面向卫星导航高精度测量的抗干扰与多径抑制关键技术研究

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随着全球卫星导航系统的不断发展,越来越多的导航应用对高精度测量的需求不断提高。特别是干扰场景下的高精度测量问题已成为研究的热点。此外,多径误差也是制约卫星导航高精度应用的主要误差源之一。本文围绕干扰和多径场景下的高精度测量问题,从无偏干扰抑制、多径抑制算法性能评估与多径参数估计、干扰和多径联合抑制三个方面展开研究,主要工作和创新成果如下:(1)针对频域抗干扰算法会导致导航信号相关峰畸变问题,建立了通道非理想条件下的畸变相关峰的理论模型。在全面分析频域抗干扰算法对伪距测量的影响的基础上,提出了一种基于频谱补偿的无偏频域抗干扰算法,利用跟踪环路估计参数重建接收信号,并用于补偿由于抗干扰算法导致的信号能量损失,有效消除了由于频域抗干扰引入的伪距测量偏差。仿真结果表明,伪距测量偏差在对称和非对称抛物线群时延条件下分别减小86%和83%以上。(2)针对基于码参考波形设计的多径抑制技术在实际接收机中性能评估不足的问题,提出了复杂场景下的基于码参考波形设计的多径抑制性能评估模型,分别建立了前端带宽受限、通道非理想、频域抗干扰等条件下的多径抑制和伪码跟踪性能分析模型。在此基础上,根据实测的接收通道群时延参数,全面分析了无干扰和有干扰条件下不同本地参考波形的多径抑制性能和伪码跟踪性能,并给出了不同伪码码率下的本地参考波形选择原则。分析结果表明,实测通道群时延参数下,BPSK(10)信号的多径抑制性能和伪码跟踪严重下降,在接收机设计时应该优先选择W2波形且选择较大闸波宽度,而BPSK(1)信号受到通道非理想的影响较小,这一结论对实际接收机设计具有重要的指导价值。(3)针对传统多径检测和参数估计方法无法同时估计多径入射角和时延参数问题,提出了一种基于DOA估计和波束形成的开环多径参数估计方法。首先利用基于L型天线阵列的DOA估计方法实现对解扩后的阵列信号的DOA快速估计,用于解扩处理的本地伪码为相对直达信号为具有不同时延的伪码序列的叠加,从而实现了不同时延多径信号的DOA估计。然后利用基于阵列波束形成的开环多径参数估计方法,通过对每个多径信号分别构造波束形成器实现对该信号分量的分离输出,并利用开环估计方法实现对多径时延和功率参数的估计。对于实际载噪比大于30d BHz的多径信号,时延估计误差、载噪比估计误差和DOA估计误差分别小于0.0094码片、1d B和1.93度。(4)针对空时滤波器以及多径信号均会导致伪距测量误差问题,提出了一种基于阵列天线的干扰和多径联合抑制算法。利用子空间投影后的阵列信号进行解扩处理,然后利用基于稀疏恢复方法估计出的直达信号与多径信号的DOA参数构造无偏波束形成器,从而可以有效的消除由于空时滤波引入的测量偏差和多径误差。为了更好的应用于接收机的实时处理,该算法可简化为基于直达信号DOA估计的盲波束形成算法,只需要估计直达信号DOA参数,利用直达信号入射方向变化缓慢的特点可显著缩小二维DOA搜索范围,从而显著减小计算复杂度,利用直达信号DOA估计值构造无偏波束形成器并对阵列进行加权,消除了空时滤波引入的伪距偏差,同时通过增强直达信号能量可以显著减小多径误差大小。仿真结果表明,伪距误差由传统盲波束形成算法下的-31.9m减小为-1.4m,显著提高了算法的应用性能。本文研究面向卫星导航系统建设中的实际需求,针对复杂场景下的高精度测量问题,重点研究了无偏干扰抑制和多径抑制两个方面的关键技术,取得的成果对于提高干扰和多径场景下的北斗系统服务精度提供了有益的借鉴。
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