[发明专利]一种北斗卫星导航信号畸变自适应补偿方法

说明书

本发明提供了一种北斗卫星导航信号畸变自适应补偿方法，利用采集的数据恢复出其理论信号波形；对卫星信号发射通道特性进行建模，得到卫星信号发射通道特性估计结果；对卫星信号发射通道的幅度特性和相位特性进行补偿，得到星上预失真滤波器相关参数；将星上预失真滤波器相关参数上注至卫星，完成基于星上的预失真参数调整。本发明采用星上预失真和地面端预失真技术相结合的手段对信号发射通道引起的失真加以补偿，操作简单，易于实现，能够在保证较高信号优化精度的同时，实现信号性能的自适应优化调整，大大提高了卫星信号优化效率和可信度。

技术领域

本发明属于卫星导航信号处理技术领域，具体涉及一种卫星导航信号畸变的补偿方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)通过在轨卫星发射下行导航信号来向全球用户提供定位、导航和授时服务(PNT，Positioning,Navigation,Timing)。目前GNSS已在关系国民经济建设和国家安全的诸多领域，如大地测量学、工程测量学、救援、精准农业、地震监测、地球动力学等应用中被广泛采用，并发挥着重要作用。其中卫星导航信号作为卫星导航系统与用户接收机之间的唯一接口，其内在性能的极限将直接决定整个卫星导航系统的服务性能极限。

卫星下行信号畸变是导致信号测距性能恶化的根本原因。虽然卫星在发射前的出厂测试结果可能比较理想，然而由于卫星地面测试环境与卫星发射后的空间环境完全不同，因此卫星出厂测试结果并不能完全代表卫星在轨运行过程中播发的下行信号性能，卫星发射之后的环境变化可能导致卫星下行信号出现不可预期的畸变现象。对于大部分卫星系统而言，卫星发射前若地面测试结果不理想，则可以进行相关补救措施，从而最大程度上减小通道非理想特性带来的信号畸变；但是若在卫星发射之后信号出现异常，则地面运控很难进行相关调整。比如GPS系统，由于星上未安装信号性能调整模块，因此若GPS卫星发射后出现信号不可恢复的信号畸变，则地面主控站是无能为力的。

相比于其他卫星导航系统，我国北斗全球系统卫星的特色之一是在设计时新增加了星上信号优化调整模块，能够用于对卫星信号进行优化调整。然而现有技术存在的不足主要体现在：第一，传统预失真方法或优化补偿方法主要是对功率放大器的非线性特性进行补偿，未考虑星上滤波器及其他器件的非理想特性，因此优化补偿效果不是很理想；第二，由于保密等各种问题，卫星有效载荷结构特点等并未对外公布，用户很难对载荷特性进行精确建模分析，现有方法主要是基于对卫星信号质量评估参数的分析来判断是需要优化调整，这样带来的弊端是卫星信号质量评估参数并不能反映卫星信号的所有性能，即便是卫星信号质量评估参数满足指标要求，用户接收到的卫星信号仍有可能存在较大程度的伪距偏差；第三，针对卫星信号预失真优化补偿的现有方法中，主要采用谱分析方法、脉冲响应法和最小二乘法法粗略估算卫星信号整个传输链路通道特性，然后再粗略扣除空间传输和接收通道影响，得到卫星发射通道特性。这里有几个不足之处：脉冲响应原理比较简单，但当输入信号包含多个信号分量时，该方法不能有效辨识卫星导航信号通道函数；谱分析方法是通过计算输入输出信号谱密度函数求得信号传输通道特性，然而在整数倍带宽频率的估计结果存在较大误差；最小二乘法批处理方法需要满足噪声类型为高斯白噪声这个假设条件，假如信号为有色噪声，则该辨识方法会带来较大的误差，而且该方法要求获得输入信号的各种码和信号间功率分配比等先验信息，因而对包含军用信号的卫星导航信号需要首先进行授权信号解析，同时在求解过程中需要满足输入矩阵为奇异矩阵。本发明利用基于QR分解的递归最小二乘法进行自适应补偿优化，由于利用QR分解代替求逆运算，能够不仅节省成本而且大大降低复杂度，所以该方法收敛速度快而且精度较高；另外由于电离层和对流层对信号影响均不可忽视，因此在对空间传输链路建模时不仅考虑了电离层的影响，还考虑到了对流层的影响；第四，在进行卫星发射通道特性估算时，主要是基于大天线采集的单颗卫星的信号数据，这里存在的主要问题是：用户是通过对至少4颗卫星信号进行同时接收并做相应的差分处理得到的定位结果，所以即便是能够保证各颗卫星下行信号的畸变特性不超出设计指标要求，但是由于不同卫星发射通道不可能做到完全一致，因此仍无法保证所有卫星播发的信号一致性，这同样也会带来卫星导航信号的伪距偏差问题，严重影响了卫星导航系统服务性能；第五，现有技术针对北斗全球系统卫星的在轨优化和保持方法中，是将预失真模块放置在每个卫星上，由于星上资源有限，所以考虑到成本问题，预失真模块参数可调整范围较小，不能够最大程度上补偿通道失真。