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基于高轨星载接收机的BDS/GPS弱信号捕获技术研究

王凤娇  
【摘要】:地球高轨道(High-Altitude Orbit)包括地球静止轨道(Geostationary Orbit,GEO)和大椭圆轨道(Highly Eccentric Orbit,HEO)等,其轨道最大高度一般高于20000km。现代社会,高轨卫星在通信、导航、气象、预警等方面发挥着越来越重要的作用,高轨自主导航技术已经成为我国迫切需要发展的航天新技术之一,在高轨航天器上使用导航接收机成为各类工程应用的热点。当轨道高度高于导航星座时,接收机将只能接收来自地球另一边的导航信号。由于需要接收导航卫星发射天线的低增益旁瓣信号,再加上地球阻挡、信号自由空间损耗加大、发射天线增益降低等因素,导航卫星对于用户星的可见性和信号强度将会变差,接收机的接收功率将比普通星载接收机功率低10dB以上。高轨接收机若采用常规设计手段,将导致其可用卫星数目低于四颗而影响定位。 为了确定高轨弱信号捕获的技术指标,本文对高轨接收BDS/GPS信号特性进行了仿真,将本文捕获算法的接收功率门限设置为-175dBW。针对高轨接收导航信号功率微弱的问题,开展高轨BDS/GPS弱信号捕获技术研究。在信号搜索方式方面,本文详细比较分析了线性搜索、基于FFT的并行频率搜索和基于FFT的并行码相位搜索的差别;在增益累积方式上,本文对相干累积、非相干累积和差分相干累积进行了比较分析;在消除数据码相位跳变方面,本文介绍了半比特和全比特累积方法。本文通过比较分析已有的各种算法之间的差别和各自优势,为后续弱信号捕获方案的确定提供理论依据。在对BDS信号分析时发现,BDS由于存在的二次编码—NH码,使得信号在积分时无法进行长时间相干累积,目前文献中关于NH码限制累积长度的研究很少。本文在分析调制NH码的20ms数据叠加码自相关特性基础上,结合消除导航电文翻转的方法,对20ms数据采取改进的差分相干累积算法来提高BDS的弱信号处理增益,并对GPS信号做相同的处理,完成BDS/GPS弱信号的捕获。 在仿真本文算法的同时,本文还仿真了其他的算法,通过对比分析,验证了本文算法在弱信号捕获方面,尤其是针对BDS弱信号捕获,较其他算法有一定的优势。通过仿真验证,本文设计的弱信号捕获方案及相关算法能够成功捕获到接收功率为-178dBW的BDS/GPS弱信号,达到了技术指标,满足高轨导航接收机的导航需求。


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