【摘要】：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)到今天已經(jīng)發(fā)展成為人類社會生活不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。近些年來,大眾生活領(lǐng)域正在成為衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)新的增長點(diǎn)。然而,在復(fù)雜的市區(qū)環(huán)境下,信號功率衰減和多徑效應(yīng)已成為影響GNSS接收機(jī)性能的主要因素。多徑效應(yīng)主要是由天線附近建筑物反射以及繞射過來的多條不同路徑信號而引發(fā)的,由此可能產(chǎn)生各路徑之間的干擾,導(dǎo)致測距誤差可達(dá)數(shù)十米,甚至更高,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的定位精度和可靠性。本課題以市區(qū)環(huán)境下的GNSS信號,特別是北斗信號為研究對象,考慮到在實(shí)際應(yīng)用中難以準(zhǔn)確獲得先驗(yàn)信息,重點(diǎn)研究利用盲處理技術(shù)解決導(dǎo)航信號中存在的多徑干擾問題。首先,課題以北斗信號為例研究了GNSS信號的結(jié)構(gòu)、組成部分以及調(diào)制情況,根據(jù)北斗中頻信號B1頻點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合仿真分析了北斗多徑模型中產(chǎn)生影響的各種因素,并從概率統(tǒng)計(jì)的角度對模型的正確性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證;結(jié)合課題研究需求,在前述工作的基礎(chǔ)上,引入陣列信號接收模型,通過對仿真數(shù)據(jù)的捕獲和波達(dá)方向(Direction of Arrival,DOA)的估計(jì),驗(yàn)證了信號模擬方案的正確性,然后通過對實(shí)際北斗陣列信號的采集和對比,進(jìn)一步證實(shí)了所構(gòu)建仿真環(huán)境的正確性和有效性,滿足了后續(xù)研究的需要。其次,為給波束形成操作提供到達(dá)方向信息,論文首先以代表性的多重信號分類(Multiple Signal Classifacation,MUSIC)算法為例對DOA估計(jì)算法進(jìn)行分析,然后在分析獨(dú)立分量分析(Independent Component Analysis,ICA)算法的原理、特性和適用條件的基礎(chǔ)上,提出基于ICA算法的GNSS信號DOA估計(jì)方案,并與MUSIC算法進(jìn)行性能仿真對比,結(jié)果表明,提出的方案性能優(yōu)于傳統(tǒng)的MUSIC算法。再次,在前述工作的基礎(chǔ)上,論文對多徑信號的DOA估計(jì)方法進(jìn)行了深入研究,通過引入壓縮感知理論中的稀疏信號重建思想,并將其與ICA算法相結(jié)合,提出一種新的可估計(jì)直達(dá)與多徑分量DOA的方法,并將該方法與經(jīng)典的空間平滑結(jié)合MUSIC算法進(jìn)行了詳細(xì)的仿真對比,結(jié)果表明,新方案估計(jì)性能明顯好于經(jīng)典算法,而且可用于處理其他方法無法解決的欠定問題。此外,由于在實(shí)際應(yīng)用中二維DOA估計(jì)更為普遍,因此,在新提出的一維多徑信號DOA估計(jì)方法的基礎(chǔ)上,提出基于L型陣列的二維多徑信號DOA估計(jì)方法。該方法通過定義合成角,減少了壓縮感知理論中過完備字典的維度,將二維DOA估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為一維問題進(jìn)行研究,從而使計(jì)算復(fù)雜度大大降低。仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。然后,由于市區(qū)環(huán)境下GNSS接收信號強(qiáng)度微弱,而多徑信號的DOA估計(jì)對陣列接收信號的信噪比要求較高,采用先估計(jì)信號到達(dá)方向再抑制多徑的方法較為困難。本課題根據(jù)處理對象是GNSS信號的特點(diǎn),提出一種基于后相關(guān)技術(shù)的波束形成方法。該方法將波束形成算法加入到跟蹤環(huán)路中,先利用后相關(guān)技術(shù)處理所有陣元上的接收信號,利用擴(kuò)頻增益提高信噪比,再對解擴(kuò)后的信號進(jìn)行多徑DOA估計(jì),并利用DOA估計(jì)結(jié)果對解擴(kuò)信號進(jìn)行波束形成,以實(shí)現(xiàn)抑制多徑的目的。經(jīng)仿真驗(yàn)證,該方法可在衛(wèi)星導(dǎo)航信號信噪比低至-35dB的情況下有效抑制短延遲多徑和中、長多徑干擾,其所得結(jié)果不受多徑延遲、多徑衰減量的影響,誤碼率為0,在接收信號信噪比-35~0dB范圍內(nèi),可將導(dǎo)航電文的信噪比在擴(kuò)頻增益后繼續(xù)提升4~6dB。最后,基于前述研究,為充分發(fā)揮ICA技術(shù)在信號分離方面的優(yōu)勢,論文提出將ICA技術(shù)應(yīng)用于后相關(guān)多徑抑制。與后相關(guān)波束形成方法類似,該方法采用ICA算法從經(jīng)過擴(kuò)頻增益的信號中直接提取出直達(dá)信號分量,實(shí)現(xiàn)多徑抑制。由于ICA算法自身具有濾除噪聲的優(yōu)點(diǎn),導(dǎo)航電文的信噪比在擴(kuò)頻增益后得到了進(jìn)一步的改善。經(jīng)仿真驗(yàn)證,此方案除了可以在衛(wèi)星導(dǎo)航信號信噪比低至-35dB的情況下有效抑制多徑干擾,還同時濾除部分相關(guān)過程中產(chǎn)生的噪聲和系統(tǒng)噪聲,使導(dǎo)航電文信號質(zhì)量得到很大改善,在接收信號信噪比-35~0dB范圍內(nèi),可將導(dǎo)航電文的信噪比在擴(kuò)頻增益后繼續(xù)提升5~11dB。由于同樣基于后相關(guān)技術(shù),此方案與前一種后相關(guān)處理方案均可用于GNSS弱信號環(huán)境下的多徑抑制,且實(shí)現(xiàn)起來更為簡便,不會引入DOA估計(jì)誤差。該方案雖然不能在期望方向上形成增益,但采用ICA的方法可利用算法本身特性濾除噪聲,因此在對信號質(zhì)量的改善程度上略優(yōu)于前一種,且具有更好的多徑信號抑制能力。
【圖文】：

