Galileo E1 OS信號捕獲方法研究

陳頡，盧曉春，賀成艷

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Galileo E1 OS信號捕獲方法研究

陳頡1,2,3，盧曉春1,2，賀成艷1,2,3

（1. 中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

為了獲得較好的捕獲性能，解決Galileo E1 OS（開放服務(wù)）信號捕獲過程中遇到的2個問題：信號功率利用不夠充分，以及捕獲結(jié)果的多峰錯鎖與相位模糊問題，設(shè)計了一種利用BPSK-like技術(shù)的雙通道信號捕獲方法。將此方法應(yīng)用于實測信號，捕獲結(jié)果主峰明顯、幾乎無旁瓣，捕獲性能理想。

Galileo E1 OS信號；CBOC調(diào)制方式；信號捕獲；BPSK-like技術(shù)；GIOVE-B衛(wèi)星

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展和人類生活水平的不斷提高，衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)已經(jīng)應(yīng)用于人類生活的各個方面。同時，各領(lǐng)域?qū)?dǎo)航服務(wù)性能的要求也越來越高，伴隨而來的是相關(guān)技術(shù)的不斷革新。

為了獲得高性能的導(dǎo)航服務(wù)，現(xiàn)代GNSS系統(tǒng)采用了新的信號體制[1]。新的調(diào)制方式和早期的BPSK調(diào)制方式不同，它們主要采用BOC及其衍生型BOC調(diào)制方式，這主要是因為相對于BPSK調(diào)制方式而言，BOC信號具有更好的譜分離特性、抗干擾特性和相關(guān)性；在新的信號體制中，信號一般是多通道組合信號，由數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量構(gòu)成，導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制在數(shù)據(jù)分量上，而導(dǎo)頻分量的碼也不再是短碼，而是由主碼和次碼構(gòu)成的分層碼。

新的信號體制及其調(diào)制方式的變革，使得傳統(tǒng)的信號捕獲算法不再適用。首先，傳統(tǒng)的GNSS信號只有一個信號分量，而現(xiàn)代GNSS信號主要是多通道組合信號，其功率按一定比例分配給數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)頻通道。導(dǎo)航信號的信噪比一般很低，如果對現(xiàn)代GNSS信號使用傳統(tǒng)的單通道捕獲算法，將會損失一定的有效信號功率，捕獲性能不夠理想。采用數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻分量組合的策略進行捕獲，可以有效地利用信號功率，因此具有較好的捕獲性能。其次，BOC及其衍生型BOC調(diào)制信號的自相關(guān)函數(shù)在一個碼片范圍內(nèi)存在多個峰值，當(dāng)信號的信噪比較低時，旁峰很可能會高于主峰，因而導(dǎo)致捕獲結(jié)果的碼相位模糊，造成誤檢。消除碼相位模糊的常用方法是BPSK-like技術(shù)[2]，它利用濾波器得到BOC信號功率譜后，將其當(dāng)作BPSK信號處理，搜索到載波頻率和碼相位。

Galileo E1 OS（開放服務(wù)）信號包含數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量2個信號分量，它們均采用CBOC（composite binary offset carrier）調(diào)制方式。傳統(tǒng)的信號捕獲算法適用于單通道導(dǎo)航信號，對于具有2個信號分量的E1 OS信號，由于沒有充分利用信號功率，捕獲性能不夠理想；另一方面，CBOC信號的相關(guān)函數(shù)具有多個峰值，可能引起捕獲結(jié)果的多峰錯鎖和相位模糊。本文設(shè)計了一種適用于Galileo E1 OS信號的捕獲算法。在消除碼相位模糊方面，采用了BPSK-like技術(shù)；為了有效利用信號功率，本文應(yīng)用了聯(lián)合數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻分量的策略對信號進行捕獲。最后，我們對GIOVE-B E1 OS實測數(shù)據(jù)進行了捕獲，性能較好。

1 Galileo系統(tǒng)E1OS信號

1.1 信號模型

圖1 E1 OS信號的產(chǎn)生框圖

根據(jù)圖1，可寫出各信號分量的表達式：

E1 OS的2個信號分量中，數(shù)據(jù)通道（B）信號分量由主碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)經(jīng)副載波調(diào)制而成；而導(dǎo)頻通道（C）信號分量由主碼和次碼經(jīng)副載波調(diào)制而成，不含導(dǎo)航數(shù)據(jù)。2個信號分量可以進一步描述如下：

