高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的快速捕獲方法探討

摘要：我國(guó)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用三類異質(zhì)衛(wèi)星組成的混合星座導(dǎo)航系統(tǒng)，高動(dòng)態(tài)繪給載波信號(hào)帶來較高的多普勒頻移，造成載波跟蹤環(huán)失鎖，影響載波的同步，提高載波快速捕獲能力極為重要。本文基于北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，研究了高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的快速捕獲方法。

關(guān)鍵詞：北斗二代；高動(dòng)態(tài)環(huán)境；載波信號(hào)；快速捕獲

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 21-0000-02

1 引言

我國(guó)北斗一代導(dǎo)航系統(tǒng)采用的是“雙星定位”的方法，僅覆蓋我國(guó)本土區(qū)域，采用主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航原理來實(shí)現(xiàn)定位，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)體的定位誤差極大。北斗二代則同北斗一代不同，是由三類異質(zhì)衛(wèi)星組成的混合星座導(dǎo)航系統(tǒng)，采用“無源定位”的方法，理論上講同GPS定位精度相差無幾，擁有更強(qiáng)的軍事應(yīng)用能力。在設(shè)計(jì)上北斗二代需要發(fā)射35顆衛(wèi)星，比美國(guó)GPS還要多出11顆，截止2012年5月，我國(guó)北斗二代已經(jīng)成功發(fā)射了第十顆衛(wèi)星。雖然理論上講北斗二代擁有比GPS更高的精度，但北斗二代目前還不夠完善，尤其是高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的快速捕獲上能力還有所不足，極容易造成載波跟蹤環(huán)失鎖現(xiàn)象，影響載波和碼跟蹤的同步。下面，本文就高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的快速捕獲方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的探討。

2 高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻接收技術(shù)簡(jiǎn)述

在上世紀(jì)七十年代中后期，GPS系統(tǒng)啟動(dòng)后，衛(wèi)星通信開始使用擴(kuò)頻體制、偽碼測(cè)距技術(shù)，至九十年代隨著現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了基于FFT的頻域方法，用于快速觀測(cè)載波瞬時(shí)頻率位置，以實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的快速捕獲和跟蹤。隨著技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)濾波技術(shù)開始被應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)多普勒條件下載波相位估計(jì)之中。目前，國(guó)外在高動(dòng)態(tài)擴(kuò)頻技術(shù)與相關(guān)接收機(jī)設(shè)備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖，尤其是關(guān)鍵和核心技術(shù)自主化方面極低，極大的限制了我國(guó)航天與國(guó)防技術(shù)的發(fā)展，因此我國(guó)急需一套自主研發(fā)的針對(duì)北斗二代的高頻動(dòng)態(tài)載波信號(hào)快速捕獲方法，以提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性。

3 影響高動(dòng)態(tài)載波信號(hào)捕獲的因素分析

3.1 載波信號(hào)二維捕獲的影響

在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，高速運(yùn)動(dòng)的C/A碼接收機(jī)同高速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航衛(wèi)星之間受徑向移動(dòng)的影響，會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，使得接收機(jī)接收到的L1波段的載波同發(fā)射頻率并不相同，要對(duì)所接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)必須進(jìn)行載波捕獲，搜索該衛(wèi)星所產(chǎn)生的多普勒頻移值。除此之外，還需要捕獲衛(wèi)星特定的C/A碼，其中C/A碼的起點(diǎn)和載波頻率是跟蹤程序所需要的兩個(gè)重要參數(shù)，因此在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的捕獲實(shí)際上是一個(gè)二維搜索過程。

3.2 C/A碼多普勒頻率的影響

多譜勒頻移是由于衛(wèi)星同接收機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，主要包括運(yùn)動(dòng)多普勒頻移和介質(zhì)多普勒頻移兩個(gè)方面，不過由于介質(zhì)多普勒頻移量級(jí)通常都在10-2Hz，因此幾乎可以忽略，只考慮運(yùn)動(dòng)多普勒頻移即可。C/A碼多普勒頻移主要受衛(wèi)星速度分量多普勒頻率和用戶運(yùn)動(dòng)分量多普勒頻率兩個(gè)方面的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星速度分量可以通過衛(wèi)星角速度、速度、衛(wèi)星軌道平均半徑來計(jì)算。

3.3 數(shù)據(jù)捕獲長(zhǎng)度和區(qū)間的影響

C/A碼的周期為1ms，由于捕獲數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度是一次捕獲運(yùn)算的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和累加次數(shù)的乘積，因此要正確捕獲載波信號(hào)并完成C/A碼的剝離，必須要搜索到C/A碼相位，因此至少要達(dá)到1ms的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)捕獲的最小長(zhǎng)度必須等于或大于1ms。理論上講，捕獲數(shù)據(jù)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，捕獲能力也就越高，但數(shù)據(jù)長(zhǎng)度并不可能無限長(zhǎng)，而是有一定限定的。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度主要受導(dǎo)航數(shù)據(jù)相位變化和C/A碼多普勒頻率的影響，如果在1ms長(zhǎng)充的載波信號(hào)中出現(xiàn)了相位反轉(zhuǎn)即無法正確捕獲，而相位峰值出現(xiàn)滾降也會(huì)影響到捕獲。一般捕獲數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在1ms至78ms之間，在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于10ms時(shí)為了檢測(cè)相位轉(zhuǎn)換需要增加捕獲計(jì)算量，因此長(zhǎng)度越大捕獲速度越慢，通常都限定在10ms以內(nèi)。

