本文關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航信號擴頻碼構(gòu)造、優(yōu)選和增強接收技術(shù)研究

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【摘要】：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)能夠為數(shù)量不受限的用戶提供全天時、全天候、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù),衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為構(gòu)成現(xiàn)代化國家和軍事能力的重要基礎(chǔ)設(shè)施。導(dǎo)航信號體制是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成功應(yīng)用的五項關(guān)鍵技術(shù)之一,具有高性能、兼容與互操作、自主知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航信號體制是北斗全球系統(tǒng)參與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)競爭的必要條件。在此背景下,本文選擇基于碼分多址信號體制的基石——擴頻碼設(shè)計和導(dǎo)航信號增強接收為研究重點,研究擴頻碼的性能測度、構(gòu)造方法、優(yōu)選方法、分配方法和基于信號體制的接收增強技術(shù),形成了完整的擴頻碼設(shè)計、評估和應(yīng)用能力,并應(yīng)用于北斗全球系統(tǒng)信號體制設(shè)計和公開服務(wù)信號接收增強。論文的主要工作和創(chuàng)新點如下:1.提出用于擴頻碼設(shè)計、評估的通用研究框架和三個基本原則。從通信、測距、抗干擾、安全對抗和知識產(chǎn)權(quán)等五個視角分析了衛(wèi)星導(dǎo)航擴頻碼的設(shè)計約束,綜合擴頻碼設(shè)計已有成果和課題研究實踐,提出擴頻碼設(shè)計的通用研究框架和基本原則。在通用研究框架中,擴頻碼設(shè)計被分解為四個基本問題,通用研究框架為擴頻碼設(shè)計分解與協(xié)同提供了依據(jù),為擴頻碼和設(shè)計方法的評測提供了基準(zhǔn),擴頻碼設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循有限目標(biāo)、分而治之、設(shè)計和評估分離原則。2.提出兩種適合任意碼長、高性能的擴頻碼構(gòu)造方法:迭代交織碼和真隨機數(shù)碼。為設(shè)計具有兼容與互操作、自主知識產(chǎn)權(quán)、高性能的北斗全球系統(tǒng)擴頻碼,提出基于迭代交織和真隨機數(shù)的擴頻碼構(gòu)造方法。迭代交織碼以置換群理論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ),基于隨機交織和反饋-迭代環(huán)路構(gòu)造,真隨機數(shù)碼是將無限周期、不可預(yù)測的真隨機序列截斷并變換構(gòu)造的擴頻碼,這兩種方法可產(chǎn)生任意碼長、高性能的擴頻碼而適用于任意導(dǎo)航信號和擴頻通信。在4種典型碼長下的性能評測表明:采用新方法構(gòu)造的擴頻碼方案與GPS、Galileo和北斗的現(xiàn)有方案比較性能相當(dāng)或更優(yōu),可以作為北斗系統(tǒng)公開服務(wù)信號的候選方案。3.提出兩種多項式時間、高性能的導(dǎo)航信號擴頻碼優(yōu)選方法:貪心算法和最大團模型算法。定量分析擴頻碼優(yōu)選的復(fù)雜度組成,證明以互相關(guān)函數(shù)為代表的組合性能測度優(yōu)化是NP復(fù)雜度的原因,提出一種基于分治策略的擴頻碼優(yōu)選技術(shù)路徑。提出優(yōu)化擴頻碼互相關(guān)性能的貪心算法和最大團模型算法,貪心算法依照當(dāng)前最優(yōu)準(zhǔn)則將互相關(guān)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為擴頻碼字的多次刪除,是一種“減法”策略;基于最大團模型的優(yōu)化算法使用圖論描述擴頻碼的互相關(guān)性,互相關(guān)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為最大團的迭代搜索問題,是一種“加法”策略。