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卫星导航信号码跟踪精度研究

何在民  
【摘要】:全球导航卫星系统(GNSS)已成为一个国家的重要基础设施之一,对一个国家具有举足轻重的意义,世界主要航天大国都不惜巨资发展属于自己的卫星导航系统。目前,已建成和在建的GNSS有GPS、GLONASS、GALILEO和COMPASS。由这四大GNSS的信号体制参数可知,BOC(包括衍生的ALTBOC和MBOC信号)调制信号在GNSS中已被广泛地采用,而传统的PSK-R调制信号依然保留下来,因此,PSK-R和BOC调制信号同时存在的局面不可避免。伪距是卫星导航系统的基本观测量,伪距观测量的提取是通过码和载波的精确跟踪来实现的,因而,码和载波跟踪精度直接决定了伪距观测精度。码跟踪精度是导航信号体制设计中所必须考虑的关键指标,对码跟踪精度及其影响因素的研究具有重要意义,可为卫星导航系统接收终端的研发提供理论指导。 本论文以GNSS的PSK-R与BOC调制信号为对象,结合经典的功率谱密度、自相关函数及伪码跟踪等相关理论,对伪码跟踪精度及影响跟踪精度的外部因素和内在因素进行了深入地研究。分析的外部因素主要包括白噪声、高斯干扰、多径干扰及接收系统;而内在因素则主要从信号体制入手,着重研究子载波相位及恒包络互复用对码跟踪精度的影响。主要的研究内容包括: (1)系统地论述了信号功率谱密度及相关函数求解的通用理论。详细分析了PSK-R、BOC、ALTBOC和MBOC调制信号的功率谱密度和自相关函数,总结得到PSK-R与BOC调制信号的功率谱密度和自相关函数的特点。 (2)从定性和定量两个方面对伪码跟踪精度进行分析。定性分析主要是根据导航信号S曲线理论来判断码跟踪性能。定量分析是基于码跟踪处理的规范模型,利用导航信号的复基带表示,推导出白噪声及高斯干扰环境下的相干、非相干超前减滞后相关处理的SNIR和码跟踪均方根误差的解析表达式,SNIR和码跟踪均方根误差均可反映噪声、干扰对码跟踪精度的影响。基于码跟踪精度的理论成果,对白噪声、窄带干扰、高斯带限干扰以及匹配谱干扰的码跟踪精度进行了详细地研究。 (3)基于标准相关器,推导出伪码及载波相位多径误差的显式解析表达式,弥补了传统隐函数数值分析方法的不足,且显式解析表达式引入的误差足够小。考虑到多径环境与卫星仰角的变化对多径误差带来影响,在对统计信道模型进行详尽分析的基础上,提出了基于统计信道模型的显式解析表达式的多径误差分析方法,包括滑动平均多径误差包络、加权多径误差包络及加权多径误差包络的滑动平均三种评价方法,使得多径误差分析更加真实有效。 (4)提出了GNSS接收系统的载噪比计算模型,并对天线噪声温度、电缆插入损耗、噪声系数与等效噪声温度等进行了分析研究,提出了电缆插入损耗的线性化简化计算方法;在组件及各模块噪声系数与功率增益已知的情况下,依据噪声系数与等效噪声温度的定义,分析了整个接收系统的载噪比计算方法。文中主要从ADC量化、CIC抽取滤波、码时延与多普勒残留误差这四个方面来详细分析载噪比损失对码跟踪精度和误码率的影响。 (5)采用功率谱密度定义的方法,选取合适的任意相位子载波扩频符号波形分段形式的参数表示,在此基础上经过严格建模和推导,得到了任意相位子载波BOC调制信号的通用解析表达式。并选取两种典型的BOC调制信号进行分析,验证了通用解析表达式的正确性,总结得到一些重要结论。基于任意相位子载波功率谱密度解析表达式,对任意相位子载波调制信号所对应的Gabor带宽及所能达到的码跟踪误差下界进行了深入地研究。 (6)系统地阐述了Interplex与CASM这两种恒包络互复用方法的原理,并对其合成损耗进行定义。对恒包络互复用的实现及合成的功率谱密度进行了论述,给出了三信号与四信号互复用的实例。对恒包络互复用效率进行了分析,根据互复用效率可选择最佳的恒包络复用功率分配参数。提出了码跟踪误差相对信号载噪比变化率方法,可实现将恒包络互复用合成损耗归算到码跟踪均方根误差增量。


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