基于CBOC信號(hào)的導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫忠秋，張春澤

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100081）

近年來，隨著美國的GPS系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域的成功應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受到了世界多個(gè)主要國家和組織的普遍關(guān)注。除了美國正在進(jìn)行的GPS現(xiàn)代化計(jì)劃以外，歐盟正在建設(shè)Galileo系統(tǒng)，俄羅斯正在對其GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)和現(xiàn)代化改進(jìn)，我國的北斗系統(tǒng)也在積極建設(shè)中。多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)并存，一個(gè)首要的問題是導(dǎo)航信號(hào)的兼容共存。在無線電頻率資源非常緊張的情況下，歐盟提出了新的信號(hào)結(jié)構(gòu) BOC（Binary Offset Carrier）調(diào)制，通過改變信號(hào)的頻譜，達(dá)到與傳統(tǒng)導(dǎo)航的 BPSK（Binary Phase Shift Keying）調(diào)制信號(hào)共享頻率的目的，從而最大限度地利用有限的頻譜資源。而后，美國和歐盟就GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)共用民用信號(hào)體制達(dá)成協(xié)議，GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)將分別使用MBOC調(diào)制方式的兩種實(shí)現(xiàn)，其中Galileo系統(tǒng)將在E1頻點(diǎn)使用CBOC調(diào)制。

由于BOC信號(hào)的相關(guān)函數(shù)存在多個(gè)相關(guān)峰值，用于BPSK信號(hào)體制的接收方法不能直接用于接收BOC信號(hào)體制，近年來人們提出了很多種適用于BOC信號(hào)體制的接收技術(shù)：文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]提出的 BPSK-like（單邊帶）方法將BOC信號(hào)的頻譜簡化成類似BPSK信號(hào)的形式后處理，該方法相對易于實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]提出的bump-jump方法，文獻(xiàn)[4]提出的ASPeCT方法占用的硬件資源都比較多，文獻(xiàn)[5]提出的DE方法占用的硬件資源適中，也不會(huì)損失接收機(jī)的靈敏度和測距精度等性能，但是增加副載波環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，本文研究的多相關(guān)器算法[6]硬件資源雖然多，但是實(shí)現(xiàn)簡單，理論清晰，可修正性和兼容性很好。但是國內(nèi)對CBOC信號(hào)的研究還多處于理論分析階段，工程實(shí)現(xiàn)比較薄弱。由于CBOC信號(hào)是兩個(gè)BOC信號(hào)的時(shí)域疊加，筆者以Galileo系統(tǒng)擬采用的 CBOC（6，1，1/11）信號(hào)著手，分析 CBOC 的時(shí)域特性，自相關(guān)函數(shù)以及功率譜密度函數(shù)。通過分析多相關(guān)器的算法，在現(xiàn)有的導(dǎo)航接收機(jī)的基礎(chǔ)上完成CBOC導(dǎo)航接收機(jī)工程樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

1 CBOC信號(hào)特性分析

1.1 CBOC信號(hào)生成仿真

CBOC（Composite BOC）通過PN碼相同、副載波不同的兩種BOC信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和實(shí)現(xiàn)。本文研究的是Galileo系統(tǒng)提出的 CBOC（6，1，1/11）信號(hào)采用 BOC（6，1）和 BOC（1，1）兩種副載波加權(quán)實(shí)現(xiàn)，加權(quán)是對功率的分配。BOC（1，1）信號(hào)所占的功率百分比為a，BOC（6，1）信號(hào)所占功率百分比為b。通過這種加權(quán)之后，信號(hào)成為4電平信號(hào)。

CBOC信號(hào)表達(dá)式為：

采用 Matlab 仿真 CBOC（6，1，1/11）信號(hào)如圖 1 所示。

接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵就是在本地端復(fù)制一個(gè)和發(fā)射端匹配的信號(hào)，而根據(jù)Matlab的仿真分析可知，CBOC信號(hào)是四電平的信號(hào)，因此采用在接收端直接復(fù)制信號(hào)的方式會(huì)極大的增加了接收機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)的難度，這就要求必須尋找其他的方法恢復(fù)信號(hào)。

