导航信号质量评估技术研究及实现

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目前人类的生活已经离不开全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)所提供的各种服务。导航卫星运行环境非常复杂,卫星载荷有可能会异常工作。为保证及时知晓卫星载荷工作状态,需要监测地面卫星信号质量来评估卫星载荷工作状态。随着各个国家导航事业的发展,新的导航系统与导航体制不断涌现,由此带来了不同导航系统与体制之间的信号同频干扰问题,这使得二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)调制方式在卫星导航系统中得到应用,且新体制导航信号采用的BOC调制阶数越来越高。目前国内还亟需一套成熟稳定的针对新体制导航信号的监测评估技术。本文在研究了目前业内导航信号处理技术发展现状的基础上,主要针对导航系统使用最为广泛的BOC与二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)调制方式的导航信号质量监测评估技术做了研究。研究主要包括信号捕获技术、跟踪技术以及导航信号参数测量技术三大模块。本文还在算法研究的基础上,将信号捕获、信号跟踪算法移植到了FPGA平台上,将导航信号参数测量技术移植到了上位机软件上。FPGA与上位机之间通过以太网接口实现互通。在信号捕获技术上,本文简单介绍了成熟的BPSK调制信号捕获方法。针对BOC调制信号因多峰模糊问题引起的捕获困难,介绍了一些已有的算法。对已有算法存在的缺陷,本文在GRASS(General Removing Ambiguity via Sidepeak Suppression)[1]算法的思想基础上提出了一种基于副峰叠加的高阶BOC信号捕获跟踪算法(High-order BOC Acquisition and Tracking based on Sidepeak Superposition,HBATSS)算法。在信号跟踪技术上,本文也介绍了成熟的BPSK调制信号跟踪方法并详细讲解了HBATSS算法的信号跟踪方法。在导航信号参数测量技术部分,本文研究了导航信号功率、载波频率、伪距以及载波与扩频码相位一致性等参数的测量算法。针对天线端射频信号混频之后射频载波相位难以观测的问题,本文设计了一种简便易行的载波与扩频码相位一致性测量算法。最后实现的硬件系统平台可以完成基于BPSK与BOC调制的导航信号长时间监测评估以及数据记录功能。本文对该平台的技术细节做了详细介绍。相比于国内现有的导航信号监测技术研究,本文的研究解决了信号监测评估时的新体制高阶BOC调制导航信号的信号同步困难问题,与原有的GRASS算法形成互补,形成了一套解决任意偶数阶BOC调制信号同步问题的通用算法。
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