基于預(yù)檢測(cè)通道的新體制GNSS信號(hào)捕獲方法

蓋世豪，劉應(yīng)剛，孟海濤，楊文津

(1.中國(guó)人民解放軍61711部隊(duì)，新疆 喀什 844000；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

基于預(yù)檢測(cè)通道的新體制GNSS信號(hào)捕獲方法

蓋世豪1，劉應(yīng)剛1，孟海濤1，楊文津2

(1.中國(guó)人民解放軍61711部隊(duì)，新疆 喀什 844000；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

以二進(jìn)制偏置載波調(diào)制(Binary Offset Carrier，BOC)信號(hào)為主體的新體制全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)信號(hào)接收基帶處理技術(shù)已成為未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。針對(duì)該類(lèi)信號(hào)由頻譜主瓣分離特性與自相關(guān)函數(shù)多峰特性引發(fā)的信號(hào)捕獲過(guò)程平均搜索時(shí)間長(zhǎng)、捕獲精度低的問(wèn)題，將基于單邊帶的BPSK-like信號(hào)檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)聯(lián)合邊帶信號(hào)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，提出一種適用于工程設(shè)計(jì)的基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲方法，給出了該方法的設(shè)計(jì)思想與運(yùn)行原理，從檢測(cè)概率與平均捕獲時(shí)間兩方面對(duì)該方法進(jìn)行了使用性能分析。并通過(guò)硬件接收機(jī)測(cè)試平臺(tái)對(duì)該方法進(jìn)行測(cè)試，證明了所提方法的有效性。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；捕獲；二進(jìn)制偏置載波調(diào)制；BPSK-like；聯(lián)合邊帶

0 引言

GNSS信號(hào)捕獲[1]過(guò)程即為擴(kuò)頻信號(hào)能量檢測(cè)過(guò)程，常用方法可分為時(shí)域串行搜索和頻域并行搜索2類(lèi)。對(duì)于導(dǎo)航新體制信號(hào)中的BOC類(lèi)調(diào)制信號(hào)[2]而言，由于其特殊的頻譜主瓣分離特性和自相關(guān)函數(shù)多峰特性，隨著B(niǎo)OC信號(hào)調(diào)制階數(shù)的增加，在運(yùn)用傳統(tǒng)相移鍵控(Phase Shift Keying，PSK)調(diào)制信號(hào)的捕獲方式時(shí)會(huì)出現(xiàn)平均捕獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或漏捕概率過(guò)高等問(wèn)題。工程中通常使用的等效邊帶[3]處理法，將BOC信號(hào)分離的頻譜進(jìn)行單邊帶處理，該方法簡(jiǎn)化了捕獲流程，卻因自相關(guān)函數(shù)主峰判定模糊度問(wèn)題導(dǎo)致捕獲精度的降低[4]。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文提出了一種基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲方式，利用預(yù)檢測(cè)通道獲取輔助性先驗(yàn)信息的思想，大幅縮小了傳統(tǒng)聯(lián)合邊帶捕獲方法的搜索范圍，著重解決調(diào)制階數(shù)較高的BOC類(lèi)信號(hào)捕獲過(guò)程中碼相位捕獲精度與平均搜索時(shí)間之間的矛盾，優(yōu)化了該類(lèi)信號(hào)的基帶處理性能[5]。

1 BOC類(lèi)信號(hào)捕獲性能

1.1 BOC類(lèi)信號(hào)特性

BOC調(diào)制信號(hào)是通過(guò)導(dǎo)航電文信息、二值偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼、方波副載波做異或運(yùn)算后，與載波信號(hào)做混頻運(yùn)算得到的，可表示為：

(1)

式中，akμnTs(t)為nTs時(shí)長(zhǎng)的脈沖信號(hào)；CTs(t)為以2Ts為周期的副載波信號(hào)；n表示一個(gè)擴(kuò)頻符號(hào)內(nèi)存在副載波周期數(shù)目的2倍，若將基本BOC信號(hào)表示為BOC(fs，fc)，其中，fs和fc表示生成信號(hào)中副載波頻率和擴(kuò)頻碼速率的與基準(zhǔn)頻率(1.023 MHz)的比值，則n=2fs/fc，為BOC信號(hào)調(diào)制階數(shù)。