由前面的分析可知，E1 OS信號由2個CBOC信號相減而成，其理想時域波形如圖2所示。

圖2 E1 OS信號時域波形仿真

圖2畫出了Galileo E1 OS信號的前10個碼片的波形。實測E1 OS信號來源于2012年5月1日的GIOVE-B導(dǎo)航衛(wèi)星，數(shù)據(jù)由新疆天文臺南山觀測站采集得到，其采樣率為150MHz，數(shù)字中頻載波為53 MHz。利用Welch周期圖法估計得到的功率譜如圖3所示。

圖3 實測E1 OS信號帶寬估計

圖3畫出了實際信號的功率譜，將中心頻率兩邊的功率譜極小值之間的距離作為主瓣帶寬，可以得到實測信號的功率譜主瓣帶寬約為4.053 9 MHz。

1.2 CBOC（6，1，1/11）信號的頻譜特性[4]

式（2）和（3）給出了E1 OS CBOC信號的表達式，CBOC（6，1，1/11）由BOC（1，1）和BOC（6，1）按照10/11和1/11的功率比組合而成。其中，BOC（1，1）信號可以描述如下：

為了進一步分析CBOC（6，1，1/11）和BOC（1，1）信號的功率譜特性，將它們和實測E1 OS信號畫在一起，見圖4所示。其中實測E1 OS數(shù)據(jù)和1.1節(jié)的數(shù)據(jù)相同，此處不贅述。

圖4（a）給出了實際Galileo E1 OS信號的功率譜，以及CBOC（6，1，1/11）信號和BOC（1，1）信號的理想功率譜。由圖4（a）可以看出，實測信號功率譜和理想功率譜擬合度良好。由于BOC（6，1）信號的功率比僅為1/11，在主瓣和第1旁瓣內(nèi)，CBOC（6，1，1/11）信號和BOC（1，1）信號理想功率譜基本重合，這意味著BOC（6，1）分量在窄帶范圍（5MHz）內(nèi)，對CBOC（6，1，1/11）信號功率的貢獻很小。因此，使CBOC（6，1，1/11）信號通過一個帶寬為4.1 MHz（僅包含主瓣）的窄帶濾波器后，可以將其當(dāng)作BOC（1，1）信號進行捕獲。圖4（b）給出了CBOC（6，1，1/11）和BOC（1，1）的相關(guān)曲線，由圖可以看出二者相關(guān)曲線類似，這是因為CBOC信號中BOC（1，1）信號所占的功率比為10/11。

2 Galileo E1 OS信號捕獲方法的實現(xiàn)

與BPSK信號相比，E1 OS信號的捕獲更加復(fù)雜。首先需要解決相關(guān)函數(shù)相位模糊的問題。針對這一問題，本文采用了BPSK-like算法。同時，本文采用了聯(lián)合數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量的策略，充分利用了信號功率，使捕獲性能得到提高。

2.1 并行碼相位搜索方法

信號捕獲的目的是確定可見衛(wèi)星，及其實際載波頻率和碼同步信息的粗略值。在衛(wèi)星信號已知的情況下，捕獲是一個二維搜索過程，其搜索空間為多普勒頻率和碼片延時構(gòu)成的二維平面。

定制化生產(chǎn)、優(yōu)化生產(chǎn)計劃，根據(jù)客戶需要，滿足互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)下客戶需求的獨特化。因為不一樣的消費者有著不同的需求，而且這些需求之間的差異化是比較大的。互聯(lián)網(wǎng)模式下整個價值鏈的成本管理，“互聯(lián)網(wǎng)+”時代推動了商業(yè)模式的更迭，企業(yè)不僅關(guān)注一種產(chǎn)品的成本，還要強調(diào)價值鏈成本的有效管理；可以實行成本核算定額法，衡量每一天的成本。為了管理成本，必須結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的商業(yè)模式，同時與業(yè)務(wù)部門合作，以應(yīng)對創(chuàng)新和成本的不斷發(fā)展。

常用的捕獲實現(xiàn)方式有：串行搜索、并行碼相位搜索和并行頻率搜索。其中，并行碼相位搜索方法效率最高[6]。利用并行碼相位搜索時，本地碼的傅里葉變換在每次捕獲過程中僅執(zhí)行1次，而對于每個搜索頻點，也只需執(zhí)行1次FFT變換和IFFT變換，即可完成對所有碼相位和設(shè)定頻點的搜索，大大提高了捕獲效率。并行碼相位搜索方法的框圖如圖5所示。

