航信号复用的优化设计。结果表明,所提出的MSK-BCS、GBOC以及MSK-MBOC等调制波形具有良好的码跟踪、抗干扰、抗多径和兼容与互操作性能;所提出的新型扩频码在性能上相当或优于Galileo E1OS信号的内存码;基于AltBOC和最大表决法的COMPASS信号复用在实现恒包络的同时能提高复用效率。 本论文研究的关键技术和创新点主要体现在以下几个方面: (1)从机理上完善和改进了GNSS兼容评估理论,提出了实际信号频谱分离的简化判据及方法,揭示了数字接收机的带限、采样和量化损耗规律;开发了GNSS兼容性仿真系统,进行GNSS系统间兼容性的仿真评估;提出确定GNSS兼容评估阈值的方法,并进行特定接收机参数下GNSS信号的兼容评估阈值确定。该仿真实验系统及兼容评估结果对我国自主系统顶层设计以及与其它GNSS系统兼容与互操作协调有参考意义。 (2)提出定性和定量相结合的GNSS互操作评估方法,进行互操作全球星座体制设计、多星座及信号的互操作性能研究,提出优化的全球星座构型、揭示星座及卫星数目增加的互操作性能极限规律、提出新增互操作卫星和信号数目的理论极限以及实际应用情况的极限等新设计和新分析结果。 (3)完善包括矩形调制、正弦调制以及多级编码符号调制在内的信号调制波形理论,提出MSK-BCS、GBOC以及MSK-MBOC等具有良好的码跟踪、抗干扰、抗多径和兼容与互操作性能的新型调制波形,并进行新调制波形的互操作应用研究;提出一种基于多项式序列的自互相关性能良好的新型扩频码;提出COMPASS信号的优化复用方案。相关信号体制设计结果可应用于GNSS系统的顶层设计中。