二值副載波對(duì)信號(hào)生成的根本影響在于由等效載波混頻導(dǎo)致的信號(hào)功率譜相對(duì)中心頻點(diǎn)的頻譜主瓣偏置式分離[6]，且偏置頻率隨著調(diào)制階數(shù)的增加而增加。與此同時(shí)，受基帶信號(hào)中副載波的影響，原本的擴(kuò)頻碼自相關(guān)函數(shù)由正值單峰值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)值交替的多峰值函數(shù)，且峰值數(shù)目為2n-1，即隨著調(diào)制階數(shù)n的增加，BOC信號(hào)自相關(guān)函數(shù)峰值數(shù)目也隨之增加[7]。調(diào)制階數(shù)n=14的高階BOC信號(hào)功率譜分離現(xiàn)象和自相關(guān)函數(shù)多峰值現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 高階BOC信號(hào)功率譜和自相關(guān)函數(shù)特性

1.2 基帶捕獲特性

傳統(tǒng)GNSS基帶信號(hào)捕獲策略可分為串行搜索與并行搜索兩大類(lèi)，該兩種方法以不同的形式對(duì)導(dǎo)航信號(hào)中的解擴(kuò)能量進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)用到BOC類(lèi)調(diào)制信號(hào)層面，由于該類(lèi)信號(hào)頻譜與自相關(guān)函數(shù)的特殊性，導(dǎo)致信號(hào)捕獲過(guò)程存在下述兩類(lèi)問(wèn)題：

① 對(duì)以串行策略為主的雙邊帶聯(lián)合類(lèi)捕獲法[8]，由于BOC信號(hào)自相關(guān)函數(shù)多過(guò)零點(diǎn)特性，為避免能量漏檢，必須使碼相位搜索步長(zhǎng)Cstep滿足：

Cstep≥2 046×(2n-1)，

(2)

式中，n為調(diào)制階數(shù)。該特性致調(diào)制階數(shù)較大時(shí)，BOC類(lèi)信號(hào)使捕獲過(guò)程平均搜索時(shí)間遠(yuǎn)大于PSK信號(hào)，并且隨調(diào)制階數(shù)上升大幅增加；

② 對(duì)以并行策略為主的等效單邊帶捕獲法，雖然減少了平均捕獲時(shí)間，卻由于檢測(cè)閾值難以精確設(shè)定，極易導(dǎo)致對(duì)高階BOC信號(hào)的碼相位估算值與其主峰所在位置的碼相位值之間存在一定偏差，降低捕獲精度。

由于碼相位搜索步長(zhǎng)過(guò)大問(wèn)題或檢測(cè)閾值錯(cuò)誤設(shè)定問(wèn)題引起的信號(hào)漏檢或鎖定偏差如圖2所示。

圖2 BOC信號(hào)捕獲過(guò)程中的漏檢與鎖定偏差問(wèn)題

2 基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲法

2.1 基本原理與工作流程

為解決上述BOC信號(hào)基帶捕獲處理過(guò)程中平均搜索時(shí)間與捕獲精度之間的矛盾，以短時(shí)間內(nèi)解決偽碼相位的精確檢測(cè)為目的，本文在原有通用捕獲策略的基礎(chǔ)上提出一種基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲方法。

該方法設(shè)置2個(gè)獨(dú)立工作的捕獲通道，由基于并行搜索的預(yù)檢測(cè)通道快速生成輔助性先驗(yàn)信息，并運(yùn)用該先驗(yàn)信息作為低搜索步長(zhǎng)串行捕獲通道的搜索范圍輸入條件，大幅減少串行捕獲的碼相位搜索歷元數(shù)目，以減少整體捕獲時(shí)間。該方法基本架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于粗/精捕模塊并行捕獲法架構(gòu)

基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲運(yùn)行過(guò)程中，并行預(yù)檢測(cè)通道與串行捕獲通道均獨(dú)立開(kāi)展工作，二者唯一聯(lián)系在于串行捕獲通道載波與偽碼搜索范圍由實(shí)時(shí)上報(bào)的并行預(yù)檢測(cè)通道多普勒估計(jì)值與碼相位估計(jì)值決定。整個(gè)雙通道基帶捕獲模塊運(yùn)行流程如下：