圖5 并行碼相位搜索算法

捕獲有4個參數(shù)需要確定，分別是多普勒頻率搜索范圍及其步長、碼片搜索范圍及其步長。多普勒頻率搜索范圍和衛(wèi)星接收機的相對運動速度有關(guān)，多普勒頻率偏移最大可達到±10kHz[6]，由于接收機靜止，本文頻率搜索范圍設(shè)為±5kHz。碼延時搜索范圍通常為一個主碼周期，對Galileo E1 OS信號而言，為4092個碼片（即4ms），搜索步長通常為采樣時間間隔。頻率搜索步長根據(jù)實際情況而定，如果步長大，則捕獲時間短，但是不夠精確，反之，捕獲結(jié)果更加精確，但是也比較耗時。

在并行碼相位搜索中，搜索步長是一個關(guān)鍵參數(shù)，為了提高捕獲精度，減少捕獲時間，本文采用4次捕獲。在±5 kHz的搜索范圍內(nèi)，第1次選取的步長為200 Hz；第2次搜索中，以第1次得到的多普勒頻率為中心，搜索±200 Hz的頻率范圍，步長為20 Hz；第3次搜索中，以第2次得到的多普勒頻率為中心，搜索±20Hz的頻率范圍，步長為2Hz；第4次搜索中，以第3次得到的多普勒頻率為中心，搜索±2 Hz的頻率范圍，步長為1Hz。最終，可以使多普勒頻率的搜索精度達到1Hz。

2.2 應(yīng)用于CBOC信號的BPSK-like捕獲算法

通過1.2節(jié)的分析可知，將CBOC（6，1，1/11）信號通過一個窄帶濾波器后，可以將其當(dāng)作BOC（1，1）信號進行捕獲。在BOC（1，1）信號的捕獲中，為了解決相關(guān)函數(shù)多峰造成的碼相位模糊問題，需要對信號做預(yù)處理。

2.3 聯(lián)合數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量的捕獲策略

通過前面的分析可知，CBOC（6，1，1/11）信號的捕獲最終可以簡化為2個BPSK（1）信號的捕獲，CBOC信號可以簡化為

3 捕獲結(jié)果

利用上面討論的E1 OS信號捕獲方法，對實測GIOVE-B E1 OS信號的第1個主碼周期（4 ms）的數(shù)據(jù)進行捕獲，粗捕獲結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，相關(guān)峰主峰明顯，旁峰很低，捕獲結(jié)果較好。為了得到更精確的捕獲結(jié)果，程序執(zhí)行了4次不同步長的捕獲，捕獲精度逐步提高，結(jié)果如圖8所示。

圖8 逐步細化的捕獲結(jié)果

圖8中，4次捕獲的步長分別為200，20，2和1Hz。由圖8可以看出，隨著步長的減小，相關(guān)峰值越來越集中；在第4次捕獲中，步長減小為1 Hz，5個頻點的相關(guān)峰值基本相同，捕獲結(jié)果比較精確。4次捕獲的結(jié)果示于表1。

表1 逐步細化的捕獲結(jié)果

由表1可以看出，隨著第1次到第4次搜索步長的逐漸減小，相關(guān)峰值越來越大，說明捕獲結(jié)果越來越精確；而相位卻沒有變化，這是因為碼相位對相關(guān)值影響很大，如果相位點不正確，相關(guān)結(jié)果將變得很小，因此，在捕獲過程中，經(jīng)過一次粗捕獲就可以得到較為精確的相位值。

為比較各種通道組合策略對捕獲性能的影響，對采集的同一組GIOVE-B E1 OS數(shù)據(jù)進行捕獲，得到的捕獲結(jié)果示于表2。

表2 不同通道組合策略的捕獲結(jié)果

由表2可以看出，4種通道組合策略中，利用（-）策略進行捕獲的相關(guān)峰值明顯大于其他策略的相關(guān)峰值，性能最好，這是因為其具有與接收信號相同的特征，并且充分利用了2個通道的信號功率；由于沒有充分利用2個通道的功率，B和C單通道捕獲性能比（-）策略差；（+）策略的捕獲性能最差，這是因為其特征與接收信號不同。由于（-）策略捕獲結(jié)果優(yōu)于（+）策略，因此，由式（1）可以得到所分析的數(shù)據(jù)的B通道導(dǎo)航電文值為1，C通道二次碼值也為1。

