Locata信號的捕獲機(jī)制研究與仿真

吳利軍

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安710000）

0 引言

傳統(tǒng)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)如：美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass系統(tǒng)、歐洲的Galileo系統(tǒng)和中國的北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)等，提供了一種基于衛(wèi)星測距的全方位、全天候的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于陸、海、空等場合，具有高精度授時、定位的功能。然而，上述所有系統(tǒng)為完成定位解算至少需要無障礙跟蹤四顆衛(wèi)星的信號，這在具有較多建筑的城市環(huán)境或者室內(nèi)環(huán)境中是一個挑戰(zhàn)。

針對上述缺點(diǎn)，澳大利亞的Locata公司開發(fā)了一種新型的定位導(dǎo)航系統(tǒng)Locata。該系統(tǒng)具有的信號收發(fā)器、信號接收機(jī)和時間同步網(wǎng)絡(luò)使其可以獨(dú)立于傳統(tǒng)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)工作，也可以與其兼容工作，旨在實現(xiàn)可應(yīng)用于任何環(huán)境、高精度、高可靠性和節(jié)約成本的目標(biāo)。目前該系統(tǒng)已在很多場合進(jìn)行了測試并驗證了其可行性，如：Locata公司內(nèi)部測試場地進(jìn)行的運(yùn)動定位測試、橋梁的畸形監(jiān)控測試、鋼鐵工廠內(nèi)部進(jìn)行的室內(nèi)環(huán)境測試[1]。

由于Locata系統(tǒng)的信號收發(fā)器和信號接收機(jī)同處于距離較近的區(qū)域內(nèi)，因此其信號發(fā)射強(qiáng)度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。同時，單一信號接收機(jī)接收位于不同位置的信號收發(fā)器時會產(chǎn)生較大的信號功率差異，該差異會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號所允許的范圍，從而產(chǎn)生信號捕獲的互相關(guān)現(xiàn)象，即所謂的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，而Locata系統(tǒng)采用的CDMA+TDMA信號結(jié)構(gòu)成功克服了信號捕獲造成的互相關(guān)效應(yīng)。本論文針對Locata系統(tǒng)采用的CDMA+TDMA信號結(jié)構(gòu)設(shè)計了相應(yīng)的信號捕獲機(jī)制并進(jìn)行了相關(guān)matlab仿真，證實了該捕獲機(jī)制的有效性。

1 Locata系統(tǒng)組成與信號結(jié)構(gòu)

Locata系統(tǒng)主要由信號收發(fā)器和信號接收機(jī)組成。信號收發(fā)器由信號發(fā)射模塊和信號接收模塊組成，兩者的時鐘由同一晶體振蕩器驅(qū)動；信號接收機(jī)則由Locata公司根據(jù)系統(tǒng)的信號結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)GPS接收機(jī)做適當(dāng)修改和改進(jìn)而成。在運(yùn)行的初始階段，系統(tǒng)內(nèi)所有的信號收發(fā)器通過時間同步機(jī)制消除各自的時鐘誤差，最終形成一個時鐘誤差在皮秒數(shù)量級的時間同步網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)該系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，信號接收機(jī)通過接收四顆以上信號收發(fā)器發(fā)射的信號以完成自身定位，定位精度可達(dá)厘米級。

為了克服由于信號收發(fā)器的距離差異帶來的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，Locata系統(tǒng)采用了CDMA和TDMA相結(jié)合的信號結(jié)構(gòu)。信號收發(fā)器的測距碼依然采用CDMA多址技術(shù)，其碼速率為GPS偽碼的10倍，碼周期為0.1毫秒；不同信號收發(fā)器的信號發(fā)射采用TDMA多址技術(shù)，Locata系統(tǒng)將1毫秒劃分為10個連續(xù)的時隙，每個時隙時長100微秒，時隙之間無保護(hù)帶，10個信號收發(fā)器被分配到10個不同的時隙發(fā)射測距碼，構(gòu)成了一個TDMA時幀，信號發(fā)射器在不同TDMA時幀按照跳時圖案滑動，200個TDMA時幀為一個超幀，系統(tǒng)以一個超幀為周期連續(xù)發(fā)射Locata信號，其信號組成如圖1所示[2]。Locata系統(tǒng)的載波調(diào)制則分成兩代，第一代系統(tǒng)的偽碼被調(diào)制在和GPS處于同一頻段的載波上，容易與傳統(tǒng)的GPS信號形成干擾，第二代系統(tǒng)的載波位于2.4GHz的專用頻段，消除了與GPS信號的干擾并無需向有關(guān)部門注冊[3]。