新的優(yōu)化算法具有多項式時間復(fù)雜度,對碼長和數(shù)據(jù)規(guī)模沒有限制,基于4種典型擴頻碼的優(yōu)化實驗表明:在候選碼字集合相同的條件下,優(yōu)化擴頻碼方案性能優(yōu)于現(xiàn)有方案。4.完成北斗全球系統(tǒng)的上行信號體制設(shè)計,提出一種基于衛(wèi)星配對的擴頻碼分配方法。為實現(xiàn)高可靠、高安全性,高效率的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星管控,提出一種“雙通道三模式”信號結(jié)構(gòu)并完成詳細(xì)設(shè)計,新擴頻碼方案在抗干擾性能、自相關(guān)和互相關(guān)性能顯著改善�；趯�(dǎo)航衛(wèi)星的星座拓?fù)浜蛿U頻碼互相關(guān)性差異,提出一種基于衛(wèi)星配對的擴頻碼優(yōu)化方法,給出衛(wèi)星信號互不干擾的衛(wèi)星配對概念。北斗全球系統(tǒng)的擴頻碼分配實驗表明:基于衛(wèi)星配對的方法只需要15組擴頻碼即可滿足27顆MEO衛(wèi)星需要,上行信號擴頻碼相關(guān)性改善0.3至0.55dB,下行B1I導(dǎo)航信號擴頻碼相關(guān)性改善1.02至1.74dB,導(dǎo)航接收機搜索擴頻碼的時間降低44%。5.提出兩種低復(fù)雜度、近最優(yōu)的BCH碼譯碼算法用于增強北斗公開服務(wù)性能。在分析導(dǎo)航信號體制和接收機靈敏度關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過性能評估證明北斗B1I/B2I接口控制文件(ICD)中的BCH碼糾錯算法無法實現(xiàn)改善接收機性能的目的。提出兩種用于增強北斗接收機性能的近最優(yōu)BCH碼譯碼算法,低復(fù)雜度Chase算法通過伴隨式計算和判決測度優(yōu)化將基本Chase算法復(fù)雜度降低了約60%,伴隨式輔助的列表譯碼是一種硬判決和軟判決結(jié)合的列表譯碼算法,其復(fù)雜度低于Chase算法并且不需要排序運算。這兩種譯碼算法在誤碼率510-時距離最大似然算法分別為0.01dB和0.08dB。
【關(guān)鍵詞】：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 信號體制 擴頻碼 迭代交織碼 最大團問題 衛(wèi)星配對 BCH譯碼
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN967.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 縮略語對照表15-18
• 第1章 緒論18-32
• 1.1 課題研究的背景及意義18-21
• 1.1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號體制演進18-20
• 1.1.2 論文選題的意義20-21
• 1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航信號擴頻碼國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-27
• 1.2.1 擴頻碼性能測度研究22-24
• 1.2.2 擴頻碼構(gòu)造方法研究24-25
• 1.2.3 擴頻碼優(yōu)選方法研究25-26
• 1.2.4 擴頻碼分配優(yōu)化研究26-27
• 1.3 衛(wèi)星導(dǎo)航信號增強接收國內(nèi)外研究現(xiàn)狀27-28
• 1.4 論文主要工作與內(nèi)容安排28-32
• 第2章 導(dǎo)航信號擴頻碼設(shè)計約束、框架和原則32-54
• 2.1 引言32
• 2.2 導(dǎo)航信號擴頻碼的設(shè)計約束分析32-49
• 2.2.1 基于通信的視角32-39
• 2.2.2 基于測距的視角39-44
• 2.2.3 基于抗干擾的視角44-47
• 2.2.4 基于安全對抗的視角47-48
• 2.2.5 基于知識產(chǎn)權(quán)的視角48-49
• 2.3 導(dǎo)航信號擴頻碼通用設(shè)計框架與設(shè)計原則49-53
