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多频多分量GNSS信号恒包络复用技术研究

周志辉  
【摘要】:全球导航卫星系统(GNSS)可提供全天时、全天候、全球覆盖的高精度定位、导航和授时(PNT)服务,已成为各大国争相发展的空间和信息化基础设施。为满足多样化的用户需求,新一代导航信号呈现出多频多分量的特点。受限于卫星的体积和重量,同一频点或相邻频点的多个信号分量需复用成一个复合信号,共用上变频器、放大器和天线发射。导航卫星功率严格受限,其高功率放大器(HPA)需要工作在饱和点附近以最大化功率效率。而高功放的饱和点位于其非线性工作区,为了避免信号失真,要求输入高功放的复合信号具有恒包络的特点。因此,多频多分量GNSS信号恒包络复用技术是GNSS信号设计中的一个关键问题。本文对多频多分量GNSS信号恒包络复用技术进行了研究,提出了非独立信号恒包络复用方法、功率可调的时分Alt BOC复用技术、基于相位对齐的对称频点双频恒包络复用方法和多频点多值信号恒包络复用方法。本文具体工作如下:第一,针对已有恒包络复用方法要求各信号分量相互独立的局限性,提出了一种非独立信号恒包络复用方法。论文以复数子载波调制信号为对象,基于POCET的解析表达式,研究了非独立信号分量对POCET复用结果的影响。在此基础上,提出了相关性信号相位最优的恒包络发射方法(CS-POCET)。该方法中,交调项作为构成POCET解析表达式的一部分,可对其功率和相位进行必要的约束。通过约束某些交调项的功率为0,可消除其对其他有用信号分量的有害影响。CS-POCET方法可用于复子载波调制信号的恒包络复用以及其他非独立信号的恒包络复用。以北斗B1频点过渡期的恒包络复用问题为场景,仿真验证了本章分析结果的正确性和CS-POCET方法复用非独立信号的有效性。第二,针对TD-Alt BOC要求各信号分量功率必须相等的局限性,提出了功率可调的一般的时分Alt BOC技术(GTD-Alt BOC)。该方法通过不同的时隙分配,实现了各信号分量的功率可调。然后从功率谱密度、互相关函数、复用效率、码跟踪误差和基带处理复杂度几个方面对所提方法的性能进行分析并与已有方法对比。结果表明,GTD-Alt BOC不仅实现了灵活的功率配比,而且保持了TD-Alt BOC的优点,即性能与已有非时分方法相当,但接收机基带处理复杂度更低。第三,针对已有的对称频点双频恒包络复用方法大多只考虑Alt BOC-like模型的局限性,提出了一种一般的基于相位对齐的对称频点双频恒包络复用(PACEM)方法。该方法首先将两个边带的多个信号分量分别复用得到两个恒包络的边带信号,然后将两个边带信号线性组合并进行幅度调制得到双频恒包络复合信号。通过推导得到线性组合信号与双频恒包络信号之间的功率变化关系,根据该关系,得到满足所需功率配比的恒包络复用结果。PACEM方法对信号分量的数目、功率配比、相位关系以及子载波采样率都没有特别的限制,是一种一般性的对称频点双频恒包络复用方法。最后,分析了PACEM方法在两种对称频点双频场景上的应用结果及性能,分别是Alt BOClike场景和以北斗B2频点为代表的一般的对称频点双频场景。结果表明,与已有方法相比,PACEM方法具有更高的灵活性和复用效率。第四,针对多频点多值信号的恒包络复用,提出了一种相位最优的多值信号恒包络复用方法(MV-POCET)。本方法将任意的导航信号统一建模为一个多值信号模型,模型中的信号取值可以是实数也可以是复数。根据多值信号模型构造出信号取值组合与对应发射相位构成的相位查找表。求解以最小化复合信号包络值为目标,并且满足一定的功率约束、相位约束和其他约束的最优化问题,得到最优的恒包络复用结果。对于多频点信号,将各频点信号通过复数子载波调制实现频率偏移,通过选择合适的子载波采样率,将连续的复数子载波调制信号转换成多值信号模型,再通过MVPOCET方法实现恒包络复用。MV-POCET方法对各信号分量的取值数、频点数、功率配比和相位关系都没有限制,是一种通用的多频点多值信号恒包络复用方法。最后,基于MV-POCET方法,对多电平信号、双频信号和多频点多电平信号三种应用场景进行了分析,结果表明了本方法的有效性和正确性。与已有的CEMIC方法相比,MVPOCET方法的适用范围更广、灵活性更高。


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