DMA）的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，這里的碼指 B1I 測距碼，它是一種偽隨機(jī)碼。測距碼由一合的二進(jìn)制數(shù)組成，其中的每一位二進(jìn)制數(shù)都稱為一個碼片，也可稱作是碼元。一元持續(xù)的時間 Tc稱為碼寬，單位時間內(nèi)碼片的數(shù)目稱為碼速率。如果隨機(jī)地產(chǎn)生一系列二進(jìn)制數(shù)，那么這些數(shù)排列在一起就組成了一個二進(jìn)制隨列，不過這個二進(jìn)制序列不能被預(yù)測，不能被重現(xiàn)，也沒有周期性，因此雖具有良自相關(guān)性，但不能在實(shí)際中加以利用。CDMA 信號具有良好的自相關(guān)性，因此需要既能按照某一規(guī)則預(yù)先確定和重現(xiàn)，又具有良好自相關(guān)性的二進(jìn)制序列，而偽隨機(jī)碼（Pseudo Random Noise, PRN)具有這樣的特點(diǎn)。在 GNSS 系統(tǒng)中偽隨機(jī)噪聲碼也測距碼，具有良好自相關(guān)和互相關(guān)性。與 GPS 信號的 C/A 碼結(jié)構(gòu)類似，北斗 B1I 信號的測距碼由兩個 11 級線性移位寄分別產(chǎn)生的兩個線性序列 G1 和 G2 經(jīng)模二和后截短 1 碼片生成，這兩個序列的特項(xiàng)式如下：7 8 9 10 112 3 4 5 8 9 111( ) 12( ) 1G X X X X X X XG X X X X X X X X X= + + + + + += + + + + + + + +(3中，G1 和 G2 的初始相位均為：01010101010。碼發(fā)生器如下圖 2.1 所示：

北斗衛(wèi)星信號 B1I 碼呈現(xiàn)出良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，與理論分析相符。2.1.2 NH 碼北斗衛(wèi)星 B1 信號具有兩種導(dǎo)航電文，其中，MEO/IGSO 衛(wèi)星播發(fā) D1 導(dǎo)航電文，GEO 衛(wèi)星播發(fā) D2 導(dǎo)航電文，兩種導(dǎo)航電文的速率和結(jié)構(gòu)有所不同。D1 導(dǎo)航電文速率為 50bps，內(nèi)容包含基本導(dǎo)航信息，并調(diào)制二次編碼，即 Neumann-Hoffman 碼（以下簡稱 NH 碼）。D2 導(dǎo)航電文速率為 500bps，內(nèi)容包含基本導(dǎo)航信息和增強(qiáng)服務(wù)信息，不調(diào)制 NH 碼。本文主要研究播發(fā) D1 導(dǎo)航電文的 MEO/IGSO 衛(wèi)星。調(diào)制于D1導(dǎo)航電文上的NH碼共有20個碼元（0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0），碼速率為 1kbps，，碼寬為 1ms，碼周期為 1 個導(dǎo)航信息位的寬度（20ms）。由于 B1I 信號的測距碼速率為 2.046 MHz，碼長為 2046，即周期為 1ms，以模二加形式與擴(kuò)頻碼和導(dǎo)航電文同步調(diào)制，因此，1 比特導(dǎo)航電文對應(yīng) 1 個 NH 碼周期，1 比特 NH 碼對應(yīng) 1 個測距碼周期，如圖 2.3 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN967.1

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本文編號：2622275