卫星导航信号扩频码构造、优选和增强接收技术研究

发布时间：2017-10-29 07:11

  本文关键词：卫星导航信号扩频码构造、优选和增强接收技术研究

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【摘要】：全球导航卫星系统能够为数量不受限的用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务,卫星导航系统成为构成现代化国家和军事能力的重要基础设施。导航信号体制是卫星导航系统成功应用的五项关键技术之一,具有高性能、兼容与互操作、自主知识产权的导航信号体制是北斗全球系统参与全球导航卫星系统竞争的必要条件。在此背景下,本文选择基于码分多址信号体制的基石——扩频码设计和导航信号增强接收为研究重点,研究扩频码的性能测度、构造方法、优选方法、分配方法和基于信号体制的接收增强技术,形成了完整的扩频码设计、评估和应用能力,并应用于北斗全球系统信号体制设计和公开服务信号接收增强。论文的主要工作和创新点如下:1.提出用于扩频码设计、评估的通用研究框架和三个基本原则。从通信、测距、抗干扰、安全对抗和知识产权等五个视角分析了卫星导航扩频码的设计约束,综合扩频码设计已有成果和课题研究实践,提出扩频码设计的通用研究框架和基本原则。在通用研究框架中,扩频码设计被分解为四个基本问题,通用研究框架为扩频码设计分解与协同提供了依据,为扩频码和设计方法的评测提供了基准,扩频码设计应当遵循有限目标、分而治之、设计和评估分离原则。2.提出两种适合任意码长、高性能的扩频码构造方法:迭代交织码和真随机数码。为设计具有兼容与互操作、自主知识产权、高性能的北斗全球系统扩频码,提出基于迭代交织和真随机数的扩频码构造方法。迭代交织码以置换群理论为数学基础,基于随机交织和反馈-迭代环路构造,真随机数码是将无限周期、不可预测的真随机序列截断并变换构造的扩频码,这两种方法可产生任意码长、高性能的扩频码而适用于任意导航信号和扩频通信。在4种典型码长下的性能评测表明:采用新方法构造的扩频码方案与GPS、Galileo和北斗的现有方案比较性能相当或更优,可以作为北斗系统公开服务信号的候选方案。3.提出两种多项式时间、高性能的导航信号扩频码优选方法:贪心算法和最大团模型算法。定量分析扩频码优选的复杂度组成,证明以互相关函数为代表的组合性能测度优化是NP复杂度的原因,提出一种基于分治策略的扩频码优选技术路径。提出优化扩频码互相关性能的贪心算法和最大团模型算法,贪心算法依照当前最优准则将互相关优化转化为扩频码字的多次删除,是一种“减法”策略;基于最大团模型的优化算法使用图论描述扩频码的互相关性,互相关优化转化为最大团的迭代搜索问题,是一种“加法”策略。新的优化算法具有多项式时间复杂度,对码长和数据规模没有限制,基于4种典型扩频码的优化实验表明:在候选码字集合相同的条件下,优化扩频码方案性能优于现有方案。4.完成北斗全球系统的上行信号体制设计,提出一种基于卫星配对的扩频码分配方法。为实现高可靠、高安全性,高效率的北斗导航卫星管控,提出一种“双通道三模式”信号结构并完成详细设计,新扩频码方案在抗干扰性能、自相关和互相关性能显著改善。基于导航卫星的星座拓扑和扩频码互相关性差异,提出一种基于卫星配对的扩频码优化方法,给出卫星信号互不干扰的卫星配对概念。北斗全球系统的扩频码分配实验表明:基于卫星配对的方法只需要15组扩频码即可满足27颗MEO卫星需要,上行信号扩频码相关性改善0.3至0.55dB,下行B1I导航信号扩频码相关性改善1.02至1.74dB,导航接收机搜索扩频码的时间降低44%。5.提出两种低复杂度、近最优的BCH码译码算法用于增强北斗公开服务性能。在分析导航信号体制和接收机灵敏度关系的基础上,通过性能评估证明北斗B1I/B2I接口控制文件(ICD)中的BCH码纠错算法无法实现改善接收机性能的目的。提出两种用于增强北斗接收机性能的近最优BCH码译码算法,低复杂度Chase算法通过伴随式计算和判决测度优化将基本Chase算法复杂度降低了约60%,伴随式辅助的列表译码是一种硬判决和软判决结合的列表译码算法,其复杂度低于Chase算法并且不需要排序运算。这两种译码算法在误码率510-时距离最大似然算法分别为0.01dB和0.08dB。
【关键词】：北斗卫星导航系统 信号体制 扩频码 迭代交织码 最大团问题 卫星配对 BCH译码
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN967.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 缩略语对照表15-18
• 第1章 绪论18-32