2 Locata信號的捕獲機(jī)制

傳統(tǒng)GPS信號的捕獲是一個搜索載波多普勒頻率和碼片相位的二維搜索過程，其捕獲框圖如圖2所示[4]。

數(shù)字中頻信號sIF（n）首先分別與接收機(jī)產(chǎn)生的正弦表和余弦表進(jìn)行混頻，然后再和接收機(jī)的C/A碼發(fā)生器進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)生i（n）和q（n）信號，其次i（n）和q（n）信號分別進(jìn)行相干積分產(chǎn)生I2和Q2信號，最后進(jìn)行非相干積分產(chǎn)生V信號。捕獲算法通過將V與Vt進(jìn)行比較來判斷捕獲幅值是否超過門限，如果V超過門限則聲明捕獲成功，接收機(jī)可以對當(dāng)前捕獲結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

i（n）和q（n）信號分別進(jìn)行相干積分可以表達(dá)為公式（1）、（2）：

其中，a代表信號的幅值，τ為接收C/A碼相位和與本地搜索C/A碼相位之間的碼片差異，R（·）代表最大值為1的C/A碼自相關(guān)函數(shù)，fe為接收載波頻率和本地搜索頻率之間的差異，Tcoh代表了相干積分時間，?e為兩載波之間的相位差異，n1和nQ分別代表了I支路和Q支路上均值為零且互不相關(guān)的正態(tài)噪聲。

I（n）和Q（n）信號進(jìn)行非相干積分產(chǎn)生信號可以表達(dá)為公式（3）：

其中，Nnc代表了非相干積分?jǐn)?shù)目。

由公式（3）可以看出，非相干積分幅值V主要受非相干積分?jǐn)?shù)目Nnc、頻率差異fe和相干積分時間Tcoh影響，而信號捕獲常用的非相干積分?jǐn)?shù)目Nnc通常為1，下面主要分析fe和Tcoh對Locata信號捕獲的影響。

由于Locata信號采用CDMA+TDMA的信號結(jié)構(gòu)，信號收發(fā)器每隔1毫秒在其時隙內(nèi)發(fā)射100微秒的信號。因此對該信號進(jìn)行捕獲時需采用100微秒的相干積分時間，即Tcoh為100微秒。在τ為0的情況下，非相干積分幅值隨著fe的變化呈sin c函數(shù)分布[5]，如圖3所示。

由圖3可以看出，頻率差異在較大頻率搜索范圍內(nèi)都具有較大的非相干積分幅值，由于接收機(jī)所允許容忍的最大頻率誤差fe通常設(shè)置為0.44/Tcoh，因此載波頻率和接收機(jī)復(fù)制載波頻率的差異在[-4400Hz 4400Hz]范圍內(nèi)都可以獲得較大的非相干積分結(jié)果。通常情況下，Locata系統(tǒng)的信號收發(fā)器布局為靜止模式，信號接收機(jī)可以根據(jù)實際需求布局在低動態(tài)載體或高動態(tài)載體中，考慮高動態(tài)載體的最大運(yùn)動速度為500m/s，此時信號收發(fā)器和信號接收機(jī)的多普勒頻移可以由公式（4）估算：

其中，v為信號接收機(jī)的最大運(yùn)動速度，c為光速，f1為載波頻率。根據(jù)公式（4），將實際數(shù)值帶入，可計算出fe為4000Hz，處于接收機(jī)允許容忍的最大頻率誤差范圍內(nèi)。

