基于连续相位调制的多波段导航信号模型研究

发布时间：2020-06-04 19:49

【摘要】：随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的不断发展,L波段导航信号将日趋拥挤,开发新的频段资源是加快GNSS系统演进的重要手段。国际电联(International Telecommunication Union,ITU)已将S(2483.5MHz-2500MHz)和C波段(5010MHz-5030MHz)分配给导航业务,尽管S或C波段信号难以超越L波段信号性能,但L、S和C波段信号的测量值组合不仅可以提高定位精度,而且可以增加卫星导航服务多样性和扩展新业务,因此多波段导航势必将成为未来GNSS系统的关键技术。GNSS信号体制设计决定导航系统性能上界,调制方案是导航信号体制设计中最为重要的环节,影响导航信号的码跟踪精度,抗多径能力和兼容性。考虑到L和S波段日趋严峻的无线频谱兼容性问题,C波段严格的带外约束条件以及S和C波段严重的空间损耗,在多波段导航模式下,设计一种多波段通用且兼顾带外约束性和导航性能的信号模型,为加快多波段导航实用化进程具有重要的现实意义。鉴于连续相位调制(Continuous Phase Modulation,CPM)具有恒定包络且相位连续,功率效能与频带效能高,参数调整灵活的特点,特别适用于采用非线性高功率放大器且功率和带宽均受限的GNSS系统,为此,论文针对基于CPM调制的多波段导航信号模型展开研究,旨在提高多波段导航定位精度与可靠性,增强信号鲁棒性,以及提升GNSS综合性能。论文的主要研究内容如下:第一,在多波段导航模式下,研究未来北斗L、S和C波段多频测量值组合模型,提出基于超宽巷(Extra Wide-Lane,EWL)、宽巷(Wide-Lane,WL)、中巷(Medium-Lane,ML)和窄巷(Narrow-Lane,NL)的多波段多频测量值组合。设计S和C波段频点分布,建立北斗L、S和C波段多频测量值组合模型,通过巷数、电离层因子和观测噪声因子分析超宽巷、宽巷、中巷和窄巷多波段多频测量值组合特性,完成长基线和短基线场景下多波段多频测量值组合的优选。第二,设计CPM码跟踪环路与完善GNSS信号抗多径能力的质量评估技术。研究CPM自相关特性,设计适用于CPM匹配接收的码跟踪环路模型。鉴于目前的多径分析方法仅考虑一条反射路径,而对于多条反射信号的干扰分析仍处于隐函数分析方法,研究多径评估技术机理,在N条多径信号存在的条件下,推导相干与非相干码跟踪环路通用多径误差包络显函数表达式。第三,针对现代GNSS调制的高频谱旁瓣会加剧L,S和C波段无线频谱兼容性问题,提出CPM作为多波段导航信号的调制方案。建立CPM时域和频域数学模型,研究不同调制参数对CPM功率谱特性的影响,进一步提出CPM作为单主瓣和双主瓣GNSS信号的参数设计方法,并完成对不同CPM子族的评估与优选。考虑到L、S和C波段频点分布与兼容性需求,同时又要兼顾GNSS信号性能,利用CPM在GNSS应用中的参数设计方法和优选的CPM子族,完成各波段CPM调制方案的设计与评估。第四,针对奇偶校验(Low Density Parity Check,LDPC)码与CPM串行级联的LDPC-CPM信号模型在多波段导航中存在正反馈和实时性问题,提出基于外信息加权处理的动态迭代停止算法。为弥补S和C波段严重的空间损耗,提出基于软输入软输出(Soft-Input Soft-Output,SISO)算法的LDPC-CPM信号模型应用于多波段导航系统,然后引入外信息加权处理方法以抑制该模型在低E_b N_0下的正反馈问题,同时提升中高E_b N_0下的系统收敛性。针对系统迭代检测实时性问题,利用外信息转移(Extrinsic Information Transfer,EXIT)技术和基于互信息的动态迭代停止算法对LDPC-CPM接收机的内外迭代机制进行优化以实现比特错误率(Bit Error Rate,BER)性能与迭代译码时延的完美折中。
【图文】：

系统(Indian Regional Navigation Satellite System, IRNSS)，日本准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System, QZSS)以及SBAS正在不断演进，L波段导航信号在2030年预计将超过400个且空间在轨导航卫星将多达160颗，如图1.1所示[9]。届时L波段频谱拥挤的状况势必会被如此多的GNSS信号进一步加剧，L波段无线频谱兼容性问题将日趋严峻。为加快GNSS系统发展，ITU将S波段和C波段分配给导航业务[10-12]。目前，我国BDS的无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service, RDSS)和IRNSS的导航业务使用S波段[13-15]，而C波段导航资源并未被占用和触及，但多个国家已表明要开发和利用C波段资源的意图[16-21]，，客观上多波段导航将成为可能。现代化的GPS，GLONASS

2 国内外研究现状分析信号体制是 GNSS 系统设计中最为关键的环节，其结构设计的合理性直接SS 系统的定位、导航、授时等服务，并影响着兼容性、跟踪性能、抗多径能操作性等技术指标，是系统设计和升级必须解决的关键技术[33, 41-43]。图 1.2 围征呈现了导航信号结构与信号性能之间的关系。导航信号作为 GNSS 信号体制要由调制方式、载波频点、码速率、信息速率以及信道编码等方面组成[9, 41]。对性能的要求不同，信号结构模型的设计不可能做到全面最优化，它只能是各权衡的结果。对于多波段导航系统来说，兼容性、抗多径能力、解调性能以及能是主要技术指标。根据各波段约束性要求，本章将从波段频点分布，调制波编码以及 GNSS 信号质量评估技术方面分析国内外研究现状与现有技术存在题，汇总国内外 GNSS 信号模型的演进历程，从中挖掘多波段导航信号模型的。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN967.1

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本文编号：2696887