圖1 CBOC信號(hào)時(shí)域波形Fig.1 Time-domain waveform of CBOC signal

1.2 CBOC自相關(guān)和功率譜密度

信號(hào)的自相關(guān)特性是信號(hào)捕獲和跟蹤算法選擇的依據(jù)，BPSK信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)只有一個(gè)峰值，采用典型的E-L相關(guān)器架構(gòu)可以很容易的鎖住主峰，但是CBOC信號(hào) （如圖3所示）除了主峰以外還有兩個(gè)副峰，這樣簡單的采用BPSK的跟蹤算法容易錯(cuò)鎖，因此影響取得的觀測量的值，進(jìn)而影響定位結(jié)果。CBOC信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)的Matlab仿真圖如圖2所示。

CBOC信號(hào)的自相關(guān)特性可以表示為：

由仿真分析可知，CBOC（6，1，1/11）存在兩個(gè)較大的副峰，且其與BOC（1，1）信號(hào)類似，因此在選擇跟蹤算法時(shí)可以仿照BOC 的算法進(jìn)行改進(jìn)。 在圖 3 中，BOC（1，1）和 BOC（6，1）的頻率譜峰清晰可見，因此可以根據(jù)射頻帶寬的大小選擇適合的接收算法。

圖2 CBOC（6，1，1/11）的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)Fig.2 Autocorrelation function and power spectral density of CBOC（6，1，1/11）

2 CBOC信號(hào)接收算法

2.1 現(xiàn)有CBOC信號(hào)跟蹤算法

現(xiàn)有CBOC跟蹤算法對比如表1所示。

2.2 多相關(guān)器算法

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，偽距的測量精度越來越高，人們發(fā)現(xiàn)多徑誤差對定位精度的影響在定位誤差中所占的權(quán)重越來越大，因此，如果能夠得到多徑誤差最優(yōu)的碼相位鑒別器，將能最大限度地抑制多徑誤差，從而顯著提高定位精度?；诖它c(diǎn)需求提出的多相關(guān)器方法是一種確定碼相位鑒別器的方法，它在自相關(guān)函數(shù)的有效范圍內(nèi)放置許多相關(guān)器，并通過線性組合的方法，用這些自相關(guān)函數(shù)組合出最優(yōu)的碼相位鑒別曲線，從而達(dá)到減小多徑誤差的效果。這種抗多徑的方法同樣適用于CBOC信號(hào)，可以在基帶只復(fù)制BOC（1，1）信號(hào)，然后通過相關(guān)值的線性組合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的碼相位鑒別。但是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中增加了相關(guān)器，因此增加了很多硬件資源，但是這些資源的增加還是可以通過諸如相關(guān)器復(fù)用等方式將硬件效率提升。

表1 CBOC跟蹤算法對比Tab.1 Composition of methods in CBOC

采用多相關(guān)器方法的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖5 S-surve shaping接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案Fig.5 Structure diagram of the CBOC receiver

每一個(gè)相關(guān)器的自相關(guān)函數(shù)可以表示如下：

其中sμ表示衛(wèi)星信號(hào)，pμ表示本地載波信號(hào)，riμ表示第i個(gè)相位的本地復(fù)制碼，這樣就定義了一組相關(guān)器的自相關(guān)函數(shù)。定義自相關(guān)函數(shù)的線性組合為：

