衛(wèi)星導(dǎo)航C頻段信號體制研究.pdf

1、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)今世界上發(fā)展最迅猛的信息技術(shù)之一。目前，L頻段GPS、Galileo、GLONASS以及我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共存，導(dǎo)航服務(wù)信號眾多，頻譜重疊嚴(yán)重，導(dǎo)致信號間干擾加劇，因此尋求新的導(dǎo)航服務(wù)頻段將非常必要。2000年世界無線電大會上將C頻段中5010MHz~5030MHz頻段劃分為導(dǎo)航服務(wù)的下行信號頻段，歐空局也展開過對C頻段的信號體制、空間與地面站及相關(guān)用戶終端等的研究。L頻段我國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)起步晚于美國，因此在信號體制

2、上受制于人，鑒于此我們有必要在C頻段展開預(yù)先研究，將來可搶占先發(fā)優(yōu)勢，從而用專利保護(hù)北斗利益。另外也可為我國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頂層設(shè)計以及導(dǎo)航系統(tǒng)間國際協(xié)調(diào)提供技術(shù)參考。本文依托北斗專項課題“GNSS L/S/C頻段兼容性分析研究”，對C頻段信號性能、兼容評估技術(shù)進(jìn)行全面分析，由此對相關(guān)的信號體制技術(shù)展開研究，并提出了一系列新的設(shè)計結(jié)果。
　　本文對C頻段性能分析及提升濾波算法、C頻段信號兼容性評估、C頻段導(dǎo)航電文設(shè)計、C頻段信號調(diào)

3、制方式設(shè)計等進(jìn)行了深入研究。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果包括以下四個方面：
　?。?）對C頻段與L1頻段的信號傳播性能、信號跟蹤性能進(jìn)行對比分析，以便進(jìn)行相關(guān)的信號體制設(shè)計；全面分析了不同導(dǎo)航系統(tǒng)間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和時間轉(zhuǎn)換方法，可為系統(tǒng)間實現(xiàn)互操作提供一定的參考；研究性能提升濾波算法，考慮到均差濾波算法在一次迭代后，系統(tǒng)狀態(tài)中已經(jīng)包含了測量噪聲信息，因此狀態(tài)估計不再與測量噪聲統(tǒng)計正交，從而影響精度，針對此問題提出了一種新的濾波算法—基于狀態(tài)增

4、廣的迭代均差濾波算法。仿真結(jié)果表明，由于C頻段載波頻率的提高，造成了自由空間損耗，對流層、雨滴、云霧等造成的衰減均大于L1頻段，但同時C頻段電離層衰減卻小于L1頻段；C頻段PLL跟蹤性能較差，但它的相位多徑性能較優(yōu)，DLL跟蹤性能相當(dāng)；新濾波算法將測量噪聲信息增廣到系統(tǒng)狀態(tài)中，保證了狀態(tài)估計與測量噪聲統(tǒng)計正交，因此可提高非線性高斯系統(tǒng)的濾波精度。
　?。?）通過分析干擾信號對接收機(jī)的影響，推導(dǎo)出基于頻譜分離系數(shù)和碼跟蹤靈敏度系數(shù)的

5、等效載噪比衰減計算公式，可用來評估帶內(nèi)信號的兼容性；研究了C頻段導(dǎo)航信號與射電天文和微波著陸系統(tǒng)的帶外兼容性評估方法，并利用兼容評估理論方法對當(dāng)前 L頻段的典型信號進(jìn)行兼容性仿真分析。結(jié)果表明，直接將 L頻段互操作信號調(diào)制方式復(fù)用二進(jìn)制偏移載波（Multiplexed Binary Offset Carrier，MBOC）搬移到C頻段會造成較大的帶內(nèi)信號間干擾，而最小頻移鍵控脈沖二進(jìn)制編碼符號調(diào)制序列MSK-BCS([1,-1,1,-1

6、,1,-1,1,-1,1,1],1)作為互操作調(diào)制方式時，可在一定程度上降低帶內(nèi)信號間干擾；當(dāng)今所有調(diào)制方式均無法滿足 C頻段嚴(yán)格的帶外兼容性要求，只有新型調(diào)制??MSK-BCS[-1,1,1,1],1可滿足要求，但該調(diào)制方法其他性能欠優(yōu)，因此需要研究更適合C頻段的調(diào)制方式。
　?。?）設(shè)計了C頻段段導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)；簡要介紹了低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC碼）和前向糾錯（For

7、ward Error Correction，F(xiàn)EC）編碼譯碼技術(shù)原理；全面考慮鎖相環(huán)跟蹤環(huán)路誤差以及誤碼率在滿足門限值的前提下，對數(shù)據(jù)通道導(dǎo)頻通道功率比和電文速率進(jìn)行折衷選擇出最佳方案。結(jié)果表明，C頻段導(dǎo)航電文除了播發(fā)通用導(dǎo)航信息外，考慮到 C頻段性能，還應(yīng)加入了導(dǎo)航電文認(rèn)證數(shù)據(jù)簽名、新密鑰、以及為了進(jìn)行對流層修正的天頂靜力學(xué)延遲數(shù)據(jù)和天頂濕延遲數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通道與導(dǎo)頻通道功率分配為50/50，位速率為50bps，可作為最佳折衷方案同時滿足

8、跟蹤與數(shù)據(jù)解調(diào)。
　　（4）介紹了L頻段常用的矩形調(diào)制波形和正弦調(diào)制波形的原理；對高斯最小頻移鍵控（Gaussian Minimum Shift Keying，GMSK）和長橢圓球波函數(shù)（Prolate Spheroidal Wave Functions，PSWF）這兩種可作為C頻段候選調(diào)制波形進(jìn)行了簡要的理論分析；針對當(dāng)前已有的MSK-BCS([1,?1,1,?1,1,?1,1,?1,1,1],1)序列自相關(guān)旁瓣幅值與主瓣非常接

9、近易導(dǎo)致誤鎖的缺點，提出了一種改進(jìn)型的調(diào)制序列，并將該調(diào)制序列與現(xiàn)有典型調(diào)制方式進(jìn)行了對比分析；仿真結(jié)果表明該調(diào)制方式具有較好的自相關(guān)、抗多徑、碼跟蹤、帶內(nèi)兼容性的同時還能滿足C頻段嚴(yán)格的帶外兼容性。
　　本論文研究的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　（1）針對導(dǎo)航系統(tǒng)中的系統(tǒng)為非線性噪聲為高斯的狀態(tài)估計問題，采用傳統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波估計精度低、濾波輸出誤差收斂速度慢以及迭代均差濾波在一次迭代后狀態(tài)估計不再與測量

10、噪聲統(tǒng)計正交的缺點，提出了一種新的濾波算法—基于狀態(tài)增廣的迭代均差濾波算法，該算法將測量噪聲信息增廣到系統(tǒng)狀態(tài)中，保證了狀態(tài)估計與測量噪聲統(tǒng)計正交，提高了非線性高斯系統(tǒng)的濾波精度。
　?。?）針對電文速率、接收機(jī)數(shù)據(jù)通道導(dǎo)頻通道功率分配對跟蹤與數(shù)據(jù)解調(diào)的影響問題，全面考慮鎖相環(huán)跟蹤環(huán)路誤差以及誤碼率在滿足門限值的情況下，提出了數(shù)據(jù)通道導(dǎo)頻通道功率比和電文速率進(jìn)行折衷選擇的最佳方案，基于此方案可以同時實現(xiàn)跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)性能。