【摘要】：隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的不斷發(fā)展,L波段導航信號將日趨擁擠,開發(fā)新的頻段資源是加快GNSS系統(tǒng)演進的重要手段。國際電聯(lián)(International Telecommunication Union,ITU)已將S(2483.5MHz-2500MHz)和C波段(5010MHz-5030MHz)分配給導航業(yè)務,盡管S或C波段信號難以超越L波段信號性能,但L、S和C波段信號的測量值組合不僅可以提高定位精度,而且可以增加衛(wèi)星導航服務多樣性和擴展新業(yè)務,因此多波段導航勢必將成為未來GNSS系統(tǒng)的關鍵技術。GNSS信號體制設計決定導航系統(tǒng)性能上界,調(diào)制方案是導航信號體制設計中最為重要的環(huán)節(jié),影響導航信號的碼跟蹤精度,抗多徑能力和兼容性�？紤]到L和S波段日趨嚴峻的無線頻譜兼容性問題,C波段嚴格的帶外約束條件以及S和C波段嚴重的空間損耗,在多波段導航模式下,設計一種多波段通用且兼顧帶外約束性和導航性能的信號模型,為加快多波段導航實用化進程具有重要的現(xiàn)實意義。鑒于連續(xù)相位調(diào)制(Continuous Phase Modulation,CPM)具有恒定包絡且相位連續(xù),功率效能與頻帶效能高,參數(shù)調(diào)整靈活的特點,特別適用于采用非線性高功率放大器且功率和帶寬均受限的GNSS系統(tǒng),為此,論文針對基于CPM調(diào)制的多波段導航信號模型展開研究,旨在提高多波段導航定位精度與可靠性,增強信號魯棒性,以及提升GNSS綜合性能。論文的主要研究內(nèi)容如下:第一,在多波段導航模式下,研究未來北斗L、S和C波段多頻測量值組合模型,提出基于超寬巷(Extra Wide-Lane,EWL)、寬巷(Wide-Lane,WL)、中巷(Medium-Lane,ML)和窄巷(Narrow-Lane,NL)的多波段多頻測量值組合。設計S和C波段頻點分布,建立北斗L、S和C波段多頻測量值組合模型,通過巷數(shù)、電離層因子和觀測噪聲因子分析超寬巷、寬巷、中巷和窄巷多波段多頻測量值組合特性,完成長基線和短基線場景下多波段多頻測量值組合的優(yōu)選。第二,設計CPM碼跟蹤環(huán)路與完善GNSS信號抗多徑能力的質(zhì)量評估技術。研究CPM自相關特性,設計適用于CPM匹配接收的碼跟蹤環(huán)路模型。鑒于目前的多徑分析方法僅考慮一條反射路徑,而對于多條反射信號的干擾分析仍處于隱函數(shù)分析方法,研究多徑評估技術機理,在N條多徑信號存在的條件下,推導相干與非相干碼跟蹤環(huán)路通用多徑誤差包絡顯函數(shù)表達式。第三,針對現(xiàn)代GNSS調(diào)制的高頻譜旁瓣會加劇L,S和C波段無線頻譜兼容性問題,提出CPM作為多波段導航信號的調(diào)制方案。建立CPM時域和頻域數(shù)學模型,研究不同調(diào)制參數(shù)對CPM功率譜特性的影響,進一步提出CPM作為單主瓣和雙主瓣GNSS信號的參數(shù)設計方法,并完成對不同CPM子族的評估與優(yōu)選�？紤]到L、S和C波段頻點分布與兼容性需求,同時又要兼顧GNSS信號性能,利用CPM在GNSS應用中的參數(shù)設計方法和優(yōu)選的CPM子族,完成各波段CPM調(diào)制方案的設計與評估。第四,針對奇偶校驗(Low Density Parity Check,LDPC)碼與CPM串行級聯(lián)的LDPC-CPM信號模型在多波段導航中存在正反饋和實時性問題,提出基于外信息加權處理的動態(tài)迭代停止算法。為彌補S和C波段嚴重的空間損耗,提出基于軟輸入軟輸出(Soft-Input Soft-Output,SISO)算法的LDPC-CPM信號模型應用于多波段導航系統(tǒng),然后引入外信息加權處理方法以抑制該模型在低E_b N_0下的正反饋問題,同時提升中高E_b N_0下的系統(tǒng)收斂性。針對系統(tǒng)迭代檢測實時性問題,利用外信息轉(zhuǎn)移(Extrinsic Information Transfer,EXIT)技術和基于互信息的動態(tài)迭代停止算法對LDPC-CPM接收機的內(nèi)外迭代機制進行優(yōu)化以實現(xiàn)比特錯誤率(Bit Error Rate,BER)性能與迭代譯碼時延的完美折中。
【圖文】：

系統(tǒng)(Indian Regional Navigation Satellite System, IRNSS)，日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System, QZSS)以及SBAS正在不斷演進，L波段導航信號在2030年預計將超過400個且空間在軌導航衛(wèi)星將多達160顆，如圖1.1所示[9]。屆時L波段頻譜擁擠的狀況勢必會被如此多的GNSS信號進一步加劇，L波段無線頻譜兼容性問題將日趨嚴峻。為加快GNSS系統(tǒng)發(fā)展，ITU將S波段和C波段分配給導航業(yè)務[10-12]。目前，我國BDS的無線電測定業(yè)務(Radio Determination Satellite Service, RDSS)和IRNSS的導航業(yè)務使用S波段[13-15]，而C波段導航資源并未被占用和觸及，但多個國家已表明要開發(fā)和利用C波段資源的意圖[16-21]，，客觀上多波段導航將成為可能�，F(xiàn)代化的GPS，GLONASS

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析信號體制是 GNSS 系統(tǒng)設計中最為關鍵的環(huán)節(jié)，其結(jié)構設計的合理性直接SS 系統(tǒng)的定位、導航、授時等服務，并影響著兼容性、跟蹤性能、抗多徑能操作性等技術指標，是系統(tǒng)設計和升級必須解決的關鍵技術[33, 41-43]。圖 1.2 圍征呈現(xiàn)了導航信號結(jié)構與信號性能之間的關系。導航信號作為 GNSS 信號體制要由調(diào)制方式、載波頻點、碼速率、信息速率以及信道編碼等方面組成[9, 41]。對性能的要求不同，信號結(jié)構模型的設計不可能做到全面最優(yōu)化，它只能是各權衡的結(jié)果。對于多波段導航系統(tǒng)來說，兼容性、抗多徑能力、解調(diào)性能以及能是主要技術指標。根據(jù)各波段約束性要求，本章將從波段頻點分布，調(diào)制波編碼以及 GNSS 信號質(zhì)量評估技術方面分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與現(xiàn)有技術存在題，匯總國內(nèi)外 GNSS 信號模型的演進歷程，從中挖掘多波段導航信號模型的。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN967.1

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本文編號：2696887