圖9 解調(diào)后的時域波形圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于Galileo E1 OS信號捕獲的算法，它采用了BPSK-like技術(shù)和雙通道信號組合策略。首先，建立了Galileo E1 OS信號的數(shù)學(xué)模型，給出了時域和頻域的仿真結(jié)果，并分析了CBOC信號和BOC（1，1）信號的頻譜特性；然后，闡述了并行碼相位搜索算法的原理，BPSK-like技術(shù)的原理及其在CBOC（6，1，1/11）信號捕獲中的應(yīng)用，以及聯(lián)合數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻分量捕獲信號的原理；最后，利用算法實現(xiàn)了對GIOVE-B E1 OS實測信號的捕獲，捕獲結(jié)果表明合適的通道組合策略可以有效地利用信號功率，從而獲得較高的捕獲性能。本文設(shè)計的捕獲算法簡單實用、精度較高，可以應(yīng)用于Galileo接收機的設(shè)計和工程實現(xiàn)。從本文的分析可以看出，現(xiàn)代GNSS系統(tǒng)采用的新型調(diào)制方式和信號體制，使得信號捕獲算法的設(shè)計有了更多的靈活性。

[1] WAN Qing, MENG Wei-xiao. Space-differential cooperative acquisition for Galileo El OS signals[C]//2010 3rd IEEE International Conference. Chengdu:Computer Science and Information Technology, 2010.

[2] HEIRIES V, ROVIRAS D, RIES L, et al. Analysis of non ambiguous BOC signal acquisition performance acquisition[C]//Boc Signal Acquisition. Long Beach: CNES, 2004.

[3] Galileo Project Office. GIOVE-A+B Public SIS ICD[Z]. Paris: Galileo Project Office, 2008.

[4] LOHAN E S, UNIV T. Analytical performance of CBOC-modulated Galileo E1 signal using sine BOC(1,1) receiver for mass-market applications[C]//Position Location and Navigation Symposium. Indian Well: IEEE Finland, 2010: 245-253.

[5] REBEYROL E, L LESTARQUIT, BOUCHERET M L. BOC power spectrum densities[C]//Proceedings of the 2005 National Technical Meeting of The Institute of Navigation. San Diego: ION, 2005.

[6] 博爾卡伊, 伯特爾森 N. 軟件定義的GPS和伽利略接收機[M]. 楊東凱, 張飛舟, 張波, 譯. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

[7] 艾倫 S, 納瓦布 S. 信號與系統(tǒng)[M]. 劉樹棠, 譯. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1997: 146-147.

[8] TA T H, DOVIS F, MARGARIA D, at al. Comparative study on joint data/pilot strategies for high sensitivity Galileo E1 open service signal acquisition[J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2010, 4(6): 764-779.

[9] PHILIP D R, MATTOS G. Acquisition of the Galileo OAS L1b/c signal for the mass-market receiver[C]//ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division. Long Beach: Long Beach Convention Center, 2005.

Research for acquisition of Galileo E1 OS signals

CHEN Jie1,2,3, LU Xiao-chun1,2, HE Cheng-yan1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Science, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

To obtain a better performance of acquisition, and solve two problems of acquisition of Galileo E1 OS(Open service) signals: not exploiting the signal power adequately and multiple peaks autocorrelation function allowing lock on secondary peaks with a non-zero probability,we designed a new method using BPSK-like technology and joint data/pilot acquisition strategies for acquisition of Galileo E1 OS signals after the analysis of the foregoing problems. Then we analyzed the real signals using the method. The results displayed an ideal acquisition figure which had a standard waveform and low secondary peaks.

Galileo E1 OS; CBOC; signal acquisition; BPSK-like technology; GIOVE-B

TN96

A

1674-0637(2013)04-0236-10

2012-12-30

國家自然科學(xué)基金重點資助項目（11073022）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃資助項目（Y207YC1701）；國家973計劃資助項目（2007CBB15502）；中國科學(xué)院方向性資助項目（KJCX2-YW-T12）；衛(wèi)星導(dǎo)航與定位教育部重點實驗室（B類）開放基金資助項目

陳頡，男，碩士，主要從事Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號體制，以及GNSS基帶信號的通信性能等方面研究。