3.4 碼相位搜索和頻率捕獲步長(zhǎng)的影響

碼相位搜索步長(zhǎng)與頻率捕獲步長(zhǎng)同捕獲速度都有極大的關(guān)系。碼相位搜索步長(zhǎng)直接影響了載波信號(hào)的捕獲速度，步長(zhǎng)越小則計(jì)算量越大捕獲速度就越慢，尤其是當(dāng)碼相位搜索步長(zhǎng)超過1/2碼元時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響捕獲速度與捕獲能力。頻率捕獲步長(zhǎng)越大則載波信號(hào)的捕獲速度就越快，考慮多普勒頻率的影響，為了避免漏捕信號(hào)，當(dāng)頻率捕獲步長(zhǎng)為500Hz時(shí)需要進(jìn)行多次搜索才能完成所有的頻率范圍，影響捕獲能力，頻率捕獲步長(zhǎng)越長(zhǎng)捕獲能力越弱。

4 基于FFT的載波信號(hào)并行快速捕獲方法

載波信號(hào)的捕獲通常采用串行捕獲法和并行捕獲法兩大類，串行捕獲法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但捕獲時(shí)間較長(zhǎng)，很難滿足高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的快速捕獲，但采用FFT載波信號(hào)并行快速捕獲方法， 則能明顯提高捕獲效率，滿足高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的快速捕獲需要。

4.1 基于FFT的偽碼快速捕獲方法

載波信號(hào)的捕獲實(shí)際上就是對(duì)載波頻率和偽碼相位的二維搜索，F(xiàn)FT并行捕獲方法是在對(duì)兩路基帶信號(hào)構(gòu)建新的序列求FFT的同時(shí)，對(duì)本地C/A碼也進(jìn)求FFT，最后再對(duì)兩個(gè)FFT進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法得到IFFT，再對(duì)IFFT結(jié)果逐個(gè)求模并比較所獲結(jié)果，以最大的模同設(shè)定門限進(jìn)行比較，當(dāng)大于門限則判斷捕獲信號(hào)將接收機(jī)轉(zhuǎn)換為跟蹤環(huán)路，當(dāng)小于門限則判斷未捕獲信號(hào)調(diào)整多普勒頻率重新進(jìn)行二維搜索。相對(duì)來說，F(xiàn)FT并行捕獲方法在捕獲過程中的計(jì)算量遠(yuǎn)低于串行捕獲方法，因此能獲得更高的捕獲效率，有效的提升捕獲速度。

4.2 數(shù)據(jù)調(diào)制因子對(duì)FFT快速捕獲的影響分析

采用FFT快速捕獲方法時(shí)，數(shù)據(jù)調(diào)制因子對(duì)捕獲效率有較大的影響。當(dāng)本地偽碼同信號(hào)偽碼的相位保持滑動(dòng)時(shí)，如果相位滑動(dòng)一致且兩者相乘后結(jié)果只剩殘留載波，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的FFT譜分析就能獲取多普勒頻移值。當(dāng)本地偽碼同信號(hào)偽碼相位同步時(shí)，不存在數(shù)據(jù)跳變的情況下FFT分析能直接獲取譜峰，如果存在數(shù)據(jù)跳變則會(huì)改變譜峰形狀，造成頻譜的擴(kuò)展。基于數(shù)據(jù)跳變對(duì)頻譜的影響，同時(shí)FFT分析還會(huì)存在柵欄效應(yīng)，因此在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的快速捕獲中，將最大譜峰作為觀測(cè)量進(jìn)行判斷并不合適，根據(jù)帕斯瓦爾定理可知，數(shù)據(jù)跳變并沒有改變信號(hào)能量的大小，因此可以將能量譜作為觀測(cè)量來進(jìn)行判斷，用以消除數(shù)據(jù)跳變對(duì)信號(hào)捕獲的影響，并避免柵欄效應(yīng)所帶來的影響。

5 結(jié)束語

從初始碼相信、多譜勒頻移、頻譜特性等方面分析來看，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，采用FFT并行捕獲的方法來實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的快速捕獲，能獲得更高的捕獲效率，其硬件實(shí)現(xiàn)的難度也較小，能夠適應(yīng)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的快速捕獲需要，提升接收機(jī)的捕獲能力，值得在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載波信號(hào)的捕獲中大量應(yīng)用。

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[作者簡(jiǎn)介]金璐（1987-），女，籍貫：河南鄭州，本人學(xué)歷；碩士在讀（2010-2013）；張延彬，男，2009年于北京理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)在執(zhí)教于鄭州大學(xué)，研究領(lǐng)域：信號(hào)處理、射頻識(shí)別技術(shù)。