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基于北斗三号的无线电掩星接收机信号处理关键技术研究

仇通胜  
【摘要】:基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的无线电“掩星”探测接收机亦称GNSS无线电“掩星”接收机。其因为可对全球中性大气和电离层进行探测,并具有全天候、高精度、低成本、长期稳定等优点,在数值天气预报、气候变化研究、电离层探测等领域具有广泛应用前景,所以成为地球大气探测领域中不可或缺的先进专用设备。此外,GNSS无线电“掩星”接收机的核心任务是对接收到的导航信号包括折射信号即“掩星”信号和直射信号进行实时处理。日前,我国自主建设运行的全球导航卫星系统北斗三号(BDS-3)已正式开通,并且在多个频段播发一系列导航信号为全世界用户提供公开服务。这标志着BDS-3业已成为GNSS中的重要一员,并且是GNSS无线电“掩星”接收机的重要信号源。一方面,BDS-3在设计上考虑了与其他GNSS系统的兼容和互操作。因此,针对BDS-3所播发导航信号的处理技术能够比较容易地拓展应用于处理其他GNSS系统播发的导航信号,这有利于多GNSS系统兼容设计,从而大大提高接收机的“掩星”事件观测数目。另一方面,BDS-3打破了欧美国家在GNSS领域中的长期垄断地位。基于BDS-3的GNSS无线电“掩星”接收机不仅拓展了BDS-3的应用范围,而且在与之相关的国防、科技、经济等方面的安全得到了保障。综上,本文主要针对基于BDS-3的无线电“掩星”接收机的信号处理关键技术进行研究。本文的主要工作和创新如下:1、本文详细介绍了GNSS无线电“掩星”探测技术的发展脉络和GNSS无线电“掩星”接收机及其信号处理技术的国内外发展现状,并且指明了GNSS无线电“掩星”接收机及其信号处理技术的未来发展方向。2、本文从GNSS无线电“掩星”接收机探测地球大气的系统整体出发,全面介绍了全球导航卫星系统、GNSS无线电“掩星”探测技术的基本原理和GNSS无线电“掩星”接收机的系统组成及其信号处理流程,从而揭示了三者之间的紧密联系,进一步说明了GNSS无线电“掩星”接收机的性能对GNSS无线电“掩星”探测技术反演结果的质量起到了决定性作用。3、本文系统地介绍了导航信号捕获基本原理和技术现状,并且基于“短时相干积分加FFT”的二维并行搜索方法,提出了一种“改进的串并匹配滤波器”。该“改进的串并匹配滤波器”与目前常用的“串并匹配滤波器”和“部分匹配滤波器”相比,具有最低的系统复杂度和最少的硬件资源消耗。基于该“改进的串并匹配滤波器”,并且从实际需求出发,以BDS-3为主,通过解决一系列兼容设计上的难题,提出了一种多GNSS系统兼容捕获方案。该方案能够捕获目前四大主要GNSS系统所播发的常用民用导航信号,并且具有复杂度低、硬件资源消耗少的特点。这有助于增加GNSS无线电“掩星”接收机的“掩星”事件观测数目,并且提高其定位精度等。4、本文深入研究了以BDS-3 B1C信号为代表的新一代导航信号的“子码”特点、“子码”相位快速确定方法和“子码”捕获基本原理与技术。基于此,本文首先提出了一种基于“子码特征长度向量”的“子码”相位快速确定方法,解决了“子码”符号模糊问题并进一步加快了“子码”相位的确定。紧接着,本文提出了一种新颖的“子码”捕获方法——“部分相关方法”。“部分相关方法”相比当前已有方法,硬件资源消耗更少、捕获速度更快、并且捕获概率无明显降低。这提高了GNSS无线电“掩星”接收机在同步和弱信号处理方面的性能。5、本文充分回顾并深入讨论了导航信号跟踪基本原理与技术,论述了GNSS无线电“掩星”接收机对跟踪环路的具体要求和技术路线选择。随后,基于对自适应陷波器技术和锁频环技术的深入研究,本文提出了一种基于自适应滤波器的“新型锁频环”用于信号跟踪。以跟踪BDS-3 B1C信号为例,仿真结果表明,该“新型锁频环”的跟踪灵敏度、跟踪精度和收敛速度全面优于传统二阶锁频环,从而显著提高了GNSS无线电“掩星”接收机的跟踪环路的性能。


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