卫星通信系统和卫星导航系统发展到今天给人们的生产生活带来了极大的便利,也同样面临着卫星频谱资源紧张、信道频率选择性衰落严重等许多亟待解决的问题。现阶段,尽管卫星通信和卫星导航面向不同的应用领域,但从技术层面来看两者之间存在密切联系。一方面,卫星通信的可靠性关系到接收机的抗干扰特性和导航电文的误码率,进而影响接收机的定位精度。另一方面,导航定位信号通过对传播时延的估计实现卫星通信系统的码元定时同步,而同步性能直接影响通信系统的可靠性。因此,在天地一体化信息网络背景下,建设卫星通信与导航一体化系统对于充分利用空间资源实现一星多用具有十分重要的意义。论文从通信和导航的基本性能指标误码率和定位精度出发,综合考虑频带利用率、峰均功率比和系统复杂度等因素,提出了基于向量正交频分复用(V-OFDM)调制的卫星通信和导航一体化系统,并对信道分配、导频设计、信道估计、信号检测、码元同步等关键技术进行了深入研究,取得了一系列创新性研究成果。首先,论文在比较单载波频域均衡(SC-FDE)和正交频分复用(OFDM)各自优缺点的基础上,综合得出V-OFDM调制模型,并指出V-OFDM是连接SC-FDE和OFDM的桥梁。V-OFDM调制的思想是将一个码间干扰信道划分为多个向量子信道,其中向量维数可以灵活设计。然而,V-OFDM调制在个别子载波传输信号无法获得分集增益,通过在发射端引入星座图旋转矩阵,能够使得所有子载波均能够获得全部的分集增益。设计了硬件上易于实现的并行旋转V-OFDM系统,通过优化星座图旋转角度,可在获得分集增益的同时,进一步提高编码增益。综合比较了宽带频率选择性衰落信道下接收机的误码率性能和解码复杂度,当信噪比较低时,可采用最小均方误差接收机;而当信噪比较高时,可采用球形解码。然后,论文研究了 V-OFDM卫星通信与导航一体化系统的可靠传输。针对卫星信道传播距离长的特点,建立了宽带稀疏频率选择性衰落卫星信道模型。揭示了稀疏信道的最大多径分集增益等于非零元素坐标对向量维数取模运算后余数集合的势,运用数学归纳法推导了随机信道分集阶数的分布律的闭合表达式。论文充分利用信道矩阵的稀疏性,提出了部分交集球形解码接收机,通过缩小搜索空间降低解码复杂度,并推导了球面半径极限定理。对于极端情况下候选发送符号向量集合为空集时,采用加权表决思想根据部分交集球形解码每次迭代过程中落入球面半径内的符号序列集合对发送信号作出判决,克服了部分交集球形解码在低信噪比条件下难以解码的缺点。为了适应卫星信道复杂快变的特点,采用基于加权表决的部分交集球形解码接收机能够在获得最大多径分集增益的同时,尽可能地降低接收机的解码复杂度,实现业务信号和导航电文的可靠传输。最后,论文研究了 V-OFDM卫星通信与导航一体化系统的精确定位。采用梳状导频结构不仅可以利用均匀分布的导频信道实现信道估计,并通过设计最优导频符号使得信道估计的均方误差达到最小,而且能够保证数据信号获得最大多径分集增益。深入研究了稀疏快速傅里叶变换运用散列合并实现降维过程,包括其中涉及的两个信号处理方法:置换和加窗滤波,揭示了理想/噪声环境信道估计与狭义/广义稀疏快速傅里叶逆变换之间的内在联系。利用导频信号实现码元同步通常包括捕获和跟踪两个阶段,通过调整接收机快速傅里叶变换滑动窗的起始点实现符号定时粗同步,随后动态调整传播时延估计实现精确同步。提出了基于牛顿迭代的多径时延最大似然估计方法,并推导了码跟踪精度的克拉美罗界。对于莱斯衰落卫星信道,设计了易于实现的超前/滞后延迟锁相环时延估计方法。全局最优的最大似然位置估计直接优化终端三维位置坐标,避免了因引入中间变量造成的误差累积,能够获得潜在的星座分集,实现地面终端的精确定位。论文在全面阐述V-OFDM调制的基础上,提出了宽带卫星通信和导航一体化系统,设计了具有误码率低、时延估计均方误差小的接收机。基于V-OFDM调制的卫星通信与导航一体化系统的提出为实现可靠传输和精确定位奠定了坚实的基础,进一步把天地一体化信息网络建设引向深入。