Galileo E1導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量分析與評(píng)估

楊德進(jìn)，盧曉春，王雪

?

Galileo E1導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量分析與評(píng)估

楊德進(jìn)1,2,3，盧曉春1,2,4，王雪1,2,5

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049；5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）

對(duì)高增益天線采集的3顆伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)E1民用信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，詳細(xì)介紹碼片波形、功率譜、相關(guān)函數(shù)和S曲線偏差和峰均比等導(dǎo)航信號(hào)分析方法，針對(duì)同頻率、同相位、同帶寬導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)分量基帶波形相互纏繞問(wèn)題，提出采用多周期累加平均算法獲得單分量基帶信號(hào)，同時(shí)提出功率補(bǔ)償算法解決多路復(fù)用信號(hào)功率分配導(dǎo)致相關(guān)損失難以計(jì)算的問(wèn)題。Matlab軟件分析結(jié)果表明，提出的算法可行有效，最后得出綜合因素對(duì)測(cè)距精度的影響，在0.15碼片的相關(guān)間隔內(nèi)，Galileo E1民用信號(hào)的測(cè)距誤差不超過(guò)0.42ns。此研究方法與研究結(jié)果對(duì)我國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)具有借鑒意義。

Galileo E1信號(hào)；信號(hào)質(zhì)量評(píng)估；CBOC調(diào)制；Interplex調(diào)制

0 引言

伽利略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是歐盟以民用為目的而獨(dú)立自主地設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一套全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（globa1 navigation satel1ite system，GNSS），Galileo系統(tǒng)是由歐盟和歐洲空間局一起創(chuàng)建、開(kāi)發(fā)[1]。Galileo系統(tǒng)設(shè)計(jì)由30顆位于地球中軌道衛(wèi)星、3個(gè)兩兩間隔120°的軌道面構(gòu)成，2005年12月28日發(fā)射一顆測(cè)試衛(wèi)星GIOVE-A，計(jì)劃2020年發(fā)射完所有的導(dǎo)航衛(wèi)星。

Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星分別在E1，E5和E6 3個(gè)頻點(diǎn)播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)，為用戶提供五種類型的服務(wù)：開(kāi)放服務(wù)（OS）、生命安全（SOL）服務(wù)、商用服務(wù)（CS）、公共管制服務(wù)（PRS）、搜尋與援救（SAR）服務(wù)。E1頻點(diǎn)（1 575.42 MHz）調(diào)制有3路信號(hào)：提供PRS的E1A和提供OS/SOL/CS的E1B與E1C，采用互復(fù)用調(diào)制技術(shù)Interplex[2]實(shí)現(xiàn)了3路信號(hào)的恒包絡(luò)調(diào)制。為了實(shí)現(xiàn)與GPS信號(hào)在L1波段上的兼容與互操作，Galileo衛(wèi)星播發(fā)的E1信號(hào)選擇與GPS L1信號(hào)相同頻點(diǎn)且信號(hào)分量采用二進(jìn)制副載波（BOC）[3]調(diào)制方式使得頻譜分離以此降低對(duì)GPS信號(hào)的干擾。授權(quán)服務(wù)信號(hào)E1A采用高階的BOC（15，2.5）調(diào)制，相對(duì)于低階BOC擁有更強(qiáng)的抗干擾能力和更高的測(cè)距精度；而E1B和E1C從2012年6月開(kāi)始采用了在BOC基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的復(fù)合二進(jìn)制偏移載波（MBOC，multiplexed binary offset carrier）調(diào)制，它是對(duì)多個(gè)BOC信號(hào)進(jìn)行復(fù)合得到一種新的調(diào)制方式，MBOC具體實(shí)現(xiàn)包括兩種：一是由兩種BOC復(fù)合得到的組合二進(jìn)制偏移載波（CBOC，composite binary offset carrier）；二是通過(guò)時(shí)分的方式將BOC信號(hào)組合的時(shí)分復(fù)用二進(jìn)制偏移載波（TMBOC，time multiplexed binary offset carrier），Galileo E1信號(hào)采用CBOC調(diào)制取代之前的BOC（1，1），相比于BOC（1，1）調(diào)制，CBOC調(diào)制具有更高的測(cè)距精度，同時(shí)Galileo E1信號(hào)改變了信號(hào)分量間的功率配比，提高了復(fù)用效率。

