文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
GNSS信号设计与评估若干理论研究
姓名:唐祖平
申请学位级别:博士
专业:通信与信息系统
指导教师:胡修林
20090522
摘要
全球导航卫星系统(GNSS)已经成为了重要的基础设施之一。继 GPS 和
GLONASS 之后,欧洲和中国已经开始了自主的全球导航卫星系统 Galileo、
COMPASS 的建设。同时,为了巩固 GPS 在全球导航领域中的领先地位,美国也逐
步对传统 GPS 进行升级,即 GPS 的现代化。导航信号决定了导航系统的先天性能,
对于单个导航系统的性能以及多个系统之间的兼容性和互操作性都有着决定性的影
响。因此,无论在新系统的建设还是 GPS 的现代化过程中,导航信号设计都是全球
所关注的焦点。
论文分两个部分:第一部分针对导航信号性能评估中的两个关键性问题——码
跟踪精度和多径误差进行理论分析和论述,从中提取出信号设计的基本指导原则;
第二部分综合论述信号设计的理论和方法,讨论信号设计过程中应该考虑那些因素
以及如何考虑这些因素,并对 GPS 和 Galileo 信号体制进行对比分析,挖掘其设计思
想。主要成果有:
1)伪码跟踪精度评估理论。目前,导航领域应用最广泛的伪码跟踪精度评估理
论由 Betz 创建。但是,Betz 对该理论进行详细论证的原始论文并未发表。为了放心
地将它应用于导航信号设计过程,有必要进行严格的论证和全面的分析。出于这一
目的,本文建立了伪码跟踪精度分析模型,严格推导了基于相干 EML、非相干 EMLP
码跟踪环路的伪码跟踪精度,得到了通用的码跟踪精度评估模型。进一步的分析表
明,若信号功率谱关于载波频率对称且传播过程中无相位失真,本文的理论模型可
转换为 Betz 所公开的形式。基于该理论模型,对高斯白噪声环境中的码跟踪精度进
行了分析,并从导航信号特征和接收机参数两个方面对码跟踪精度进行了深入讨论。
给出了非白色干扰环境中的码跟踪精度理论评估方法,并讨论了干扰频点、干扰带
宽及接收机相关器间隔对码跟踪精度的影响。分析的方法和结论可以对导航信号设
计起到理论指导作用。
2)码多径误差评估理论。针对现有多径误差分析主要基于数值分析方法,无法
为导航信号设计提供直接理论指导的弊端,本论文建立了码多径误差理论分析模型,
推导了可用于带限导航信号分析的多径误差包络理论表达式。基于该理论,给出了
多径误差包络下界,对导航信号抗多径性能具有指示作用。理论分析表明,增加导
航信号功率谱的高频分量、增大信号的发射带宽,可以提高导航信号的抗多径能力。
3)导航信号功率谱分析。针对可能出现的伪码周期大于、等于、小于数据位宽
I
的三种情况,分别推导了导航信号功率谱的精确表达式,弥补了传统分析中未考虑
子码影响和伪码跨数据位影响的缺陷。在此基础之上,定量分析了码片波形、伪码
(主码、子码)、数据速率对导航信号功率谱的影响。
4)伪码选择的理论和方法。深入探讨了伪码序列对伪码跟踪性能的影响程度,
分析了信号间干扰、信号功率谱、码自相关特性、码互相关特性之间的定量关系。
分析表明,导航信号性能主要取决于导航信号功率谱包络;由于数据位的影响,伪
码线性相关特性比循环相关特性更能反映导航信号性能,并由此定义了伪码线性自
相关品质因数、线性互相关品质因数来评估伪码性能,可用于导航信号设计中的伪
码选择过程。
5)系统地给出了导航信号设计的方法。论文将信号性能划分为独立性能和适应
能力两个方面。其中,独立性能包括捕获性能、码跟踪性能、载波跟踪性能、解调
性能,适应能力包括抗多径能力、抗干扰能力、兼容性和互操作性。在详细讨论上
述信号性能与导航信号的码速率、码片波形、码长、码型、信息速率、信道编码、
频率参数之间的联系之后,针对如何选择这些参数提出了相应的建议。
6)GPS 和 Galileo 信号体制分析。将 GPS 和 Galileo 信号体制进行详细对比,结
合其信号体制发展历程论述它们的设计思想,以起到借鉴作用。
关键词:全球导航卫星系统,信号设计,伪码跟踪,多径误差,伪码选择,
GPS,Galileo
II
Abstract
Global Navigation Satellite System(GNSS) is one of the most important
infrastructures for nations. Following the GPS and GLONASS, European and china
started building their own global navig