① 經(jīng)過(guò)數(shù)字采樣與的中頻GNSS信號(hào)同步輸入至2個(gè)捕獲通道，并行預(yù)檢測(cè)通道單邊帶在載波NCO的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)BPSK-like的方式對(duì)BOC信號(hào)的單個(gè)邊帶進(jìn)行數(shù)字混頻處理，并在數(shù)據(jù)補(bǔ)償平均的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段FFT處理；

② 與此同時(shí)，對(duì)本地生成的擴(kuò)頻碼進(jìn)行分段FFT處理，并與上一步中經(jīng)FFT處理后的采樣信號(hào)進(jìn)行共軛相乘運(yùn)算和IFFT運(yùn)算，完成數(shù)據(jù)重構(gòu)后，進(jìn)行解擴(kuò)能量值判定；

③ 若并行預(yù)檢測(cè)通道解擴(kuò)能量值高于判定門(mén)限，則認(rèn)為信號(hào)預(yù)檢測(cè)成功，將本地多普勒估計(jì)值與碼相位估計(jì)值作為先驗(yàn)信息輸出至串行捕獲通道，反之則改變載波NCO輸出，繼續(xù)上述判定過(guò)程；

④ 串行捕獲通道通過(guò)聯(lián)合邊帶的方式對(duì)BOC信號(hào)的上下雙邊帶進(jìn)行數(shù)字混頻處理，并根據(jù)上報(bào)的多普勒估計(jì)值與碼相位估計(jì)值調(diào)整本地載波與偽碼的生成狀態(tài)，通過(guò)相關(guān)運(yùn)算與Tang氏累計(jì)時(shí)間判別[8]的方式完成能量檢測(cè)，同時(shí)，為避免峰值錯(cuò)鎖，采用自相關(guān)峰值包絡(luò)檢測(cè)的方式對(duì)信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判定；

⑤ 檢測(cè)結(jié)果經(jīng)自相關(guān)峰包絡(luò)檢測(cè)鑒定無(wú)誤后，串行捕獲通道根據(jù)當(dāng)前載波與偽碼狀態(tài)將導(dǎo)航信號(hào)的多普勒測(cè)量值與碼相位測(cè)量值輸出至后續(xù)跟蹤環(huán)路，完成信號(hào)捕獲。

捕獲模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)當(dāng)前信號(hào)環(huán)境和使用場(chǎng)景設(shè)定各類(lèi)門(mén)限判定值與Tang氏判別過(guò)程中的初始累計(jì)常量值，從而達(dá)到捕獲時(shí)間與檢測(cè)概率的最佳配比。

2.2 捕獲性能分析

下面以檢測(cè)概率和平均捕獲時(shí)間為參數(shù)評(píng)估基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲法捕獲性能。

2.2.1 檢測(cè)概率

到達(dá)信號(hào)載噪比一定時(shí)，并行預(yù)檢測(cè)通道非相干幅值在不同信號(hào)存在條件下服從Rayleigh分布和Ricean分布；串行捕獲通道在并行預(yù)檢測(cè)通道的基礎(chǔ)上完成最終捕獲，其檢測(cè)概率取決于預(yù)檢測(cè)通道精度和Tang氏判別常量設(shè)置。

圖4分別描述了并行預(yù)檢測(cè)通道在不同相干積分時(shí)間條件下信號(hào)監(jiān)測(cè)概率隨載噪比的變化以及固定積分時(shí)間時(shí)串行捕獲通道檢測(cè)概率(即雙通道捕獲法的最終捕獲概率)隨Tang氏判別起始累計(jì)量的變化情況。

圖4 雙路并行捕獲法檢測(cè)概率

通過(guò)圖4可知，環(huán)境噪聲條件下，該算法在支路相干積分時(shí)間[9]達(dá)到4 ms時(shí)，采用不小于6的Tang氏判別累計(jì)量，即可以完成對(duì)天線口面電平不小于-139 dBm信號(hào)的檢測(cè)，符合一般條件下接收機(jī)工作環(huán)境的信號(hào)捕獲需求。