本文利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心40m高增益的天線采集3顆Galileo衛(wèi)星信號(hào)，從碼片波形、功率譜、相關(guān)曲線、S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差和峰均比等方面對(duì)E1B和E1C信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量分析與評(píng)估，E1OS同頻同相，解調(diào)載波只能得到混合基帶波形，本文提出采用累積平均方式得到單路信號(hào)，評(píng)估參數(shù)中相關(guān)損失傳統(tǒng)的求法是沒(méi)有考慮多路復(fù)用信號(hào)的功率分配問(wèn)題，不能準(zhǔn)確反映信號(hào)畸變引入的相關(guān)損失，本文提出采用功率因子補(bǔ)償方式獲得相關(guān)損失，給出相應(yīng)的分析結(jié)果。Galileo導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的分析方法和結(jié)果對(duì)我國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)具有參考價(jià)值。

1 E1信號(hào)的調(diào)制方式

BOC調(diào)制因其能使頻譜搬離同時(shí)又擁有良好的抗多徑和測(cè)距性能而快速地應(yīng)用到導(dǎo)航信號(hào)的設(shè)計(jì)上，E1頻點(diǎn)上的3路信號(hào)無(wú)一例外地采用了這類調(diào)制方式（E1A為BOC（15，2.5），E1B/C為CBOC），為了節(jié)約發(fā)射功率以及充分利用星上功率放大器的效率，3路信號(hào)通過(guò)Interplex方式實(shí)現(xiàn)E1頻點(diǎn)上的恒包絡(luò)復(fù)用，降低功放引入的相位噪聲。下面將詳細(xì)介紹E1信號(hào)分量的調(diào)制方式及其多路復(fù)用的原理。

1.1 CBOC調(diào)制

Galileo E1信號(hào)的CBOC調(diào)制采用BOC（1，1）和BOC（6，1）兩種子載波調(diào)制線性加權(quán)而成，形成一種多電平的子載波，兩個(gè)權(quán)因子由設(shè)計(jì)者根據(jù)信號(hào)功率分配來(lái)確定，滿足平方和為1的條件。

E1信號(hào)采用的是CBOC（6，1，1/11）調(diào)制方式，E1B子載波為CBOC（6，1，1/11，‘+’），而E1C采用正交子載波CBOC（6，1，1/11，‘-’），兩子載波表達(dá)式為：

從式（1）中可以看出，BOC（6，1）成分占E1B和E1C兩信號(hào)總能量的1/11，一周期子載波的波形如圖1所示。

圖1 Galileo E1信號(hào)子載波波形

兩個(gè)子載波為相互正交的4個(gè)電平，根據(jù)式（1）可以求出其對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)為：

CBOC調(diào)制信號(hào)的相關(guān)函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 CBOC調(diào)制信號(hào)自相關(guān)函數(shù)曲線

CBOC調(diào)制信號(hào)的相關(guān)函數(shù)曲線呈現(xiàn)分段線性，高頻分量的加入使其比BOC（1，1）擁有更窄的相關(guān)主峰，提高了信號(hào)的測(cè)距精度和抗多徑干擾能力。CBOC（6，1，1/11，‘-’）的主峰相對(duì)較窄，是因?yàn)镃BOC（6，1，1/11，‘-’）調(diào)制符號(hào)時(shí)域波形比CBOC（6，1，1/11，‘+’）在半周期處有一個(gè)幅值更大的跳變，意味著前者的子載波含有更多的高頻成分，所以主峰寬度更窄[4]。在接收CBOC調(diào)制信號(hào)時(shí)，可以將其當(dāng)做BOC（1，1）調(diào)制信號(hào)來(lái)接收，本地不需要產(chǎn)生CBOC調(diào)制的信號(hào)，對(duì)于窄帶接收機(jī)，BOC（1，1）接收性能優(yōu)于CBOC接收[5]，BOC（1，1）作為本地參考信號(hào)能夠簡(jiǎn)化接收機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，市場(chǎng)上多數(shù)采用這種接收機(jī)設(shè)計(jì)方式。

1.2 Interplex調(diào)制

Interplex多路復(fù)用是一種相位調(diào)制技術(shù)，基帶信號(hào)通過(guò)控制載波相位來(lái)傳遞信息。路信號(hào)的復(fù)用表達(dá)式為

