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卫星导航系统是当今世界上发展最迅猛的信息技术之一。目前,L频段GPS、Galileo、GLONASS以及我国北斗卫星导航系统共存,导航服务信号众多,频谱重叠严重,导致信号间干扰加剧,因此寻求新的导航服务频段将非常必要。2000年世界无线电大会上将C频段中5010MHz~5030MHz频段划分为导航服务的下行信号频段,欧空局也展开过对C频段的信号体制、空间与地面站及相关用户终端等的研究。L频段我国的卫星导航系统起步晚于美国,因此在信号体制上受制于人,鉴于此我们有必要在C频段展开预先研究,将来可抢占先发优势,从而用专利保护北斗利益。另外也可为我国自主卫星导航系统顶层设计以及导航系统间国际协调提供技术参考。本文依托北斗专项课题“GNSS L/S/C频段兼容性分析研究”,对C频段信号性能、兼容评估技术进行全面分析,由此对相关的信号体制技术展开研究,并提出了一系列新的设计结果。本文对C频段性能分析及提升滤波算法、C频段信号兼容性评估、C频段导航电文设计、C频段信号调制方式设计等进行了深入研究。主要的研究内容和结果包括以下四个方面:(1)对C频段与L1频段的信号传播性能、信号跟踪性能进行对比分析,以便进行相关的信号体制设计;全面分析了不同导航系统间的坐标转换和时间转换方法,可为系统间实现互操作提供一定的参考;研究性能提升滤波算法,考虑到均差滤波算法在一次迭代后,系统状态中已经包含了测量噪声信息,因此状态估计不再与测量噪声统计正交,从而影响精度,针对此问题提出了一种新的滤波算法——基于状态增广的迭代均差滤波算法。仿真结果表明,由于C频段载波频率的提高,造成了自由空间损耗,对流层、雨滴、云雾等造成的衰减均大于L1频段,但同时C频段电离层衰减却小于L1频段;C频段PLL跟踪性能较差,但它的相位多径性能较优,DLL跟踪性能相当;新滤波算法将测量噪声信息增广到系统状态中,保证了状态估计与测量噪声统计正交,因此可提高非线性高斯系统的滤波精度。(2)通过分析干扰信号对接收机的影响,推导出基于频谱分离系数和码跟踪灵敏度系数的等效载噪比衰减计算公式,可用来评估带内信号的兼容性;研究了C频段导航信号与射电天文和微波着陆系统的带外兼容性评估方法,并利用兼容评估理论方法对当前L频段的典型信号进行兼容性仿真分析。结果表明,直接将L频段互操作信号调制方式复用二进制偏移载波(Multiplexed Binary Offset Carrier,MBOC)搬移到C频段会造成较大的带内信号间干扰,而最小频移键控脉冲二进制编码符号调制序列MSK-BCS([1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1],1)作为互操作调制方式时,可在一定程度上降低带内信号间干扰;当今所有调制方式均无法满足C频段严格的带外兼容性要求,只有新型调制MSK-BCS(7)[-1,1,1,1],1(8)可满足要求,但该调制方法其他性能欠优,因此需要研究更适合C频段的调制方式。(3)设计了C频段段导航电文结构;简要介绍了低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC码)和前向纠错(Forward Error Correction,FEC)编码译码技术原理;全面考虑锁相环跟踪环路误差以及误码率在满足门限值的前提下,对数据通道导频通道功率比和电文速率进行折衷选择出最佳方案。结果表明,C频段导航电文除了播发通用导航信息外,考虑到C频段性能,还应加入了导航电文认证数据签名、新密钥、以及为了进行对流层修正的天顶静力学延迟数据和天顶湿延迟数据;数据通道与导频通道功率分配为50/50,位速率为50bps,可作为最佳折衷方案同时满足跟踪与数据解调。(4)介绍了L频段常用的矩形调制波形和正弦调制波形的原理;对高斯最小频移键控(Gaussian Minimum Shift Keying,GMSK)和长椭圆球波函数(Prolate Spheroidal Wave Functions,PSWF)这两种可作为C频段候选调制波形进行了简要的理论分析;针对当前已有的MSK-BCS([1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1],1)序列自相关旁瓣幅值与主瓣非常接近易导致误锁的缺点,提出了一种改进型的调制序列,并将该调制序列与现有典型调制方式进行了对比分析;仿真结果表明该调制方式具有较好的自相关、抗多径、码跟踪、带内兼容性的同时还能满足C频段严格的带外兼容性。本论文研究的关键技术和创新点主要体现在以下几个方面:(1)针对导航系统中的系统为非线性噪声为高斯的状态估计问题,采用传统的扩展卡尔曼滤波估计精度低、滤波输出误差收敛速度慢以及迭代均差滤波在一次迭代后状态估计不再与测量噪声统计正交的缺点,提出了一种新的滤波算法——基于状态增广的迭代均差滤波算法,该算法将测量噪声信息增广到系统状态中,保证了状态估计与测量噪声统计正交,提高了非线性高斯系统的滤波精度。(2)针对电文速率、接收机数据通道导频通道功率分配对跟踪与数据解调的影响问题,全面考虑锁相环跟踪环路误差以及误码率在满足门限值的情况下,提出了数据通道导频通道功率比和电文速率进行折衷选择的最佳方案,基于此方案可以同时实现跟踪和数据解调性能。(3)针对当前已有的新型调制序列MSK-BCS([1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1],1)自相关旁瓣幅值与主瓣非常接近易导致误锁的缺点,提出了一种改进型的调制序列,通过仿真分析说明该调制序列具有较好的自相关、抗多径、码跟踪、带内兼容性的同时还能满足C频段严格的带外兼容性,可作为C频段候选调制方式。