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多模GNSS兼容与互操作技术

吕成财  
【摘要】:全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是现今信息领域发展的方向之一。由于其可以为用户提供高精度、实时性的定位、导航和授时服务,使其成为世界强国间新一轮的竞争焦点。为了摆脱对其他国家卫星导航系统的依赖,避免受制于人,世界各国、各地区和组织都在积极发展建立自己的卫星导航系统。由于卫星导航系统占用的频带资源几乎都处在宝贵的L波段,这必然会引起不同卫星导航系统之间的干扰问题;与此同时,如果对GNSS进行组合使用,能够增加可见卫星数目,从而为用户提供更优越的服务性能。因此,GNSS兼容互操作问题正逐渐成为本领域的研究热点。本文通过理论研究和仿真分析相结合的方法,在介绍GNSS信号基本模型和特性的基础上,完善了 GNSS兼容性评估理论、设计了 GNSS互操作性评估理论,并使用Matlab编写兼容互操作分析软件进行仿真,主要的研究工作包括以下三个方面:1)对传统GNSS兼容性评估算法存在的不足进行分析,并研究了解决方案。针对兼容性阈值模糊的情况,考虑捕获、码跟踪、载波跟踪及数据解调四个接收机信号处理过程,对保证各过程顺利处理所需的最小载噪比进行了分析研究,将这四者的最大值选择作为兼容性阈值,并求出指定参数下COMPASS系统的兼容性阈值。为了解决兼容性评估参数单一,且不能对码跟踪性能进行评估的问题,使用码跟踪谱分离系数概念,将频谱分离系数概念延伸到干扰系数,分析干扰信号和期望信号的参数对干扰系数的影响,并给出GNSS的B1/L1/E1频段所有导航信号之间的干扰系数。2)从信号性能和服务性能层面设计互操作性评估方案。在信号性能层面上,使用信号接收功率的效率、捕获检测概率、捕获时间三个指标对BPSK-R(1)、BOCs(1,1)、BOCc(1,1)三种调制方式信号的性能进行评估。在服务性能层面上,在选取精度因子、定位精度、以及完好性为评估参数的基础上,使用评估参数可用性和连续性的概念对评估参数进行量化,使用加权的方式对参数的可用性和连续性进行加权运算。最终从时间和空间对单系统和多系统组合情况下的GNSS互操作性能进行评估分析。3)在Matlab平台开发出可以灵活配置的GNSS兼容互操作分析软件,并使用此软件对GNSS兼容互操作性进行定量定性的仿真研究。从GNSS兼容性评估结果可以看出:GPS和GALILEO系统虽然对COMPASS系统造成了干扰,但干扰后COMPASS系统的载噪比输出仍在其兼容性阈值之上,因此,GPS和GALILEO系统是对COMPASS来说是兼容的。除此之外,可以发现COMPASS系统内的自干扰小于GPS对COMPASS系统的干扰,但是大于GALILEO系统对COMPASS系统的干扰。从GNSS互操作性评估结果可以看出:在有限带宽的情况下,BPSK-R(1)在接收功率的效率、捕获检测概率、捕获时间三个方面均具有最佳性能,BOCs(1,1)次之,BOCc(1,1)的性能最差。从GNSS服务性能上来看,组合使用GNSS可以优化卫星的几何布局,对单系统覆盖不佳的区域进行弥补,从而在时间和空间上都大幅度提高GNSS的服务性能。文章最后对全文进行了总结,指出本文的研究内容可能对我国COMPASS系统的信号设计和星座优化具有借鉴意义,从而增加我国COMPASS系统的市场竞争力。根据GNSS兼容互操作性的研究现状,本文指出未来应当重点进行的研究方向和工作。


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