Galileo E1信號(hào)是多電平的，將多電平拆分成雙極性電平組合的形式，E1A信號(hào)在正交支路上，E1B和E1C在同相支路，Interplex調(diào)制信號(hào)表達(dá)式[6]為

化簡(jiǎn)式（4），得到相應(yīng)的基帶表達(dá)式：

根據(jù)式（5）求出各信號(hào)分量的發(fā)射功率為：

復(fù)用效率是多路信號(hào)復(fù)用性能的重要指標(biāo)，每個(gè)信號(hào)的功率分配原則是在保證信號(hào)達(dá)到服務(wù)要求時(shí)使得發(fā)射信號(hào)的復(fù)用效率最大化。根據(jù)式（6）計(jì)算Galileo E1頻點(diǎn)的復(fù)用效率為

式（7）中的參數(shù)與式（4）與（6）中相應(yīng)參數(shù)含義相同。

從式（7）可知，復(fù)用效率由兩個(gè)調(diào)制系數(shù)決定，這兩個(gè)調(diào)制系數(shù)值越接近復(fù)用效率越高，由于要實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)在L1頻段民用信號(hào)的兼容與互操作，要求各系統(tǒng)的MBOC調(diào)制信號(hào)擁有相同的功率譜，同時(shí)Galileo系統(tǒng)本身要保證各信號(hào)的服務(wù)質(zhì)量，兩個(gè)調(diào)制系數(shù)首先得滿足這些條件。

為提高授權(quán)信號(hào)的服務(wù)質(zhì)量，E1A信號(hào)的功率大于公開(kāi)服務(wù)的信號(hào)功率，功率大的越多，復(fù)用效率越高。Galileo信號(hào)接口控制文件（ICD）規(guī)定E1B和E1C信號(hào)功率相等，且BOC（1，1）分量功率占公開(kāi)服務(wù)信號(hào)功率的10/11[7]，根據(jù)上述條件得：

2 信號(hào)質(zhì)量評(píng)估方法

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量評(píng)估能夠?yàn)橄到y(tǒng)正常運(yùn)行、用戶享受高精度位置服務(wù)提供有效保障，評(píng)估方法的提出重點(diǎn)在于從各個(gè)角度來(lái)反映信號(hào)特征，檢測(cè)衛(wèi)星工作狀態(tài)。時(shí)域與頻域是信號(hào)分析較通用的手段，導(dǎo)航信號(hào)有其獨(dú)特的信號(hào)體制，可從相關(guān)域進(jìn)一步分析信號(hào)性能。由于導(dǎo)航信號(hào)采用相關(guān)測(cè)距的方式，這使得相關(guān)域的分析尤為重要，本文對(duì)相關(guān)域方面的相關(guān)損失、S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2.1 功率譜

信號(hào)功率譜反映信號(hào)能量隨頻率的變化情況，功率譜的分析集中在觀察能量分布狀況、對(duì)稱性、帶外譜的抑制度、數(shù)字畸變、載波泄漏等方面，判斷信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的依據(jù)：功率譜是否對(duì)稱、帶內(nèi)是否存在高能量脈沖干擾、是否與理論功率譜形狀一致。

功率譜常用的估計(jì)方法有周期圖、平均周期圖、自相關(guān)函數(shù)法和Welch法，每種方法各有特點(diǎn)，總體的屬性是增加有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以提高功率譜的分辨力，譜線起伏增大。本文采用Welch估計(jì)法，其原理是將數(shù)據(jù)分成若干段，各段之間相互重疊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的50%，對(duì)每段數(shù)據(jù)加指定類型的窗口，求出每一段的功率譜后作平均，得到最后的功率譜，其表達(dá)式如下：

Welch法能夠通過(guò)窗口類型、分段數(shù)、段間重疊度的調(diào)節(jié)適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，相比其他譜估計(jì)方法靈活性更大。

2.2 碼片波形

衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)域波形能夠直觀地反映信號(hào)在產(chǎn)生、傳輸、接收過(guò)程中受到的影響。衛(wèi)星下行信號(hào)易受到傳輸通道和外界干擾影響使得波形發(fā)射畸變，判斷信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的依據(jù)：與理想波形相比，實(shí)測(cè)基帶波形是否嚴(yán)重畸變。

