GNSS信號射頻兼容分析及設計技術研究.pdf

1、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite Systems，GNSS）是信息時代的國家重要基礎設施之一。目前，世界各主要大國都競相發(fā)展自主的導航衛(wèi)星系統(tǒng)，預計2020年之前，全世界將有四大GNSS相繼建成或?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代化，它們包括:美國的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLObal NAvigation Satellite System，GL

2、ONASS)、歐洲的伽利略(Galileo)導航衛(wèi)星系統(tǒng)和我國的北斗（Compass）導航衛(wèi)星系統(tǒng)。多GNSS的同時工作使得GNSS兼容性問題成為系統(tǒng)提供商和用戶關注的焦點以及導航衛(wèi)星領域研究的熱點。本文針對目前國內(nèi)外GNSS兼容分析理論和評估方法尚不完善、Compass系統(tǒng)兼容性評估尚不全面的現(xiàn)狀，依托國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）課題“GNSS多星座互用關鍵技術與仿真驗證平臺”等項目研究內(nèi)容，深入研究包括兼容評估模型、方法和準

3、則在內(nèi)的GNSS兼容分析理論，改進GNSS兼容評估模型，設計GNSS兼容仿真評估系統(tǒng)，并且研究基于兼容性的信號體制設計技術，給出了一系列新的設計結(jié)果。
　　 本文深入研究了GNSS兼容性原理、兼容性評估改進模型、GNSS信號調(diào)制技術和GNSS信號復用技術等信號分析與設計內(nèi)容，論文從以下4個方面展開了研究和設計工作:
　　 (1)從GNSS接收機特性出發(fā)，研究了干擾信號對接收機的信號捕獲、載波跟蹤、碼跟蹤以及數(shù)據(jù)解調(diào)等環(huán)節(jié)

4、的影響，詳細推導了即時相關器輸出的信號功率與噪聲加干擾比（Signal to Noise plus Interference Power Ratio，SNIR），建立了基于即時相關器輸出SNIR和基于碼跟蹤誤差的等效載噪比計算模型;分析了兼容評估方法、準則和輸入輸出參數(shù)，實現(xiàn)兼容分析理論的整合和完善;在全面研究兼容分析理論的基礎上，構建了通用的GNSS兼容仿真評估系統(tǒng)，針對GPS和北斗全球服務系統(tǒng)（Compass Phase Ⅲ，CPⅢ

5、）給出兼容評估計算實例。
　　 (2)深入研究了基帶信號的功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)，闡述了偽隨機碼長、導航數(shù)據(jù)速率和碼片速率對兼容性計算的影響，建立了頻譜分離系數(shù)（Spectral Separation Coefficient，SSC）簡化模型、碼跟蹤譜靈敏度系數(shù)（Code Tracking Spectral Sensitivity Coefficient，CT_SSC）簡化模型;建立接

6、收機的帶限、采樣和量化(Bandlimiting，Sampling and Quantizing，BSQ)損耗分析模型，結(jié)合SSC、CT_SSC簡化模型和BSQ損耗計算，建立了綜合的兼容評估改進模型;并以此模型對北斗區(qū)域服務系統(tǒng)（Compass PhaseⅡ，CPⅡ）和GPS、Galileo等系統(tǒng)在L(1)頻段上的兼容性進行了仿真評估實驗。
　　 (3)分析信號體制結(jié)構和性能指標，進行信號波形調(diào)制理論研究和信號波形調(diào)制設計，構建

7、矩形調(diào)制、正弦調(diào)制以及多級調(diào)制等一系列具有良好性能的波形，并探討它們在導航衛(wèi)星系統(tǒng)中的應用;完善波形調(diào)制設計理論，提出了一般多級編碼符號調(diào)制，使得目前常用的導航衛(wèi)星信號波形調(diào)制能用一種統(tǒng)一的調(diào)制波形模型進行信號分析;在信號調(diào)制技術理論研究的基礎上，設計了CPⅢ信號調(diào)制方案，并給出調(diào)制方案的兼容性能分析結(jié)果。
　　 (4)研究導航信號復用技術，分析了現(xiàn)有復用技術如線性調(diào)制、硬限幅、相干自適應副載波調(diào)制、互復用和多數(shù)表決算法的原理和

8、特性;探討了復用技術在GPS和Galileo系統(tǒng)中的應用;在研究信號復用技術的基礎上，設計了CPⅢ在B1頻段上的信號復用方案，并給出最大化功率效率的配置方式。
　　 本論文研究的關鍵技術和創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　 (1)研究了兼容評估模型、方法、準則和輸入輸出參數(shù)，實現(xiàn)兼容分析理論的整合和完善，建立了通用的GNSS兼容仿真評估系統(tǒng)并給出計算實例，該研究對GNSS兼容性國際談判和Compass系統(tǒng)的信號體制設計

9、有重要的參考價值。
　　 (2)建立了SSC簡化模型、CT_SSC簡化模型和BSQ損耗計算模型，推導出綜合的兼容評估改進模型，與傳統(tǒng)的兼容性評估方法相比，該改進模型具有更高的運算效率和準確性;以此改進模型評估了CPⅡ在L1頻段的兼容性，得到了更準確的兼容評估結(jié)論。
　　 (3)詳細推導了多級編碼符號調(diào)制、一般多級編碼符號調(diào)制，將導航信號波形調(diào)制用統(tǒng)一的調(diào)制波形模型來表述和分析，同時，設計了CPⅢ信號波形調(diào)制方案，該調(diào)制方

10、案對Compass系統(tǒng)有現(xiàn)實的應用價值。
　　 (4)分析復用技術的關鍵技術點:信號組合的選擇、功率分配的設計和恒包絡復用調(diào)制的選擇，設計并實現(xiàn)GPS、Galileo和Compass系統(tǒng)的信號復用調(diào)制，給出最小關聯(lián)功率損失的最優(yōu)恒包絡復用方案。
　　 基于上述研究內(nèi)容，本論文的研究結(jié)論包括:
　　 (1)當導航信號滿足條件L≥fc/fd時（L為偽隨機碼長，fc為碼片速率，fd為數(shù)據(jù)速率），信號的SSC和CT_SS

11、C趨近于常數(shù)，不隨多普勒頻移呈周期變化，此時可用碼片的PSD代替導航信號的PSD計算SSC、CT_SSC和等效載噪比。
　　 (2)接收機的BSQ損耗隨著量化器電平N的增大而減小，當量化器電平N≤4時，接收機BSQ損耗大于0.5dB，此時GNSS兼容性評估模型中應加入BSQ損耗因子。
　　 (3)在多GNSS同時工作的環(huán)境下，信號體制設計需同時考慮信號的導航性能和兼容特性。中心頻點在1191.795MHz和l176.4M