• 1.1 课题研究的背景及意义18-21
• 1.1.1 卫星导航信号体制演进18-20
• 1.1.2 论文选题的意义20-21
• 1.2 卫星导航信号扩频码国内外研究现状21-27
• 1.2.1 扩频码性能测度研究22-24
• 1.2.2 扩频码构造方法研究24-25
• 1.2.3 扩频码优选方法研究25-26
• 1.2.4 扩频码分配优化研究26-27
• 1.3 卫星导航信号增强接收国内外研究现状27-28
• 1.4 论文主要工作与内容安排28-32
• 第2章 导航信号扩频码设计约束、框架和原则32-54
• 2.1 引言32
• 2.2 导航信号扩频码的设计约束分析32-49
• 2.2.1 基于通信的视角32-39
• 2.2.2 基于测距的视角39-44
• 2.2.3 基于抗干扰的视角44-47
• 2.2.4 基于安全对抗的视角47-48
• 2.2.5 基于知识产权的视角48-49
• 2.3 导航信号扩频码通用设计框架与设计原则49-53
• 2.3.1 扩频码设计通用框架49-50
• 2.3.2 扩频码设计的四个基本问题50-52
• 2.3.3 扩频码设计的基本原则52-53
• 2.4 本章小结53-54
• 第3章 导航信号扩频码构造方法研究54-70
• 3.1 引言54
• 3.2 基于迭代交织的扩频码构造方法54-62
• 3.2.1 迭代交织器的随机化效应与数学模型54-57
• 3.2.2 基于迭代交织的扩频码构造实现57-60
• 3.2.3 算法性能分析60-62
• 3.3 基于真随机数的扩频码构造方法62-69
• 3.3.1 真随机数的概念与生成62-64
• 3.3.2 基于真随机数的扩频码构造实现64-66
• 3.3.3 算法性能分析66-69
• 3.4 本章小结69-70
• 第4章 导航信号扩频码优选方法研究70-84
• 4.1 引言70
• 4.2 扩频码优选的复杂度分析70-75
• 4.2.1 数据规模与优选复杂度71-72
• 4.2.2 性能测度与优选复杂度72-74
• 4.2.3 基于分治策略的实现路径74-75
• 4.3 基于贪心算法的扩频码优选75-79
• 4.3.1 扩频码的互相关性能测度75-76
• 4.3.2 基于贪心算法的互相关优化实现76-77
• 4.3.3 算法性能分析77-79
• 4.4 基于最大团模型的扩频码优选79-83
• 4.4.1 互相关优化的最大团模型79-80
• 4.4.2 基于最大团模型的互相关优化实现80-82
• 4.4.3 算法性能分析82-83
• 4.5 本章小结83-84
• 第5章 北斗上行信号体制设计和扩频码分配优化84-100
• 5.1 引言84
• 5.2 上行信号体制设计目标与框架方案84-91
• 5.2.1 上行信号体制的设计目标84-85
• 5.2.2 上行信号体制框架方案85-88
• 5.2.3 上行信号扩频码设计与性能分析88-91
• 5.3 基于卫星配对的北斗系统扩频码分配优化91-98
• 5.3.1 卫星配对的概念定义92-94
• 5.3.2 北斗系统扩频码分配优化实现94-95
• 5.3.3 算法性能分析95-98
• 5.4 本章小结98-100
• 第6章 北斗公开服务信号增强接收研究100-120
• 6.1 引言100-101
• 6.2 北斗B1I/B2I信号体制与接收机性能101-108
• 6.2.1 北斗B1I/B2I信号体制101-102
• 6.2.2 导航接收机灵敏度与信号体制关系102-104
• 6.2.3 BCH码在导航接收机中的作用与译码104-108
• 6.3 低复杂度Chase译码算法108-113
• 6.3.1 基本Chase译码算法与复杂度分析108-109
• 6.3.2 低复杂度的伴随式计算和距离准则109-111
• 6.3.3 算法性能分析111-113
• 6.4 伴随式辅助的列表译码算法113-119
• 6.4.1 伴随式辅助的列表译码算法原理113-115
• 6.4.2 基于伴随式辅助的北斗BCH码列表译码实现115-117
• 6.4.3 算法性能分析117-119
• 6.5 本章小结119-120
• 第7章 总结与展望120-123
• 7.1 本文的主要工作和创新点120-121
• 7.2 下一步的研究方向121-123
• 参考文献123-136
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单136-138
• 致谢138

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本文编号：1111926