高灵敏度导航信号接收技术与信道编码设计研究

论文摘要

全球定位系统（Global Positioning System,GPS）投入使用以来,卫星导航服务获得了广泛应用,但其应用范围仍然受到使用环境的限制,在室内、城市峡谷等弱信号环境中难以确保服务性能,接收机灵敏度已成为制约卫星导航服务应用范围的瓶颈。针对弱信号环境下高灵敏度导航接收机的需求,本文研究了高灵敏度导航信号接收技术和适用于导航系统的高增益信道编码两个方面的内容。本文研究成果主要包括以下几个方面:（1）针对弱信号捕获中相干积分时间受到接收信号高阶动态限制的问题,本文提出了基于可变长相干积分的积分时间优化方法,推导了存在高阶动态条件下使每次相干积分检测损耗最小的相干积分时间,并在此基础上分析了非相干积累次数与捕获性能的关系。在相同的总积累时长和积累次数下,可变长相干积分优化方法的性能优于传统的积分时长优化方法,频率变化率越高,非相干积累次数越大,两者的性能差距越大。（2）针对弱信号捕获中相干积分时长受未知导航电文限制的问题,本文提出了基于电文符号组合格雷码排序的捕获方法,可将计算复杂度降为直接遍历电文符号组合方法的1/（N-1）（N为相干积分包含的导航电文比特数量）。对于GPS L1频点民用信号,相干积分长度不低于100ms时,本文方法捕获性能优于扩展长度块积累相干积分算法。为了进一步降低电文剥离计算量,本文提出了改进型扩展长度块积累相干积分算法,该方法具有与电文数目成正比的线性计算复杂度。对于相同时长的GPS L1频点民用信号,当本文算法每个分组的电文比特数目不低于5时,性能优于扩展长度块积累相干积分算法。（3）针对弱信号条件下载波跟踪环稳健性差的问题,提出了一种基于FFT鉴频器和电文估计的载波频率跟踪方法。本文方法通过估计导航电文符号和比特边沿延长了环路的积分时间,通过使用FFT鉴频器增大了环路的牵引范围,提高了环路在弱信号条件下跟踪载波的稳健性。仿真结果表明,在1Hz/s的频率变化率下,本文方法能够跟踪载噪比12d BHz的GPS L1频点民用信号。（4）针对弱信号环境下电文解调灵敏度低的问题,本文提出了一种适用于导航系统的结构化LDPC码。本文提出的码具有与码长成正比的线性编码复杂度,其译码器可以实现p（p为码的H1矩阵的列分块大小）倍的部分并行译码。仿真结果表明,在相同的码长和编码效率下,本文构造的码具有与GPS L1C信号中采用的LDPC码相当的性能。最后,对论文研究成果进行了总结,对下一步要开展的工作进行了展望。本文研究成果已应用于北斗导航系统信号体制设计与终端研制课题。

论文目录

• 缩略语表
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与选题
• 1.1.1 高灵敏度导航信号接收技术面临的主要挑战
• 1.1.2 高增益信道编码应用于导航系统的主要约束
• 1.1.3 课题来源与选题
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 卫星导航信号高灵敏度捕获技术
• 1.2.2 卫星导航信号高灵敏度跟踪技术
• 1.2.3 低密度奇偶校验码研究现状
• 1.3 论文主要工作及创新点
• 1.3.1 主要研究内容及章节安排
• 1.3.2 主要创新点
• 第二章 弱信号环境下高阶动态对捕获积分时长的影响分析及优化设计
• 2.1 传统的积分时长优化方法
• 2.1.1 信号模型与捕获检测量
• 2.1.2 等效理想检测能力因子
• 2.1.3 检测损耗最小化准则下的最优相干积分时间
• 2.1.4 高阶动态条件下传统优化方法的损耗
• 2.2 基于可变长相干积分的积分时长优化方法
• 2.2.1 高阶动态条件下的等效理想检测能力因子
• 2.2.2 基于可变长相干积分的积分时长优化方法
• 2.2.3 高阶动态条件下的非相干积累次数优化
• 2.2.4 与传统积分时长优化方法性能对比
• 2.3 等长相干积分约束下的积分时长优化
• 2.3.1 等长相干积分约束下的积分时长优化
• 2.3.2 与传统积分时长优化方法性能对比
• 2.3.3 与可变长相干积分时长优化方法性能对比
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于低复杂度电文剥离的高灵敏度捕获方法
• 3.1 导航电文剥离对捕获性能的影响分析
• 3.2 基于电文符号组合格雷码排序的捕获方法
• 3.2.1 基于电文剥离的导航信号捕获
• 3.2.2 因式分解格雷码编码方法
• 3.2.3 基于电文符号组合格雷码排序的捕获流程
• 3.2.4 降低FFT点数的方法
• 3.2.5 捕获性能仿真
• 3.3 改进型扩展长度块积累相干积分算法
• 3.3.1 改进型BACIX算法捕获流程
• 3.3.2 捕获性能仿真
• 3.4 相干积分跨越多位电文的捕获方法对比
• 3.4.1 捕获性能对比
• 3.4.2 计算复杂度对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 弱信号环境下稳健的载波频率跟踪与周跳抑制方法
• 4.1 影响载波环跟踪门限的主要因素
• 4.2 基于大牵引范围FFT鉴频器和电文估计的载波跟踪环
• 4.2.1 导航电文比特边沿和符号估计
• 4.2.2 FFT模值检测门限
• 4.2.3 仿真验证
• 4.3 基于鉴相误差限幅的载波环周跳抑制方法
• 4.3.1 锁相环的平均周跳时间
• 4.3.2 基于鉴相误差限幅的载波环周跳抑制方法
• 4.3.3 仿真验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 码长和编码效率约束下的LDPC编译码技术
• 5.1 LDPC码的基本概念
• 5.1.1 线性分组码
• 5.1.2 LDPC码的校验矩阵与Tanner图
• 5.1.3 LDPC码的迭代译码算法
• 5.2 导航系统对信道编码的主要约束
• 5.2.1 对信息分组长度的约束
• 5.2.2 对编码效率的约束
• 5.3 码长和码率约束下的低编译码复杂度LDPC码构造
• 5.3.1 基于循环置换矩阵的LDPC码
• 5.3.2 非规则重复累积码
• 5.3.3 基本型准循环IRA码
• 5.3.4 基于校验矩阵行置换的QC-IRA-d码
• 5.3.5 QC-IRA-d码部分并行译码器设计
• 5.4 针对GPS L1C信号的低复杂度LDPC译码器设计
• 5.4.1 L1C信号的帧结构与信道编码
• 5.4.2 低复杂度L1C信号LDPC译码器设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要研究成果
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果