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《华中科技大学》 2011年
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GNSS信号调制方式及频率兼容性研究

冉一航  
【摘要】:全球卫星导航系统的发展越来越迅速,GPS系统已经建成并投入使用,GLONASS和Galileo系统正在不断完善和优化。为提高卫星导航定位的自主性,中国启动了Compass系统的建设,日本和印度也已经启动了各自的卫星导航系统。导航信号作为卫星导航系统的灵魂在决定系统性能方面起着十分关键的作用。 扩频码的码片脉冲成形(国外文献也称为调制)会影响信号的码跟踪性能,最终影响测距精度。卫星导航系统目前采用的正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)或二相移相键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)调制对扩频码的码片脉冲形状没有影响。最小频移键控(Minimum Shift Keying, MSK)调制与QPSK调制的传输效率相当,但在相同的信道条件下MSK调制会改变扩频码的码片脉冲形状。同时,MSK调制信号的恒包络特性使其受星上高功率放大器(High Power Amplifier, HPA)非线性的影响比QPSK调制信号更小。因此本文将通过评估MSK调制对卫星导航信号码跟踪性能的影响,以及对比MSK和QPSK调制信号受非线性的影响来研究卫星导航系统采用MSK调制的可行性。 另一方面,由于卫星导航系统的增加和频率资源的有限,各主要卫星导航系统共用频段所带来的兼容性问题一直是国际频率协调的重点。作为我国正在全力建设的卫星导航系统,Compass系统与世界其他卫星导航系统的兼容对于Compass系统未来的发展十分重要。 针对这两个问题,本论文的主要研究内容和贡献如下: 1.建立了MSK-BOC (Minimum Shift Keying-Binary Offset Carrier)信号的时域模型和功率谱密度模型;以卫星导航系统L频段信号为例,分析了MSK调制对卫星导航信号自相关函数和功率谱密度的影响。结果表明:MSK调制信号比R和BOC调制信号的功率谱密度主瓣的高频成分更多,旁瓣能量更小,因此MSK调制信号的带外抑制效果更好;前端带宽的变化对MSK调制信号自相关函数的影响小于对R和BOC调制信号的影响;当接收机前端带宽接近MSK调制信号功率谱密度主瓣的过零点带宽时,MSK调制信号的自相关函数在0点附近的斜率大于R和BOC调制信号。 2.分析了不同相关器间隔、载噪比和前端带宽下MSK调制对卫星导航信号码跟踪误差和多径误差包络的影响;分析了不同前端带宽下MSK调制对卫星导航信号Gabor带宽的影响。分析表明:当接收机前端带宽接近MSK调制信号功率谱密度主瓣的过零点带宽时,MSK调制信号的Gabor带宽大于R和BOC调制信号;MSK调制信号在相关器间隔相对较宽或前端带宽接近其信号功率谱密度主瓣的过零点带宽时的码跟踪误差和多径误差包络均小于R和BOC调制信号。分析结果从码跟踪性能的角度为卫星导航系统L频段采用MSK调制的可行性提供了理论支撑。 3.评估了MSK调制信号受HPA非线性的影响。对比分析了MSK和QPSK调制信号的时域波形;在包含HPA的非线性信道模型基础上,对比评估了不同前端带宽下卫星导航信号分别采用MSK和QPSK调制时通过HPA后的相关损耗、功率损耗和码跟踪误差。分析表明:QPSK调制信号的时域波形相位变化不连续,这些信号带限后会出现包络陷落;MSK调制信号的时域波形相位连续变化,包络恒定,克服了QPSK调制信号时域波形的缺点;当接收机前端带宽接近或大于MSK调制信号功率谱密度主瓣的过零点带宽时,MSK调制信号的相关损耗、功率损耗和码跟踪误差均小于QPSK调制信号。分析结果从非线性角度说明卫星导航系统L频段采用MSK调制的可行性。 4.以最新公布的Compass信号体制和Galileo ICD (Signal In Space Interface Control Document)文档为依据,分析了Compass信号与GPS和Galileo信号的兼容性;研究了Compass、GPS和Galileo系统对卫星导航频段的占用情况;在考虑信号相对位置的前提下,计算分析了Compass、GPS和Galileo信号间的谱分离系数(Spectral Separation Coefficient, SSC);在考虑系统星座、卫星运行周期、多普勒频偏、卫星天线增益、接收机前端带宽等因素的基础上,仿真分析了Compass信号与GPS和Galileo信号间干扰的最坏情况。分析结论可以为Compass系统与世界其他卫星导航系统的频率协调提供技术支撑。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN76;P228.4

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【引证文献】
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