最后，為使自相關(guān)函數(shù)的線性組合給出的鑒相曲線無限逼近理想的碼鑒相曲線，可以使用最小二乘方法來完成最后的步驟：

通過最小二乘方法求得的即為最優(yōu)的自相關(guān)函數(shù)權(quán)值，從而構(gòu)造出了與理想的碼鑒相曲線無限接近的碼鑒相曲線。

3 CBOC信號(hào)導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 導(dǎo)航接收機(jī)硬件平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)基于多相關(guān)器方法的接收機(jī)硬件平臺(tái)如圖4所示，硬件平臺(tái)選用FPGA作為實(shí)現(xiàn)相關(guān)器的模塊，利用FPGA的可編程特性，可以不改變硬件平臺(tái)，而只修改FPGA和DSP軟件實(shí)現(xiàn)對不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容接收。同時(shí)，F(xiàn)PGA的并行運(yùn)算能力也能夠很好地保證基帶處理方法的實(shí)時(shí)性。

3.2 信號(hào)捕獲

圖4 S-surve shaping接收機(jī)硬件平臺(tái)Fig.4 Hardware platform of S-curve shaping receiver

由于CBOC信號(hào)中存在副載波，CBOC信號(hào)的相關(guān)函數(shù)存在±1碼片內(nèi)存在多個(gè)相關(guān)峰值，為避免誤判，使用SCC（Sub-Carrier Cancellation）[7]方法構(gòu)造無模糊的相關(guān)函數(shù)，相關(guān)函數(shù)的計(jì)算方法如式（6）所示。

該方法有效地消除了CBOC信號(hào)的副峰，從而將CBOC信號(hào)的捕獲過程轉(zhuǎn)化成類似于BPSK信號(hào)的無模糊形式。

3.3 信號(hào)跟蹤

環(huán)路設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 S-curve shaping方法的接收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of the receiver adopted S-curve shaping method

跟蹤采用雙環(huán)路的策略，載波環(huán)和碼環(huán)。由載波發(fā)生器，載波鑒相器，碼發(fā)生器，碼鑒別器和相關(guān)器組等構(gòu)成。CBOC信號(hào)的跟蹤采用多相關(guān)器的方式，只復(fù)制BOC（1，1）信號(hào)，然后根據(jù)計(jì)算的加權(quán)系數(shù)確定采用的鑒相方法。因此在硬件的設(shè)計(jì)中，碼環(huán)鑒別器的參數(shù)和鑒相方式均留出接口利用DSP或者ARM軟件配置。在確定了一組環(huán)路鑒相參數(shù)后，根據(jù)具體的應(yīng)用場景，對環(huán)路參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

載波跟蹤環(huán)路可以使用鎖頻環(huán)或者鎖相環(huán)完成對載波相位和頻率的跟蹤。在采用方多相關(guān)器方法的接收機(jī)中，繼承了BPSK接收機(jī)對載波跟蹤環(huán)的跟蹤方法，可以使用所有適用于BPSK接收機(jī)的鑒別器，在工程樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)中使用了三階鎖相環(huán)，鑒相采用四象限反正切的方式，三階鎖相環(huán)[8]的實(shí)現(xiàn)在這里不做討論。

3.4 接收機(jī)測試結(jié)果

在性能分析和算法仿真的基礎(chǔ)上，使用FPGA和DSP處理器的基帶處理架構(gòu)實(shí)現(xiàn)S-surve shaping方法，經(jīng)過對接Galileo信號(hào)模擬器，完成了對S-surve shaping方法的功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)的跟蹤環(huán)路可以穩(wěn)定地完成對載波、副載波和碼相位的跟蹤。

4 結(jié) 論

文中通過分析CBOC的時(shí)域特性，自相關(guān)特性以及功率譜密度函數(shù)，主要論述了一種基于S-surve shaping跟蹤方法的Galieo E1頻點(diǎn)CBOC信號(hào)接收機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)，在明確CBOC信號(hào)結(jié)構(gòu)的情況下，充分利用Galileo信號(hào)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的兼容性以及成熟的硬件平臺(tái)，并分析了使用簡化的CBOC信號(hào)接收方法所帶來的性能損失，在理論仿真的基礎(chǔ)上，完成了接收機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

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