2.2.2 平均搜索時(shí)間

對(duì)于基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲法而言，其平均搜索時(shí)間為并行預(yù)檢測(cè)通道與串行捕獲通道平均搜索時(shí)間相加，主要與到達(dá)天線口面信號(hào)載噪比和雙通道相干積分時(shí)間有關(guān)；另外，為保證信號(hào)檢測(cè)有效性，通常選擇串行捕獲通道Tang氏判別累計(jì)量≥5。圖5(a)顯示了當(dāng)串行捕獲通道相干積分時(shí)間為2 ms，Tang氏判別累計(jì)量為5時(shí)，預(yù)檢測(cè)通道不同相干積分時(shí)間測(cè)量平均捕獲時(shí)間受載噪比的影響；圖5(b)顯示了并行預(yù)檢測(cè)通道相干積分時(shí)間為2 ms，串行捕獲通道Tang氏判別累計(jì)量為5時(shí)，串行捕獲通道不同相干積分時(shí)間受載噪比的影響。

由圖5可知,當(dāng)串行捕獲通道參數(shù)固定時(shí)，平均捕獲時(shí)間主要受接收信號(hào)載噪比的影響，而受相干積分時(shí)間影響較小；但當(dāng)并行預(yù)檢測(cè)通道相干積分時(shí)間固定時(shí)，平均捕獲時(shí)間受串行捕獲通道相干積分時(shí)間影響較大，即串行捕獲通道相干積分時(shí)間對(duì)整體捕獲模塊平均捕獲時(shí)間起到?jīng)Q定性作用。其主要原因是當(dāng)積分時(shí)間較短且信號(hào)載噪比較低時(shí)，較低的初檢概率會(huì)使Tang氏判過(guò)程受到影響，使信號(hào)檢測(cè)概率大幅降低，從而使平均捕獲時(shí)間急劇增加。

圖5 雙路并行捕獲平均捕獲時(shí)間

因此，在捕獲通道設(shè)計(jì)過(guò)程中，為防止因信號(hào)太弱而引起的捕獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)與漏捕獲等問(wèn)題，應(yīng)盡量保持串行捕獲通道積分時(shí)間在4 ms以上，以保證整體捕獲效率。對(duì)于Tang氏判別累計(jì)量而言，當(dāng)此值大于一定數(shù)值后，對(duì)整體捕獲概率的收斂情況影響不大，因此其選值能夠保證捕獲概率收斂即可。

3 接收機(jī)平臺(tái)測(cè)試

3.1 測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試平臺(tái)是以FPGA和DSP處理板為核心的通用GNSS信號(hào)接收處理平臺(tái)[10]。

測(cè)試內(nèi)容分為高階BOC信號(hào)首次檢測(cè)概率和開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間兩部分，以評(píng)估上述捕獲方法的實(shí)際捕獲性能。

3.2 測(cè)試信號(hào)

本試驗(yàn)中接收信號(hào)由可配置導(dǎo)航信號(hào)模擬源[11]生成，為驗(yàn)證雙通道捕獲法的廣泛高階BOC信號(hào)適用性，設(shè)定信號(hào)參數(shù)如下：

① 信號(hào)采用BOC(14，2)調(diào)制方式；

② 基帶擴(kuò)頻碼選取長(zhǎng)度為2 046的Gold碼；

③ 導(dǎo)航電文速率為50 bps，電文內(nèi)容為僅存幀頭的無(wú)意義數(shù)據(jù)；

④ 發(fā)射信號(hào)中心頻點(diǎn)為1 575.42 MHz；

⑤ 設(shè)到達(dá)信號(hào)載噪比為41 dB·Hz。

3.3 測(cè)試方法與結(jié)果

3.3.1 首次檢測(cè)概率

接收機(jī)采取雙路相干積分時(shí)間為4 ms的設(shè)計(jì)方式，在模擬源正常發(fā)射信號(hào)的條件下，對(duì)接收機(jī)發(fā)出單通道搜索指令，若一次完整搜索后捕獲模塊可以輸出與模擬源信號(hào)碼相位和載波頻率相匹配的觀測(cè)量，則判定捕獲成功。按照該方法對(duì)捕獲模塊進(jìn)行100次配置測(cè)定，得出不同載噪比下信號(hào)捕獲概率如表1所示。

