卫星导航信号电离层闪烁模型及接收算法研究

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电离层闪烁会引起导航信号的功率和载波相位产生快速、随机波动,导致用户终端跟踪、定位误差增大,严重时甚至造成接收机环路频繁失锁。在三亚监测站接收机曾出现因强电离层闪烁造成近3个小时环路失锁,并且导航信号在太阳活动高年产生强闪烁的每小时发生率最高可达到15%,严重影响导航系统的完好性和连续性。在传统的监测接收机中并没有针对电离层闪烁做处理,本文主要分析电离层闪烁模型及影响并提出更加稳健的接收算法。论文开展工作具体如下:1)考虑到现代导航接收机均采用多频接收方式,传统的Cornell模型为单频电离层闪烁模型,不能反映不同频点之间闪烁信号的关系,提出基于Cornell模型的多频点电离层闪烁模型。分析表明,在闪烁比较弱时,相近频点的闪烁序列的相关性比较大;当闪烁增强,相位闪烁序列的频间相关性会迅速变差。2)针对现有文献分析电离层闪烁对接收机影响不全面的问题,本文增加了分析电离层闪烁对I、Q即时支路的影响,并分析了不同闪烁强度下的最优带宽。在幅度闪烁指数为0.9时,最优带宽为14Hz;在闪烁指数0.6时,最优带宽为6Hz。随着闪烁强度减弱,最优带宽变小。根据带宽与闪烁关系,设计了基于幅度闪烁指数的自适应带宽跟踪环路(FAB-PLL)。经仿真分析,在幅度闪烁指数为0.5时,FAB-PLL算法与PLL(5Hz)性能相当,相位抖动比PLL(14Hz)降低16.9%;在幅度闪烁为0.9时,和PLL(14Hz)性能相当,相位抖动比PLL(5Hz)降低27.5%。3)针对接收机在电离层闪烁下的稳健载波跟踪问题,提出了基于AR模型的扩展卡尔曼(EKF)载波跟踪算法。在幅度闪烁为0.6时,相位抖动比EKF环路可减少36.04%。在中等闪烁下(幅度闪烁为0.5),相比FAB-PLL跟踪算法频率估计精度提高27.1%。在较强闪烁(幅度闪烁为0.7),周跳次数减少80%,频率估计精度提高33.2%。在强闪烁下(幅度闪烁为0.9),周跳次数减少80%,频率估计精度提高43.3%。论文的研究成果对于设计更加稳健的电离层闪烁信号接收算法有重要的意义,应用于多频点电离层闪烁信号源,以及接收机稳健跟踪电离层闪烁信号。
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