一般情況下，碼片波形通過(guò)解調(diào)載波即可獲得，但由于Galileo E1民用信號(hào)同頻、同相、同帶寬的設(shè)計(jì)方式，信號(hào)解調(diào)后得到的是混合基帶信號(hào)，無(wú)法獲得E1B和E1C各自的基帶信號(hào)，這里提出累加平均方法，利用導(dǎo)航電文符號(hào)及次級(jí)碼符號(hào)的信息，E1B信號(hào)采用帶符號(hào)的多次累加平均得到，E1C信號(hào)采用帶符號(hào)的次級(jí)碼累加平均得到。兩路信號(hào)的基帶表達(dá)式為：

E1B/C合路基帶表達(dá)式為

式（12）中第一項(xiàng)導(dǎo)航電文符號(hào)相乘為1，消除了電文符號(hào)的影響，第二項(xiàng)為0時(shí)得到不含電文的E1B信號(hào)。由于導(dǎo)航電文符號(hào)具有隨機(jī)性，均值為0，而且跟蹤階段已經(jīng)得到導(dǎo)航電文符號(hào)，因此可以保證電文符號(hào)的累加為0，即第二項(xiàng)為0，化簡(jiǎn)式（12）得單個(gè)周期信號(hào)：

式（13）和（14）中參數(shù)與式（10）中相應(yīng)參數(shù)含義相同。

2.3 相關(guān)函數(shù)與相關(guān)損失

相關(guān)函數(shù)是信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)之一。導(dǎo)航信號(hào)根據(jù)軟件接收機(jī)輸出結(jié)果去除載波，經(jīng)低通濾波器得到基帶信號(hào)，再與本地復(fù)現(xiàn)的擴(kuò)頻碼作相關(guān)，而后分析相關(guān)曲線與相關(guān)損失。判斷信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的依據(jù)是相關(guān)曲線的不對(duì)稱度、相關(guān)損失是否小于ICD規(guī)定的0.6 dB。

由于Galileo E1信號(hào)是多路復(fù)用信號(hào)，傳統(tǒng)的方法因沒(méi)有考慮功率分配而需要改進(jìn)，提出相對(duì)功率補(bǔ)償法，定義歸一化互相關(guān)函數(shù)為

根據(jù)相關(guān)函數(shù)定義相關(guān)功率如下[9]

相關(guān)損失指信號(hào)設(shè)計(jì)帶寬內(nèi)的實(shí)測(cè)接收功率與同樣帶寬內(nèi)理想接收信號(hào)與本地復(fù)現(xiàn)碼相關(guān)功率之間的差值，理想相關(guān)功率歸一化后為0 dB，則相關(guān)損失定義為

相關(guān)損失是相關(guān)函數(shù)評(píng)估一個(gè)重要指標(biāo)。引起相關(guān)損失的因素本地?cái)U(kuò)頻碼與接收信號(hào)擴(kuò)頻碼的不匹配。

2.4 S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差

接收機(jī)中常用延遲鎖定環(huán)對(duì)擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)，其中鑒相器是最重要的部分，超前支路、即時(shí)支路、滯后支路的相關(guān)結(jié)果組合形成不同的鑒相算法，本文提出采用相干超前減滯后型獲得S曲線，其表達(dá)式為

S曲線偏差即函數(shù)式（18）等于零時(shí)的碼相位偏差值，即

S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差是導(dǎo)航信號(hào)評(píng)估非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，與測(cè)距精度直接相關(guān)，其值代表用戶的測(cè)距誤差，是作為測(cè)距精度最直觀地體現(xiàn)。

2.5 峰均比

導(dǎo)航信號(hào)復(fù)用可以減少衛(wèi)星功率放大器個(gè)數(shù)，發(fā)射復(fù)用信號(hào)僅需要一條發(fā)射鏈路。多路信號(hào)復(fù)用性能主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為復(fù)用效率和峰均比，因Galileo E1A信號(hào)為授權(quán)服務(wù)信號(hào)無(wú)法對(duì)其解擴(kuò)，所以這里的Interplex復(fù)用采用峰均比來(lái)評(píng)估恒包絡(luò)特性。

峰均比定義為載波周期的峰值功率與平均功率的比值，表達(dá)式為

3 信號(hào)分析結(jié)果

2016年6月利用國(guó)家授時(shí)中心40 m天線采集Galileo衛(wèi)星GSAT0209，GSAT0208和GSAT0206信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行離線數(shù)據(jù)分析，信號(hào)采樣率為250 MHz。

