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GNSS信号射频兼容分析及设计技术研究

刘莉  
【摘要】:全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatellite Systems,GNSS)是信息时代的国家重要基础设施之一。目前,世界各主要大国都竞相发展自主的导航卫星系统,预计2020年之前,全世界将有四大GNSS相继建成或实现现代化,它们包括:美国的全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLObal NAvigation Satellite System,GLONASS)、欧洲的伽利略(Galileo)导航卫星系统和我国的北斗(Compass)导航卫星系统。多GNSS的同时工作使得GNSS兼容性问题成为系统提供商和用户关注的焦点以及导航卫星领域研究的热点。本文针对目前国内外GNSS兼容分析理论和评估方法尚不完善、Compass系统兼容性评估尚不全面的现状,依托国家高技术研究发展计划(863计划)课题“GNSS多星座互用关键技术与仿真验证平台”等项目研究内容,深入研究包括兼容评估模型、方法和准则在内的GNSS兼容分析理论,改进GNSS兼容评估模型,设计GNSS兼容仿真评估系统,并且研究基于兼容性的信号体制设计技术,给出了一系列新的设计结果。 本文深入研究了GNSS兼容性原理、兼容性评估改进模型、GNSS信号调制技术和GNSS信号复用技术等信号分析与设计内容,论文从以下4个方面展开了研究和设计工作: (1)从GNSS接收机特性出发,研究了干扰信号对接收机的信号捕获、载波跟踪、码跟踪以及数据解调等环节的影响,详细推导了即时相关器输出的信号功率与噪声加干扰比(Signal to Noise plus Interference Power Ratio,SNIR),建立了基于即时相关器输出SNIR和基于码跟踪误差的等效载噪比计算模型;分析了兼容评估方法、准则和输入输出参数,实现兼容分析理论的整合和完善;在全面研究兼容分析理论的基础上,构建了通用的GNSS兼容仿真评估系统,针对GPS和北斗全球服务系统(Compass Phase III,CPIII)给出兼容评估计算实例。 (2)深入研究了基带信号的功率谱密度(Power Spectral Density,PSD),阐述了伪随机码长、导航数据速率和码片速率对兼容性计算的影响,建立了频谱分离系数(Spectral Separation Coefficient,SSC)简化模型、码跟踪谱灵敏度系数(Code Tracking Spectral Sensitivity Coefficient,CT_SSC)简化模型;建立接收机的带限、采样和量化(Bandlimiting, Sampling and Quantizing,BSQ)损耗分析模型,结合SSC、CT_SSC简化模型和BSQ损耗计算,建立了综合的兼容评估改进模型;并以此模型对北斗区域服务系统(Compass Phase II,CP II)和GPS、Galileo等系统在L1频段上的兼容性进行了仿真评估实验。 (3)分析信号体制结构和性能指标,进行信号波形调制理论研究和信号波形调制设计,构建矩形调制、正弦调制以及多级调制等一系列具有良好性能的波形,并探讨它们在导航卫星系统中的应用;完善波形调制设计理论,提出了一般多级编码符号调制,使得目前常用的导航卫星信号波形调制能用一种统一的调制波形模型进行信号分析;在信号调制技术理论研究的基础上,设计了CP III信号调制方案,并给出调制方案的兼容性能分析结果。 (4)研究导航信号复用技术,分析了现有复用技术如线性调制、硬限幅、相干自适应副载波调制、互复用和多数表决算法的原理和特性;探讨了复用技术在GPS和Galileo系统中的应用;在研究信号复用技术的基础上,设计了CP III在B1频段上的信号复用方案,并给出最大化功率效率的配置方式。 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)研究了兼容评估模型、方法、准则和输入输出参数,实现兼容分析理论的整合和完善,建立了通用的GNSS兼容仿真评估系统并给出计算实例,该研究对GNSS兼容性国际谈判和Compass系统的信号体制设计有重要的参考价值。 (2)建立了SSC简化模型、CT_SSC简化模型和BSQ损耗计算模型,推导出综合的兼容评估改进模型,与传统的兼容性评估方法相比,该改进模型具有更高的运算效率和准确性;以此改进模型评估了CP II在L1频段的兼容性,得到了更准确的兼容评估结论。 (3)详细推导了多级编码符号调制、一般多级编码符号调制,将导航信号波形调制用统一的调制波形模型来表述和分析,同时,设计了CPIII信号波形调制方案,该调制方案对Compass系统有现实的应用价值。 (4)分析复用技术的关键技术点:信号组合的选择、功率分配的设计和恒包络复用调制的选择,设计并实现GPS、Galileo和Compass系统的信号复用调制,给出最小关联功率损失的最优恒包络复用方案。 基于上述研究内容,本论文的研究结论包括: (1)当导航信号满足条件L≥f c/fd时(L为伪随机码长,f c为码片速率,fd为数据速率),信号的SSC和CT_SSC趋近于常数,不随多普勒频移呈周期变化,此时可用码片的PSD代替导航信号的PSD计算SSC、CT_SSC和等效载噪比。 (2)接收机的BSQ损耗随着量化器电平N的增大而减小,当量化器电平N≤4时,接收机BSQ损耗大于0.5dB,此时GNSS兼容性评估模型中应加入BSQ损耗因子。 (3)在多GNSS同时工作的环境下,信号体制设计需同时考虑信号的导航性能和兼容特性。中心频点在1191.795MHz和1176.4MHz的CP III信号AltBOC(15,10)调制方案具有更高的码跟踪性能和Gaber带宽等信号特性以及良好的兼容性能。 (4)当信号分量的数目大于4时,多数表决及其衍生算法为优选的恒包络复用技术。文中设计的CP III B1频段的信号复用方案选择6个信号分量中功率最大的4个分量进行带参数的多数表决,再和余下的信号分量进行互复用调制,可获得相关功率损失最小的最优恒包络复用方案。


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