面向高精度测距的导航信道优化与信号质量评估技术研究

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随着新一代卫星导航系统的建设与发展,特别是现代化导航信号体制的广泛应用,带宽的增加和多路复用方式的改变,使得信号收发通道和导航信号质量越来越成为影响系统服务性能的重要因素。在系统设备和终端设备研制过程中,必须考虑信道优化和信号质量评估问题。论文围绕非理想信道下伪距偏差抑制和接收机参数优化问题展开研究,取得了以下创新性成果:(1)在传统多级通道数据处理中,通常将各级通道测距偏差的线性叠加之和作为多级通道的测距偏差估计。但在非理想信道传输条件下,该估计值与实际结果存在较大误差,缺乏真实有效的级联通道测距偏差分析模型。本文建立了一种基于全局信道传输特性的星地多级通道测距偏差分析模型,并给出了非理想多级通道测距偏差满足线性叠加特性的约束条件。分析表明,对具有多项式群时延特性的双通道级联时,约束通道群时延波动小于100ns,可将上述估计误差控制在0.1m以内;当通道带内群时延波动增大至200ns时,估计误差将达1m以上。上述研究结果可为星地系统设备研制与测试提供支撑。(2)针对卫星导航信号经过非理想信道产生失真导致相关峰变形,引入额外伪距偏差的问题,提出一种面向导航卫星伪距偏差抑制的用户接收参数优化算法。通过建立导航卫星信号失真模型,在导航用户伪距偏差最小的准则下,优选接收机前端滤波带宽、相关器间隔、信号跟踪算法等技术参数,最大程度减小伪距偏差。在轨导航卫星信号实测表明,对于B1I信号,可将伪距偏差从4-7ns减小到1ns以内;对B1C、B1A等其他信号,也有一定程度改善。此外,利用特定类型接收机离线估计卫星伪距偏差,对同时段内的同类型接收机伪距偏差进行修正,可对用户三维定位结果改善1m左右。研究结果可为接收机参数优化设计提供参考。(3)通道自适应均衡算法是解决通道非理想问题的有效手段,常规均衡算法都是基于输出均方误差最小准则,不能从根本上解决通道非理想对伪距偏差的影响。对时域均衡问题,提出基于理想导航信号跟踪偏差最小化的通道自适应均衡算法,在不同相关器间隔伪距跟踪偏差方差最小准则下,优化时域均衡器权系数。对本文某采集设备B3通道分析表明,相比于传统均衡算法,本文算法均衡后最大伪距跟踪偏差从0.7ns降低到0.04ns。对频域均衡问题,在通道群时延波动最小准则下,提出基于FFT全带宽和基于带宽分割的两种频域均衡算法,优化设计频域均衡滤波器系数。对某B2通道分析表明,均衡前后的最大伪距跟踪偏差从0.13ns降低到0.05ns。(4)现代化导航信号质量监测背景下,传统正交解调方法无法单独剥离多路复用信号中的每一路信号分量,尤其难以对授权信号质量展开精细化评估。本文提出一种基于星座图模板的导航授权信号分量恢复算法,根据导航基带复信号与调制域星座图的映射关系,逆向利用星座相位查找表,能够有效恢复各导航信号分量。以采用相干自适应副载波调制的现代化GPS L1信号为例,理论分析结果表明,在83dBHz以上的载噪比条件下P(Y)码和M码授权信号分量恢复的误码率在10-3以下,而传统正交解调方法无法恢复授权信号分量。并利用在轨实测信号对多路复用的GPS L1和B3信号展开分析,验证了本文算法的有效性。研究成果可为在轨卫星载荷信号质量问题排查提供分析手段。论文的主要研究成果能够为导航信号质量监测评估、高精度接收机参数优化设计等提供参考,论文部分成果已应用于北斗三号地面系统设备研制中。
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