3.1 功率譜分析結(jié)果

圖3 Galileo E1頻點(diǎn)功率譜密度

3顆衛(wèi)星實(shí)測(cè)信號(hào)的功率譜包絡(luò)一致，BOC（1，1），CBOC（6，1，1/11）和BOC（15，2.5）功率譜在圖3中清晰可見(jiàn)，功率譜在雙邊帶寬40.92 MHz內(nèi)基本對(duì)稱，中心頻點(diǎn)處未出現(xiàn)載波泄漏，峰峰之間沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)字畸變。實(shí)測(cè)信號(hào)與仿真信號(hào)的功率譜包絡(luò)一致，實(shí)測(cè)信號(hào)的噪底更低，從功率譜上看，假設(shè)的E1頻點(diǎn)信號(hào)分量間功率比是合理的。

3.2 碼片波形分析結(jié)果

根據(jù)2.2節(jié)式（12）原理計(jì)算支路信號(hào)波形，給出3顆衛(wèi)星實(shí)測(cè)信號(hào)基帶波形，如圖4所示。

（a） E1B基帶信號(hào)波形

（b） E1C基帶信號(hào)波形

圖4 Galileo E1基帶信號(hào)波形

實(shí)測(cè)E1B和E1C基帶信號(hào)子載波與圖1中理想子載波形狀一致，濾波器帶限會(huì)造成電平的上升沿和下降沿出現(xiàn)過(guò)沖和抖動(dòng)，同時(shí)高頻分量的濾除會(huì)造成碼片翻轉(zhuǎn)時(shí)，子載波幅度發(fā)生跳躍。解調(diào)基帶波形時(shí)多次累加平均能夠減小噪聲影響，比較實(shí)測(cè)信號(hào)電平幅度與理想電平幅度，理想正值電平幅度比為1.255/0.652，約5.69 dB，實(shí)測(cè)信號(hào)正值幅度比通過(guò)統(tǒng)計(jì)多個(gè)碼片幅度比取均值獲得。

表1 Galileo衛(wèi)星信號(hào)基帶波形正值幅度比 dB

GSAT0208衛(wèi)星信號(hào)幅度比與理想情況差距最大為0.24 dB，另外兩顆星的幅度比誤差均在0.2 dB以內(nèi)，說(shuō)明實(shí)測(cè)信號(hào)波形沒(méi)有很大的畸變。

3.3 相關(guān)函數(shù)與相關(guān)損耗分析結(jié)果

導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)解調(diào)后與本地碼作相關(guān)，將40個(gè)碼周期相關(guān)結(jié)果累加平均消除噪聲及互相關(guān)干擾，根據(jù)式（15）繪制3顆衛(wèi)星實(shí)測(cè)信號(hào)歸一化相關(guān)函數(shù)曲線，如圖5所示。

（a） E1B相關(guān)函數(shù)曲線

（b） E1C相關(guān)函數(shù)曲線

圖5 Galileo E1信號(hào)相關(guān)函數(shù)曲線

CBOC調(diào)制比BPSK調(diào)制擁有更陡峭的相關(guān)曲線，碼時(shí)延零點(diǎn)附近自相關(guān)函數(shù)曲線的陡峭程度反映了信號(hào)的偽碼跟蹤誤差下界，一般希望其越陡峭越好[11]，E1C相關(guān)曲線比E1B相關(guān)曲線更陡峭，將相關(guān)曲線以對(duì)稱軸為中心左右兩邊相減，以此結(jié)果來(lái)衡量相關(guān)曲線的對(duì)稱性，完全對(duì)稱情況下左右相減為0，表2統(tǒng)計(jì)了3顆衛(wèi)星的誤差均值。

表2 相關(guān)曲線對(duì)稱性統(tǒng)計(jì)

3顆衛(wèi)星相關(guān)曲線對(duì)稱性均較好，在10-2量級(jí)，GSAT0208的相關(guān)曲線對(duì)稱性稍差于另外兩顆衛(wèi)星。

根據(jù)Galileo ICD規(guī)定，載荷失真引起的相關(guān)損耗低于0.6 dB，信號(hào)帶寬為24 MHz由接收機(jī)濾波引起的相關(guān)損失低于0.1 dB，根據(jù)式（15）~（17）計(jì)算3顆衛(wèi)星40個(gè)碼周期的相關(guān)損耗，示意于圖6。