• 2.3.1 擴頻碼設(shè)計通用框架49-50
• 2.3.2 擴頻碼設(shè)計的四個基本問題50-52
• 2.3.3 擴頻碼設(shè)計的基本原則52-53
• 2.4 本章小結(jié)53-54
• 第3章 導(dǎo)航信號擴頻碼構(gòu)造方法研究54-70
• 3.1 引言54
• 3.2 基于迭代交織的擴頻碼構(gòu)造方法54-62
• 3.2.1 迭代交織器的隨機化效應(yīng)與數(shù)學(xué)模型54-57
• 3.2.2 基于迭代交織的擴頻碼構(gòu)造實現(xiàn)57-60
• 3.2.3 算法性能分析60-62
• 3.3 基于真隨機數(shù)的擴頻碼構(gòu)造方法62-69
• 3.3.1 真隨機數(shù)的概念與生成62-64
• 3.3.2 基于真隨機數(shù)的擴頻碼構(gòu)造實現(xiàn)64-66
• 3.3.3 算法性能分析66-69
• 3.4 本章小結(jié)69-70
• 第4章 導(dǎo)航信號擴頻碼優(yōu)選方法研究70-84
• 4.1 引言70
• 4.2 擴頻碼優(yōu)選的復(fù)雜度分析70-75
• 4.2.1 數(shù)據(jù)規(guī)模與優(yōu)選復(fù)雜度71-72
• 4.2.2 性能測度與優(yōu)選復(fù)雜度72-74
• 4.2.3 基于分治策略的實現(xiàn)路徑74-75
• 4.3 基于貪心算法的擴頻碼優(yōu)選75-79
• 4.3.1 擴頻碼的互相關(guān)性能測度75-76
• 4.3.2 基于貪心算法的互相關(guān)優(yōu)化實現(xiàn)76-77
• 4.3.3 算法性能分析77-79
• 4.4 基于最大團模型的擴頻碼優(yōu)選79-83
• 4.4.1 互相關(guān)優(yōu)化的最大團模型79-80
• 4.4.2 基于最大團模型的互相關(guān)優(yōu)化實現(xiàn)80-82
• 4.4.3 算法性能分析82-83
• 4.5 本章小結(jié)83-84
• 第5章 北斗上行信號體制設(shè)計和擴頻碼分配優(yōu)化84-100
• 5.1 引言84
• 5.2 上行信號體制設(shè)計目標(biāo)與框架方案84-91
• 5.2.1 上行信號體制的設(shè)計目標(biāo)84-85
• 5.2.2 上行信號體制框架方案85-88
• 5.2.3 上行信號擴頻碼設(shè)計與性能分析88-91
• 5.3 基于衛(wèi)星配對的北斗系統(tǒng)擴頻碼分配優(yōu)化91-98
• 5.3.1 衛(wèi)星配對的概念定義92-94
• 5.3.2 北斗系統(tǒng)擴頻碼分配優(yōu)化實現(xiàn)94-95
• 5.3.3 算法性能分析95-98
• 5.4 本章小結(jié)98-100
• 第6章 北斗公開服務(wù)信號增強接收研究100-120
• 6.1 引言100-101
• 6.2 北斗B1I/B2I信號體制與接收機性能101-108
• 6.2.1 北斗B1I/B2I信號體制101-102
• 6.2.2 導(dǎo)航接收機靈敏度與信號體制關(guān)系102-104
• 6.2.3 BCH碼在導(dǎo)航接收機中的作用與譯碼104-108
• 6.3 低復(fù)雜度Chase譯碼算法108-113
• 6.3.1 基本Chase譯碼算法與復(fù)雜度分析108-109
• 6.3.2 低復(fù)雜度的伴隨式計算和距離準(zhǔn)則109-111
• 6.3.3 算法性能分析111-113
• 6.4 伴隨式輔助的列表譯碼算法113-119
• 6.4.1 伴隨式輔助的列表譯碼算法原理113-115
• 6.4.2 基于伴隨式輔助的北斗BCH碼列表譯碼實現(xiàn)115-117
• 6.4.3 算法性能分析117-119
• 6.5 本章小結(jié)119-120
• 第7章 總結(jié)與展望120-123
• 7.1 本文的主要工作和創(chuàng)新點120-121
• 7.2 下一步的研究方向121-123
• 參考文獻(xiàn)123-136
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單136-138
• 致謝138

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本文編號：1111926