信号体制的现代化是卫星导航系统发展的重要里程碑。自 GPS 系统运行以来,导航系统的应用领域不断拓展,远超出了在上世纪 70 年代设计的信号服务能力,催生了以 GPS 现代化和 Galileo 计划为首的现代卫星导航系统信号体制的发展。现代信号体制采用先进纠错编码,数据导频分离,二进制偏移载波调制等新型信号设计技术,极大地提高了卫星导航系统的军民用服务性能,但同时现代化信号体制的出现也对导航信号的发射与接收带来了新的挑战。 卫星导航的频率资源已经严重饱和,现代化信号必须与拥有庞大用户群体的传统服务信号共享频率资源,同时现代化信号普遍使用多个扩频码,导致需要在卫星上发射的扩频码数量急剧增加。为降低卫星复杂度,提高信号发射质量,要求多个扩频码应满足恒定包络复用条件,而传统的恒包络复用方法并不能很好地解决导航系统面临的发射问题。 论文系统研究了在给定信号相位/功率约束条件下最优恒包络发射问题。经典的二进制信号发射问题可以得到最优的数值相位查找表,但缺乏对恒包络基带信号各分量的解析描述,导致信号兼容性分析与接收算法设计只能采用数值仿真验证。本文首次从理论上提出了完善的相位查找表至基带解析信号的求逆算法,解决了缺乏理论分析手段的难题。对典型的三路信号复用最优解的存在性以及非唯一性进行了分析论证。将二进制信号拓展至多电平,建立了更一般化的理论框架并成功推导出 Alt BOC 调制,论证了更高效率的子载波也不会提高 Alt BOC 的复用效率。 基于本文提出的理论框架,对北斗卫星导航系统面临的 B1/B3 频段信号的恒包络复用问题给出了两种调制方案。Dual QPSK 调制将两个 QPSK 信号以 π/4 相位差复用,效率达到85.36%的极限,可解决 B3频段QPSK(10)信号和新增BOC(15,2.5)信号复用的难题。UAlt BOC 信号将一个 QPSK 信号和两个同相 BPSK 信号复用,可解决 B1 频段不同中心频率信号后向兼容问题。 现代信号体制可有效改善测量精度等导航性能,星历、电离层误差随着模型改进和多频信号体制已经逐渐降低,在现代导航系统的误差预算中,多径将仍然是制约导航精度最主要误差源。 论文首先对 BPSK(n)信号的码相关参考波形多径抑制算法进行了系统研究,得出了线性化本地波形的理论极限、非线性波形的一般描述以及非线性波形参数与带宽的最优设计,改善了带限信道 BPSK(n)相关峰变形对 MEDLL 多径检测的虚警问题,实测结果证明设计可达到 BPSK(n)信号理论多径误差抑制极限。 BOC 调制是现代导航信号实现频谱分离的有效手段。BOC 信号比 BPSK 信号有更大的 Gabor 带宽,因而具备更高的测距精度,但 BOC 信号的多峰特性导致传统的 BPSK 多径抑制算法失效。本文研究了目前导航系统中最复杂的 CBOC 以及高阶 BOC 信号的抗多径问题。提出的联合多径抑制算法将 CBOC 信号的导频和数据通道利用码参考波形技术实现多径抑制,再进行非相干合并消除 BOC(6,1)分量的影响,达到了该信号的多径抑制极限。高阶 BOC 信号采用 QBOC 技术先转化为类 BPSK 信号,再利用 Strobe 技术完成多径抑制,并探讨了带宽、相关器间隔等设计参数的选择,实现了简单有效的无模糊多径抑制。 最后,对本文研究成果进行了总结,论文的主要成果均已在我国自主卫星导航系统设计中得到应用。