卫星导航抗干扰中的时延、量化和运动适应性技术研究

摘要

卫星导航系统是以伪距测量为基本目标的扩频通信系统。当前导航抗干扰研究主要针对用户段接收机展开，其设计目标是提高接收机在干扰环境下的可用性；当抗干扰技术应用于空间段和控制段时，抗干扰和高精度测距必须同时兼顾。论文以北斗导航系统建设和终端研制为应用背景，围绕“抗干扰”和“伪距测量”两大技术主线，对卫星导航抗干扰面临的时延、量化和运动适应性等问题展开研究：
　　（1）针对抗干扰处理引起的接收时延变化问题，建立了阵列接收机的时延估计器模型，并理论分析了抗干扰对时延估计精度和时延估计零值的影响。分析结果表明：阵列滤波器幅频响应为偶函数、相频响应为线性相位时，抗干扰处理不改变零值，但影响时延估计精度；若进一步约束幅频响应为常数，则对时延估计精度的影响最小；将阵列接收机的所有通道校正至恒幅度、线性相位，可最大程度保持伪距测量精度。为高精度测距型卫星导航接收机抗干扰设计提供了理论依据。
　　（2）针对约束零值恒定的数字滤波器设计问题，理论证明得到FIR滤波器不改变零值的充分条件是系数对称或共轭对称，在此基础上给出了时域和空时抗干扰算法的实现形式。仿真结果表明：对于时域滤波器，约束系数对称可使零值偏移量从4ns减小到0.2ns；在射频通道非理想的情况下，约束群时延波动小于3ns可使零值偏移量小于1ns。对于空时滤波器，约束系数对称可使零值偏移量从2.5ns减小到0.2ns。
　　（3）针对抗干扰型扩频接收机的量化字长选择问题，建立了前置抗混叠滤波器条件下的非均匀量化器性能分析模型，并以相关器输出端信干噪比最大为设计目标，进行了量化器参数优化设计。理论与仿真结果表明：无干扰时，柰奎斯特采样频率下前置抗混叠滤波器引入的损耗和量化损耗可分离，字长大于2bit时均匀和非均匀量化器无明显性能差异；存在干扰时，在给定信噪比损耗条件下，干噪比每增加6dB，最小量化字长需增加1bit。
　　（4）针对短时脉冲干扰导致电路振荡和抗干扰输出功率不稳定的问题，构建了反馈式数控AGC和前馈式全数字AGC级联的模数混合AGC结构，并提出了基于脉冲干扰抑制的数控AGC算法和免乘法的全数字AGC算法，在不增加量化字长的前提下可有效提高数控AGC的电路稳定性，并利用移位和截尾操作分别完成功率和字长调整，其引入的额外信噪比损耗小于0.1dB。
　　（5）针对平台运动条件下天线阵抗干扰性能下降的问题，建立了运动条件下的阵列信号模型，仿真分析了干扰入射角扰动量和干扰强度对阵列性能的影响，并提出了一种基于虚拟干扰的零陷展宽算法。仿真结果表明：当干扰入射角扰动均方差小于1°时，零陷展宽算法可使零陷指向误差引起的性能损耗小于0.5dB；当干扰入射角扰动均方差等于1°和2°时，新算法相对于常规算法分别有1.5dB和2.0dB左右的信噪比提升。
　　论文研究内容是经典抗干扰理论在卫星导航领域的扩展和深化，其部分研究成果在实践中得到检验，已成功应用于多款北斗抗干扰型卫星导航装备。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与选题

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作和创新点

第二章 阵列接收机的时延估计器建模与分析

2.1 引言

2.2 阵列接收机的时延估计模型

2.3 滤波器幅相特性对时延估计器的影响分析

2.4 抗干扰型导航接收机的通道校正准则

2.5 本章小结

第三章 约束零值恒定的空时抗干扰算法

3.1 引言

3.2 FIR滤波器保持零值恒定的充分条件

3.3 约束零值恒定的抗干扰算法实现

3.4 仿真分析与验证

3.5 本章小结

第四章 抗干扰型扩频接收机的最优量化器建模与分析

4.1 引言

4.2 干扰条件下的扩频接收机量化器模型

4.3 量化器参数优化设计

4.4 本章小结

第五章 干扰条件下的模数级联AGC结构与算法

5.1 引言

5.2 干扰条件下的模数级联AGC结构

5.3 抑制脉冲干扰的反馈式数控AGC算法

5.4 免乘法的前馈式全数字AGC算法

5.5 本章小结

第六章 基于运动平台的空域抗干扰算法

6.1 引言

6.2 平台运动条件下的阵列信号建模

6.3 平台运动对阵列性能的影响分析

6.4 基于虚拟干扰的零陷展宽算法

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 本文工作总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录A：阵列增益最大的充分条件

作者在学期间取得的学术成果