（a） E1B信號(hào)相關(guān)損耗

（b） E1C信號(hào)相關(guān)損耗

圖6 Galileo E1信號(hào)相關(guān)損耗

兩信號(hào)發(fā)射功率相同且同頻點(diǎn)同帶寬，理論上有相同的相關(guān)損失，但由于濾波器帶限、噪聲抖動(dòng)、非線性通道等造成功率重新分配[12]及碼波形的畸變，此時(shí)兩信號(hào)的相關(guān)損失會(huì)不一致，3顆衛(wèi)星相關(guān)損耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3。

表3 Galileo衛(wèi)星相關(guān)損耗統(tǒng)計(jì)特性 dB

3顆衛(wèi)星的相關(guān)損耗絕對(duì)值均在0.3dB以下，滿足ICD指標(biāo)，同時(shí)方差都小于0.1，信號(hào)比較穩(wěn)定，沒(méi)有表現(xiàn)出強(qiáng)時(shí)變性。

3.4 S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差分析結(jié)果

跟蹤環(huán)穩(wěn)定跟蹤時(shí)的鎖定點(diǎn)為S曲線過(guò)零點(diǎn)，真實(shí)環(huán)境中S曲線過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的碼相位偏差不為零，將引入測(cè)距誤差，造成定位結(jié)果不準(zhǔn)確。圖7為Galileo E1信號(hào)的S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差圖。圖7（a）和（b）中E1B和E1C信號(hào)的SCB與相關(guān)間隔之間沒(méi)有像BPSK調(diào)制存在的線性遞增關(guān)系，相關(guān)間隔為0.01~0.15碼片對(duì)應(yīng)的SCB很小，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，3顆衛(wèi)星中GSAT0206衛(wèi)星E1B信號(hào)在0.15碼片的測(cè)距誤差最大0.2ns，GSAT0208衛(wèi)星E1C信號(hào)在0.01碼片的測(cè)距誤差最大0.42ns。E1B和E1C信號(hào)的SCB存在“轉(zhuǎn)折區(qū)”，可以看到轉(zhuǎn)折區(qū)內(nèi)的SCB很大，轉(zhuǎn)折區(qū)之間的SCB又變小了，這與CBOC調(diào)制的相關(guān)曲線特性有關(guān)，相關(guān)曲線的線性區(qū)間內(nèi)，其SCB較小，而相關(guān)曲線的轉(zhuǎn)折處對(duì)應(yīng)的SCB變大，SCB內(nèi)的“轉(zhuǎn)折區(qū)”是由相關(guān)函數(shù)的分段線性帶來(lái)的，段數(shù)越多轉(zhuǎn)折區(qū)也越多。由于濾波器的存在使得相關(guān)曲線的線性區(qū)間相應(yīng)變小，因此即使相關(guān)間隔在0.01~0.15碼片內(nèi)SCB也未必呈現(xiàn)隨著相關(guān)間隔增大而增大的現(xiàn)象，如GSAT0208隨著相關(guān)間隔的增大SCB反而減小。

對(duì)于BOC調(diào)制信號(hào)相關(guān)峰的變窄能夠提高測(cè)距精度，但是碼環(huán)鑒相器工作的線性區(qū)間變小，相關(guān)間隔的選擇變得更加重要，要避免選擇SCB較大的“轉(zhuǎn)折區(qū)”對(duì)應(yīng)的相關(guān)間隔，尤其對(duì)于高階BOC。

（a） E1B信號(hào)S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差

（b） E1C信號(hào)S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差

圖7 Galileo E1信號(hào)的S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差

3.5 峰均比

峰均比衡量Interplex復(fù)用技術(shù)的恒包絡(luò)性能，理想恒包絡(luò)調(diào)制峰均比為1，即0 dB，星上濾波器帶限會(huì)導(dǎo)致峰均比變化，給出采用3顆衛(wèi)星信號(hào)峰均比。Galileo衛(wèi)星E1頻點(diǎn)信號(hào)峰均比示意于圖8。

圖8 Galileo E1頻點(diǎn)信號(hào)峰均比

圖8中合路信號(hào)峰均比在3dB左右，由濾波器帶限造成部分能量損失，GSAT0206的峰均比大于另外兩顆星約0.2dB，各時(shí)段的峰均比在小范圍內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng)，反映出Interplex復(fù)用技術(shù)的恒包絡(luò)特性良好。

