GNSS信號設計與評估若干理論研究.pdf

1、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）已經(jīng)成為了重要的基礎設施之一。繼GPS和GLONASS之后，歐洲和中國已經(jīng)開始了自主的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)Galileo、COMPASS的建設。同時，為了鞏固GPS 在全球導航領域中的領先地位，美國也逐步對傳統(tǒng)GPS 進行升級，即GPS的現(xiàn)代化。導航信號決定了導航系統(tǒng)的先天性能，對于單個導航系統(tǒng)的性能以及多個系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性都有著決定性的影響。因此，無論在新系統(tǒng)的建設還是GPS的現(xiàn)代化過程中，導航信號設

2、計都是全球所關注的焦點。
　　 論文分兩個部分：第一部分針對導航信號性能評估中的兩個關鍵性問題——碼跟蹤精度和多徑誤差進行理論分析和論述，從中提取出信號設計的基本指導原則；
　　 第二部分綜合論述信號設計的理論和方法，討論信號設計過程中應該考慮那些因素以及如何考慮這些因素，并對GPS和Galileo信號體制進行對比分析，挖掘其設計思想。主要成果有：
　　 1）偽碼跟蹤精度評估理論。目前，導航領域應用最廣泛的偽碼跟

3、蹤精度評估理論由Betz 創(chuàng)建。但是，Betz對該理論進行詳細論證的原始論文并未發(fā)表。為了放心地將它應用于導航信號設計過程，有必要進行嚴格的論證和全面的分析。出于這一目的，本文建立了偽碼跟蹤精度分析模型，嚴格推導了基于相干EML、非相干EMLP碼跟蹤環(huán)路的偽碼跟蹤精度，得到了通用的碼跟蹤精度評估模型。進一步的分析表明，若信號功率譜關于載波頻率對稱且傳播過程中無相位失真，本文的理論模型可轉換為Betz所公開的形式。基于該理論模型，對高斯白

4、噪聲環(huán)境中的碼跟蹤精度進行了分析，并從導航信號特征和接收機參數(shù)兩個方面對碼跟蹤精度進行了深入討論。
　　 給出了非白色干擾環(huán)境中的碼跟蹤精度理論評估方法，并討論了干擾頻點、干擾帶寬及接收機相關器間隔對碼跟蹤精度的影響。分析的方法和結論可以對導航信號設計起到理論指導作用。
　　 2）碼多徑誤差評估理論。針對現(xiàn)有多徑誤差分析主要基于數(shù)值分析方法，無法為導航信號設計提供直接理論指導的弊端，本論文建立了碼多徑誤差理論分析模型，推

5、導了可用于帶限導航信號分析的多徑誤差包絡理論表達式?；谠摾碚?，給出了多徑誤差包絡下界，對導航信號抗多徑性能具有指示作用。理論分析表明，增加導航信號功率譜的高頻分量、增大信號的發(fā)射帶寬，可以提高導航信號的抗多徑能力。
　　 3）導航信號功率譜分析。針對可能出現(xiàn)的偽碼周期大于、等于、小于數(shù)據(jù)位寬的三種情況，分別推導了導航信號功率譜的精確表達式，彌補了傳統(tǒng)分析中未考慮子碼影響和偽碼跨數(shù)據(jù)位影響的缺陷。在此基礎之上，定量分析了碼片波形

6、、偽碼（主碼、子碼）、數(shù)據(jù)速率對導航信號功率譜的影響。
　　 4）偽碼選擇的理論和方法。深入探討了偽碼序列對偽碼跟蹤性能的影響程度，分析了信號間干擾、信號功率譜、碼自相關特性、碼互相關特性之間的定量關系。
　　 分析表明，導航信號性能主要取決于導航信號功率譜包絡；由于數(shù)據(jù)位的影響，偽碼線性相關特性比循環(huán)相關特性更能反映導航信號性能，并由此定義了偽碼線性自相關品質(zhì)因數(shù)、線性互相關品質(zhì)因數(shù)來評估偽碼性能，可用于導航信號設計中

7、的偽碼選擇過程。
　　 5）系統(tǒng)地給出了導航信號設計的方法。論文將信號性能劃分為獨立性能和適應能力兩個方面。其中，獨立性能包括捕獲性能、碼跟蹤性能、載波跟蹤性能、解調(diào)性能，適應能力包括抗多徑能力、抗干擾能力、兼容性和互操作性。在詳細討論上述信號性能與導航信號的碼速率、碼片波形、碼長、碼型、信息速率、信道編碼、頻率參數(shù)之間的聯(lián)系之后，針對如何選擇這些參數(shù)提出了相應的建議。
　　 6）GPS和Galileo信號體制分析。將G