卫星导航系统星载扩频接收机关键技术研究

摘要

星载导航接收机是全球卫星导航系统卫星有效载荷的重要组成部分，可用于上行注入信号接收和星间链路信号接收。由于受限于器件和空间环境、可靠性的约束，其研制难度远大于地面应用的接收机，其中硬件资源与高性能、高可靠性、实时性的矛盾尤为突出。本文围绕星载接收机资源强约束下的前端优化设计、有限字长效应、高精度载波跟踪、空间存储器抗辐照展开研究。
　　本研究主要内容包括：⑴针对扩频信号的模数转换时的无失真采样和最优量化问题，建立了滤波、采样和量化综合作用下的解扩输出模型，在分析采样时钟频率偏移和抖动以及量化对解扩输出性能影响的基础上，推导得到滤波、采样和量化作用下解扩输出信噪比定量的解析关系，揭示了三种因素对解扩输出性能的影响。通过理论分析和仿真实验表明了解析公式的正确性。研究成果为接收机前端的优化设计奠定了理论基础。⑵针对输入信号字长效应对数字信号处理性能影响的问题，建立了接收机中非线性信号处理的通用模型，分析输入有限字长伪码捕获、载波跟踪、伪码跟踪等模块输出性能的影响，在此基础上提出了基于改进蚁群算法的最优字长设计方法。得到在满足性能要求前提下，系统代价最小的各组成模块字长设计方案。研究结果为接收机中的字长优化设计提供理论依据。⑶针对星载接收机锁相环路高精度跟踪与资源强约束的问题，分别提出了基于相位预压缩的点积鉴相器设计与基于坐标旋转数字计算原理的反正切鉴相器设计方法。改进的鉴相器将收敛区间扩大1倍，有效提高了线性鉴相范围和环路跟踪精度，改进的实现方法较传统方法，在相同的误差精度下（≤2-8），收敛时间约提高3倍，在相同的迭代次数下（8次），精度约提高30倍。⑷针对空间单粒子效应导致的存储器瞬时错误问题，推导出多因素影响下的存储器系统平均无故障时间和可靠性公式。提出了一种基于编码复杂度、存储容量、刷新间隔等因素加权的多目标优化算法。通过对编码方式、刷新间隔、纠错能力和存储器容量等因素对系统平均无故障时间的影响分析，得到满足系统可靠性要求的最优代价函数的设计策略。理论分析与仿真结果表明，降低刷新时间间隔和增加编码的纠错能力均能有效提高存储器的可靠性；纠错能力不变时，采用的编码方式对可靠性有影响；要得到满足可靠性要求的最优实现方案必须综合考虑以上因素对实现代价的影响。研究成果为存储器抗辐照的最优工程设计提供了理论指导。⑸针对空间辐照环境下存储器以字节为单位存取时的多位翻转问题，设计了一种基于（13,8）循环码构成的（26,16）交织码，能纠正小于二位随机错误和四位突发错误，相比传统纠一位随机错误的（13,8）循环码，在资源占用和编译码延时基本相同的情况下，具有更强的纠错能力。针对存储器以块为单位存取时的多位翻转问题，改进了一种n1行n2列的A(n1，n2,1)乘积码，采用对角线间隔为1的方式传输，相比使用相同循环码进行n1次交织形成的交织码，具有减少1个译码器资源和增加纠正n1?1个突发错误的优点，适用于硬件资源和实时性约束强的应用场合。⑹基于空间无线电通信系统的架构，设计并实现了XX卫星导航系统星载上行扩频接收机，整机测试和在轨运行结果表明，接收机在功耗、可靠性、测距性能上均达到并超越设计指标要求。同时论文的研究成果也已成功应用于XX卫星导航系统精密测距码模块、基本型用户机等设备的研制。

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主要缩略语

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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 论文创新点和章节安排

第二章 扩频系统ADC无失真采样及最优量化技术

2.1引言

2.2采样时钟非理想对解扩输出的影响分析

2.3量化间隔对最优量化的影响分析

2.4基于前端滤波约束下的ADC解析建模新方法

2.5本章小结

第三章 基于非线性模型的接收机全局最优字长设计方法

3.1引言

3.2非线性系统的有限字长建模

3.3伪码捕获的有限字长效应分析

3.4跟踪环路的有限字长效应分析

3.5基于改进蚁群算法的全局最优字长设计方法

3.6本章小结

第四章 资源强约束下的鉴相器设计与实现技术

4.1引言

4.2鉴相器统计特性及锁相环路性能分析

4.3基于相位预压缩的鉴相器设计

4.4基于计算矢量旋转的鉴相器迭代实现技术

4.5本章小结

第五章 基于错误检测与纠正的空间存储器抗辐照加固技术

5.1引言

5.2多因素影响下的存储器可靠性分析

5.3多错误模式下的存储器抗辐照方法

5.4 本章小结

第六章 星载上行扩频测距接收机的设计及实现

6.1 引言

6.2 接收机设计及实现

6.3 在轨测试结果及分析

6.4 本章小结

第七章 结束语

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果