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新信号体制GNSS接收机信号同步与干扰抑制技术研究

徐广辉  
【摘要】:新型信号调制方式-二进制偏移载波(Binary Offset Carrier-BOC)及其衍生类的调制方式使不同国家或组织的卫星导航系统实现了导航频带共享,并改进了卫星导航系统的定位精度与抗干扰能力,对促进新一代卫星导航系统的广泛应用与快速发展具有重要意义。但是传统GNSS接收机直接用于BOC调制信号的捕获跟踪时,可能产生几米到几十米的同步模糊问题,且多径干扰的存在也会严重影响接收机的定位精度,因此需要针对BOC调制信号研究无模糊同步方法及多径干扰抑制技术。同时,由于卫星信号的脆弱性,GNSS接收机易于受到各种有意、无意的干扰。空时抗干扰技术由于其良好的干扰抑制性能受到广泛关注,但会使GNSS接收机产生额外的定位偏差,因此无偏差空时干扰抑制算法的研究是现阶段的研究热点。此外,随着欺骗干扰对GNSS接收机的威胁日渐突出,欺骗干扰的有效检测与抑制技术是现阶段需要解决的又一关键问题。论文针对上述问题开展BOC调制信号同步与干扰抑制技术研究,主要研究工作如下:针对BOC调制信号的捕获模糊问题,论文首先从传统接收机捕获原理出发,指出BOC调制信号相关函数的多峰结构是引起捕获模糊的主要原因,进而以更加一般化的多级码片波形调制信号为研究对象导出了多级码片波形信号与BOC调制信号的互相关函数表达式,通过分析互相关函数性质给出了合成相关函数边峰抑制方法的一般思路。其次,针对传统检测统计量直接应用于BOC调制信号时出现多个能量峰的问题,论文从能量检测与负能量无关这一基本原则出发,结合导出的互相关函数性质提出了一种无模糊检测统计量设计方法,并推导出对应的本地扩频调制信号波形。最后,针对提出的本地调制信号波形设计了相应的快速实现结构,用门控积分运算器代替本地扩频符号调制器简化了捕获电路结构,有利于算法的快速实现。为了有效解决BOC信号的跟踪模糊与多径抑制问题,论文通过分析BOC调制信号的鉴相曲线,指出消除BOC信号相关函数边峰或者重新设计无模糊鉴相曲线是解决BOC信号跟踪模糊问题的潜在方案。针对传统无模糊跟踪算法在多径抑制方面的不足,指出通过直接设计无模糊鉴相曲线可以同时达到模糊消除和多径抑制的目的。基于多径误差产生机理,论文首先设计出一种以多径抑制为目的的无模糊鉴相曲线,然后以该鉴相曲线为参考,利用最小二乘方法求出构成本地多级码片波形的最优权矢量。目标鉴相曲线被设计成两路不同本地信号与接收信号相关函数乘积的形式,消除了载波跟踪误差对该鉴相器的影响,提高了跟踪环路的稳健性。在BOC调制信号的空时自适应抗干扰技术研究中,针对传统空时自适应干扰抑制算法直接应用于具有裂谱特性的宽带BOC调制信号时出现的阵列输出信号功率下降及信号失真问题,提出了基于空时导向矢量重构的宽带空时自适应干扰抑制算法。提出的算法以BOC信号主瓣频率及主瓣带宽为参考设计空时滤波器通带,有效解决了期望信号能量损失与信号失真问题。针对空时滤波器引起的GNSS接收机定位偏差问题,论文以空时导向矢量重构为基础,通过设计参考空时导向矢量,提出了一种基于最小方差无失真响应准则的空时自适应干扰抑制算法,提出的算法以仅消耗一个空时抗干扰自由度为代价,使得到的空时结构等效FIR滤波器关于中心抽头共轭对称,成功解决了系统传递函数非线性引起的定位偏差问题。在欺骗干扰的检测与抑制方法研究中,针对传统欺骗干扰检测方法实现难度大,适用范围有限,代价高且不能进行干扰抑制的缺点,提出了基于波束空间DOA估计与信号功率估计、信号互相关峰监测的联合检测与抑制方法。该方法根据接收机所处的应用平台及实际场景合理规划期望空间,通过波束空间变换对其他空间干扰信号进行有效压制,利用波束空间DOA估计得到期望空间内信号源的方向,通过计算、比较各信号源的信噪比,并对信号源之间的互相关峰进行监测可有效判定欺骗干扰的存在,最后通过斜投影运算提取欺骗干扰并将其从波束空间数据中剔除,达到干扰抑制的目的。


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