表1 信號(hào)首次檢測(cè)概率測(cè)試結(jié)果

信噪比/dB·Hz檢測(cè)概率/%34363840424489979810099100

通過(guò)表1中對(duì)信號(hào)捕獲的測(cè)試結(jié)果可知，在一般接收機(jī)要求的35 ·載噪比的工作條件下，該雙路捕獲方式可以達(dá)到90%以上的檢測(cè)概率，與理論分析值基本一致，具有較高的檢測(cè)性能。

3.3.2 開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間

由于虛警事件的存在，接收機(jī)通常采取測(cè)定開(kāi)機(jī)至全通道幀同步所需時(shí)間的方式來(lái)檢測(cè)其捕獲速度，該時(shí)間定義為開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間。對(duì)于接收機(jī)采取5組開(kāi)機(jī)測(cè)試，得出開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間結(jié)果如表2所示。

表2 開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)序號(hào)開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間/s123454852576451

從試驗(yàn)結(jié)果可知，在無(wú)任何先驗(yàn)信息的條件下，基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲方法基本可以在1 min之內(nèi)完成對(duì)BOC(14，2)信號(hào)的初次捕獲，符合現(xiàn)階段高性能接收機(jī)的設(shè)計(jì)[12]要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)新體制GNSS信號(hào)中BOC類(lèi)信號(hào)捕獲過(guò)程中存在的平均搜索時(shí)間和捕獲精度的矛盾，運(yùn)用快速大范圍搜索測(cè)量與高精度小范圍搜索策略相結(jié)合的思想，設(shè)計(jì)出一種基于預(yù)檢測(cè)通道的雙通道捕獲方法，實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)信號(hào)的快速高精度捕獲。介紹了該方法的基本原理和工作流程，對(duì)該方法進(jìn)行了理論性能分析，并通過(guò)接收機(jī)硬件測(cè)試平臺(tái)對(duì)其檢測(cè)性能進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估。測(cè)試結(jié)果表明，該方法能夠在無(wú)任何先驗(yàn)信息輔助的條件下達(dá)到較好的高階BOC信號(hào)捕獲效果，具備一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)未來(lái)廣泛應(yīng)用的新體制GNSS信號(hào)接收機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

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AcquisitionMethodofNewSystemGNSSSignalsBasedonthePre-detectionChannel

GAI Shi-hao1,LIU Ying-gang1,MENG Hai-tao1,YANG Wen-jin2

(1.Unit61711,PLA,KashiXinjiang844000,China; 2.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

The receiving-baseband processing technology of new system Global Navigation Satellite System (GNSS) signals mainly based on the Binary Offset Carrier (BOC) signals has already been one of the most important parts of designing GNSS receivers in the future.For this kind of signals,long mean search and low acquisition performance are caused by separating spectrum mainlobe and multi-peaks autocorrelation.In view of these problems,this paper puts forward a kind of parallel-channel acquisition method based on pre-detection channel by combining the joint sideband detection with the BPSK-like acquisition technologies,which is applicable to engineer design.It introduces the design idea and operation principle of the proposed method,and analyzes the performance of acquisition module in terms of probability and average time of acquisition process.This method is tested by using GNSS receiver hardware test platform,and the test results show that the proposed method is available.

GNSS;acquisition;BOC;BPSK-like;joint sideband

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.09

蓋世豪，劉應(yīng)剛，孟海濤，等.基于預(yù)檢測(cè)通道的新體制GNSS信號(hào)捕獲方法[J].無(wú)線電工程,2017,47(12):38-42.[GAI Shihao,LIU Yinggang,MENG Haitao,et al.Acquisition Method of New System GNSS Signals Based on the Pre-detection Channel[J].Radio Engineering,2017,47(12):38-42.]

TN911.3

A

1003-3106(2017)12-0038-05

2017-02-14

蓋世豪男，(1987—)，助理工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)航運(yùn)控。

劉應(yīng)剛男，(1976—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)航運(yùn)控。