根據(jù)上述分析，對Locata信號的捕獲可分碼片搜索和載波搜索兩個獨(dú)立階段。在碼片搜索階段，本地接收機(jī)復(fù)制一份沒有多普勒的本地載波與接收信號進(jìn)行混頻，然后接收機(jī)將本地1毫秒同樣劃分為10個時隙，分別進(jìn)行相干積分和非相干積分，最后接收機(jī)對該10個時隙的非相干積分幅值進(jìn)行比較，找出最大的非相干積分幅值和該幅值的所處時隙，當(dāng)該幅值V超過非相干積分幅值門限Vt時聲明碼片捕獲成功，并對該次捕獲結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)以消除假捕的可能性，否則，接收機(jī)延時半個碼片的時間重新開始碼片搜索。當(dāng)碼片捕獲成功后進(jìn)入載波搜索階段，本地接收機(jī)首先將多普勒搜索范圍[-4000Hz 4000Hz]以100Hz為搜索寬度劃分為81個區(qū)間并分別與接收信號進(jìn)行混頻，然后本地接收機(jī)按照聲明捕獲成功的碼片相位連續(xù)產(chǎn)生本地碼片并與接收信號進(jìn)行相關(guān)，分別求取其非相干積分幅值并比較其最大值，最后將載波多普勒值設(shè)置為最大非相干積分幅值所處的多普勒搜索區(qū)間。

該搜索算法的時間復(fù)雜度可以按照公式（5）計算：

其中，chip（n）為碼片的搜索次數(shù)，frequency（n）為載波多普勒的搜索次數(shù)。由于Locata信號的碼片長度為1023，因此chip（n）為2046次；由于多普勒的搜索范圍為[-4000Hz 4000Hz]，因此frequency（n）為81次。則O（n）為2127次，即捕獲時間最大為2127毫秒。

3 仿真驗

在前面對Locata信號的捕獲算法進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，使用計算機(jī)在matlab環(huán)境下對上述捕獲機(jī)制進(jìn)行仿真驗證，仿真參數(shù)設(shè)置如下：中頻信號采樣頻率為60MHz、中頻信號載波頻率為23MHz、碼片速率為10.23MHz、載波多普勒為0Hz、C/A碼從第17個碼片開始播發(fā)。

首先，matlab軟件仿真生成2毫秒長的數(shù)字中頻信號，該數(shù)據(jù)按照第2小節(jié)的Locata信號結(jié)構(gòu)生成包含10個時隙的數(shù)據(jù)，每個時隙調(diào)制碼片速率為10.23MHz的C/A碼數(shù)據(jù)，其C/A碼片與GPS的1-10號星的偽碼碼型相同。

其次，對Locata信號的捕獲劃分為碼片搜索階段和載波搜索階段。假設(shè)要完成對7號星的信號捕獲，在碼片搜索階段，信號接收模塊仿真生成多普勒為0Hz的載波信號并與仿真生成的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行混頻，之后信號接收模塊仿真生成7號星的C/A碼并劃分成10個時隙，分別與混頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相干積分和非相干積分，搜索結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，信號接收模塊通過延時2012次操作，在其第6個時隙捕獲到7號星。

最后，在碼片搜索成功后轉(zhuǎn)入載波搜索階段。在該階段，信號接收模塊在[-4000Hz 4000Hz]的搜索范圍內(nèi)對載波按照100Hz的步長進(jìn)行搜索，搜索結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，載波多普勒在0Hz的情況下具有最大的非相干積分幅值。

4 總結(jié)與展望

本文通過分析Locata信號的捕獲特性，設(shè)計了一種時間復(fù)雜度較低的信號捕獲機(jī)制。該捕獲機(jī)制將對Locata信號的搜索劃分為碼片搜索階段和載波搜索階段，通過matlab仿真驗證了該捕獲機(jī)制的有效性。但是，當(dāng)信號的載噪比較低時容易形成載波的頻率誤捕，因此，在以后的研究中需要在信號的跟蹤算法中將該頻率差異消除以獲得較高的跟蹤精度。

［1］Chris RIZOS,Yong LI,Nonie POLITI,Joel BARNES and Nunzio GAMBALE.Locata：A New Constellation for High Accuracy Outdoor and Indoor Posi-tioning.FIG Working Week 2011 Bridging the Gap between Cultures Marra-kech Morocco,18-22 May 2011.

［2］Locata Corporation Pty Ltd 111 Canberra Avenue GRIFFITH ACT 2607 Australia,ICD-LOC-100A,Locata Net Positioning Signal Interface Control Document 2011.

［3］J.Barnes,C.Rizos,M.Kanli,A.Pahwa.High accuracy positining using Locata’s next generation technology.Locata Corporation Pty Ltd,401 Clunies Ross Street,Acton,ACT 2601,Australia.

［4］謝剛.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012,p：358.

［5］呂紅麗,姚昱萱.一種新型的多址導(dǎo)航信號體制研究[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2012,4(2)：79-86.