4 結(jié)論

本文從碼片波形、功率譜、相關(guān)曲線、S曲線過(guò)零點(diǎn)偏差、峰均比等多個(gè)方面對(duì)Galileo E1信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，詳細(xì)介紹了導(dǎo)航信號(hào)分析方法并提出了碼片波形、相關(guān)損失求解的新方法，累加平均法獲得單分量基帶信號(hào)，功率補(bǔ)償法計(jì)算多路復(fù)用信號(hào)相關(guān)損失，最后驗(yàn)證了方法的有效性。Matlab結(jié)果表明，Galileo E1信號(hào)E1A，E1B和E1C功率分配為4:1:1，這種功率配比帶來(lái)更高的復(fù)用效率，碼片波形與理想幅度比相差0.24 dB，相關(guān)曲線對(duì)稱性在10-2的量級(jí)，信號(hào)的相關(guān)損失均小于0.3dB，滿足ICD要求，而峰均比在3dB左右，綜合所有因素對(duì)測(cè)距精度的影響，在0.15碼片的相關(guān)間隔內(nèi)，3顆衛(wèi)星中信號(hào)測(cè)距誤差最大為0.42 ns。Galileo E1信號(hào)的分析方法和成果可作為北斗全球系統(tǒng)建設(shè)的參考。

[1] 謝鋼. 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理——GPS、格洛納斯和伽利略系統(tǒng)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

[2] BUTMAN S, TIMOR U. Interplex: an efficient multi-channel PSK/PM telemetry system[J]. IEEE Transaction on Communications, 1971, 20(3): 415-419.

[3] BETZ J W. Binary offset carrier modulations for radionavigation[J]. Journal of the Institute of Navigation, 2001, 48(4): 227-246.

[4] AVILA RODRIGUEZ, JOSE áNGEL. On Generalized Signal Waveforms for Satellite Navigation[D]. München: München University der Bundeswehr, 2008.

[5] FLOC’H J, SOELLNER M. Comparison between BOC CBOC and TMBOC tracking[C]// Proceeding of the National Technical Institute of Navigation, Ssan Diego, CA: ION, 2007: 964-973.

[6] REBEYROL E, MACABIAU C, RIES L, et al. Interplex modulation for navigation systems at the L1 band[C]//Proceeding of the National Technical Institute of Navigation, Monterey: ION, 2006.

[7] European Union and European Space Agency. European GNSS (Galileo) Open Service Signal in Space Interface control document (OS SIS ICD)[S]. 2010.

[8] SOELLNER M, KURZHALS C, HECHENBLAIKNER G, et al. GNSS offline signal quality assessment[C]//ION GNSS 2008, Savannah: ION, 2008: 909-920.

[9] 胡修林, 冉一航, 劉禹圻, 等. 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)中調(diào)制方式的新選擇[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2010, 32(9): 1962-1967.

[10] SOELLNER M, KOHL R, LUETKE W, et al. The impact of liner and non-liner signal distortions on Galileo code tracking accuracy[C]//ION GPS 2002, Portland: ION, 2002: 1270-1285.

Analysis and evaluation of Galileo E1 signal

YANG De-jin1,2,3, LU Xiao-chun1,2,4, WANG Xue1,2,5

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precise Navigation and Timing Technology, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;5. School of Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The quality of three navigation satellites’ civil signals in the Galileo E1 band collected with the steerable dish antenna is evaluated. Analysis methods for chip shape, power spectrum,correlation function, S-curve bias, and peak to average ratioareintroduced in details. To solve the waveform twine problem between data and pilot component, an accumulation average method is proposed in this paper, and a power compensation method for the difficult to Cross-Loss is presented. The results analyzed by Matlab show that the methods are effective. Considering the influence of all factors, the ranging precision for Galileo E1 civil signals is not more than 0.42 ns within correlation interval of 0.15 chips. The methods and results can be used as reference for GNSS construction in China.

Galileo E1 signal; signal quality evaluation; CBOC modulation; Interplex modulation

TN911.6

A

1674-0637(2017)03-0178-15

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0178-15

2016-09-23

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（61501430）；中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃西部博士專項(xiàng)資助項(xiàng)目

楊德進(jìn)，男，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量評(píng)估，衛(wèi)星導(dǎo)航定位研究。