基于卫星载波扫频的伪随机码多径抑制技术研究

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卫星导航接收机的测距误差受很多因素影响,但其中大部分误差通过差分技术和高精度模型可以得到较大程度的消除。多径误差与信号调制方式、接收机软硬件处理算法、天线特性以及接收环境都密切相关,无法通过差分方法抑制,因此成为目前卫星导航接收机高精度定位的主要误差来源之一。在对北斗卫星导航系统的长期观测中发现,中轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星的多径误差在一定时长内呈近似随机的特性,可以通过对数据的滤波与平均得到较好的抑制;而地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)卫星由于其轨道相对地面静止,与MEO卫星相比其多径误差变化十分缓慢,且有一天左右的变化周期,在较短时间内平均误差不为零,呈现重复性和强相关的特性,难以通过传统的多径处理方法进行抑制,称之为静态多径现象。针对静态多径现象,本文对一种基于载波扫频的伪随机码多径抑制方法进行研究,主要完成了以下三个方面的工作:1)建立了载波慢扫频静态多径信号模型,验证了慢扫频载波对伪码多径抑制的有效性。通过载波扫频的方式提高GEO多径误差的变化率,进而提高了数据平滑技术对GEO多径误差的抑制效果。仿真结果表明,传统BPSK信号调制在以1561.098 MHz为中心频率、40MHz为频率变化范围的扫频载波上时,多径误差均方差可以比原多径误差降低74.7%~92.6%。2)建立了载波快扫频信号模型,对其伪码多径抑制性能进行理论推导,证明了当载波按线性或正弦扫频时,接收机剥离信号载波后伪码的多径分量将仍保持正弦调制特性,伪码序列包含在正弦包络之中,通过码相关器的相干积分,多径误差能得到抑制。多径的抑制性能受载波扫频周期、频率变化范围、多径时延以及相干积分时长等因素共同影响,当相干积分时长接近伪码多径分量的正弦包络的周期时,多径信号分量的相关函数能得到近96%的抑制。3)对载波快扫频信号的参数进行分析与优化,理论推导了载波扫频周期、频率变化范围对多径抑制性能的影响,为载波扫频信号的设计提供了一定的参考。考虑到导航信号频带有限、载波扫频范围较小的实际情况,可以通过缩短载波扫频周期以获得较好的多径抑制性能;并通过多径误差包络研究了载波扫频信号对不同多径时延的抑制效果,仿真表明当参数选取合适时,多径误差包络的面积能显著减小97.2%,基本消除多径对接收机的影响。最后,对本文的研究内容进行了回顾与总结,并展望了载波扫频信号在工程中可能应用的场景,以及未来可以继续开展的研究工作。
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