單載波多信號(hào)分量導(dǎo)航信號(hào)檢測(cè)性能評(píng)估

楊建雷，范廣偉，葉紅軍，張 璞，張曉旭

(1.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；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)是信息時(shí)代的國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，其重要性已為世界所重視。GNSS作為國(guó)家綜合國(guó)力的重要組成部分，世界各國(guó)都正在完善和研制自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國(guó)的GPS(Global Positioning System)、俄羅斯的GLONASS(Global Orbiting Navigation Satellite System)、歐洲的Galileo系統(tǒng)、中國(guó)的BDS(BeiDou Navgation Satellite System)以及日本的QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)和印度的IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。信號(hào)體制設(shè)計(jì)作為GNSS設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在GPS現(xiàn)代化、Galileo和BDS設(shè)計(jì)過(guò)程中均處于重要地位。信號(hào)體制決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的先天性能，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和升級(jí)過(guò)程中必須考慮的關(guān)鍵因素之一[1]。

針對(duì)新型信號(hào)體制設(shè)計(jì)思想的提出，學(xué)者們進(jìn)行了多方面的研究工作，如文獻(xiàn)[2-3]研究了降低數(shù)據(jù)跳變對(duì)檢測(cè)性能影響的捕獲方法，文獻(xiàn)[4-5]研究了碼片時(shí)分導(dǎo)航信號(hào)的捕獲方法，文獻(xiàn)[6-7]研究了BOC和AltBOC等信號(hào)的跟蹤方法，文獻(xiàn)[8-9]研究了BOC和MBOC信號(hào)在干擾條件下的跟蹤性能評(píng)估方法等。隨著GNSS不斷發(fā)展，使得導(dǎo)航頻譜資源日益緊張，引入單頻波多信號(hào)分量的設(shè)計(jì)思想可提高頻帶利用率，節(jié)省發(fā)射功率，降低對(duì)衛(wèi)星載荷的要求，在GPS現(xiàn)代化、Galileo和BDS建設(shè)過(guò)程中均采用了單載波多信號(hào)分量的設(shè)計(jì)思想。信號(hào)體制的檢測(cè)/捕獲性能導(dǎo)航信號(hào)性能評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)之一，單載波多信號(hào)分量的設(shè)計(jì)思想直接影響信號(hào)體制的檢測(cè)性能，在已有的研究工作中，針對(duì)單載波多信號(hào)分量導(dǎo)航信號(hào)檢測(cè)性能研究工作開(kāi)展較少，因此有必要開(kāi)展單載波多信號(hào)分量導(dǎo)航信號(hào)檢測(cè)性能進(jìn)行分析與評(píng)估方面的工作。

1 單載波多信號(hào)分量導(dǎo)航信號(hào)體制

在GPS現(xiàn)代化[10-11]、Galileo[12]和BDS[13]建設(shè)過(guò)程中，均采用了單載波多信號(hào)分量的設(shè)計(jì)思想，分別如表1、表2和表3所示。

表1 GPS現(xiàn)代化后的信號(hào)體制

中心頻率/MHz信號(hào)分量調(diào)制方式1575.42L1C/ABPSK(1)L1P(Y)BPSK(10)L1MBOC(10,5)L1CDataBOC(1,1)L1CPilotTMBOC(6,1,4/33)1227.60L2CDataL2CPilotL2ML2P(Y)BPSK(1)BOC(10,5)BPSK(10)1176.45L5CDataQPSK(10)

表2 Galileo的信號(hào)體制

中心頻率/MHz信號(hào)調(diào)制方式1575.42E1OSDataCBOC(6,1,1/11,+)E1OSPilotCBOC(6,1,1/11,-)E1PRSBOC(15,2.5)1176.451207.14E5aDataE5aPilotE5bDataE5bPilotAltBOC(15,10)1278.75E6CSDataE6CSPilotE6PRSBPSK(5)BOC(10,5)

表3 BDS的信號(hào)體制

中心頻率/MHz信號(hào)調(diào)制方式1561.098B1IBPSK(2)1575.42B1CDataB1CPilotB1ADataB1APilotBOC(1,1)TMBOC(6,1,1/11)BOC(14,2)1176.451207.14B2aDataB2aPilotB2bDataB2bPilotAltBOC(15,10)1268.52B3IB3QB3ADataB3APilotB3CDataB3CPilotBPSK(10)BPSK(10)BOC(15,2.5)

由表1、表2和表3可以看出，GPS現(xiàn)代化后L1頻點(diǎn)采用5個(gè)信號(hào)分量，L2頻點(diǎn)采用4個(gè)信號(hào)分量，L5頻點(diǎn)采用2個(gè)信號(hào)分量，Galileo E1采用3個(gè)信號(hào)分量，E5采用4個(gè)信號(hào)分量，E6采用3個(gè)信號(hào)分量，BDS B1和B2頻點(diǎn)采用4個(gè)信號(hào)分量，B3頻點(diǎn)采用6個(gè)信號(hào)分量，采用單載波多信號(hào)分量的設(shè)計(jì)思想已經(jīng)成為現(xiàn)階段信號(hào)體制設(shè)計(jì)必不可少的設(shè)計(jì)思想，因此研究多信號(hào)分量的聯(lián)合捕獲方法對(duì)信號(hào)檢測(cè)性能的影響具有重要的意義。

2 多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲方法

為了提高接收機(jī)的捕獲靈敏度，學(xué)者們提出眾多通道聯(lián)合捕獲方法，這類方法可以分為3種[14]：非相干組合(Non-coherent Channel Combining，NCC)、基于符號(hào)估計(jì)的相干通道組合(Coherent Channel Combining，CCC)和差分組合(Differential Channel Combining，DCC)。NCC方法將Pilot與Data通道平方處理后再累加，消除了Pilot和Data通道的符號(hào)翻轉(zhuǎn)對(duì)相關(guān)峰的影響，但該方法存在平方損失的問(wèn)題，檢測(cè)性能不如CCC方法[15]。CCC方法將預(yù)先估計(jì)Pilot與Data通道的相對(duì)符號(hào)，即對(duì)兩通道的相關(guān)進(jìn)行相加或相減，從中選取大的相關(guān)值為最終的判決變量[16]，CCC方法要優(yōu)于NCH和DCC方法[17]。DCC方法可視為傳統(tǒng)的相干組合方法與NCH方法的一種折衷，該方法既解決了傳統(tǒng)的通道相干組合方法Pilot和Data通道的符號(hào)翻轉(zhuǎn)對(duì)相關(guān)峰的影響，又消除了NCH方法存在平方損失的問(wèn)題，因此該方法檢測(cè)性能介于CCC與NCC方法之間[18]。然而上述介紹的NCC、CCC和DCC方法僅適用于2個(gè)信號(hào)分量聯(lián)合捕獲的情況，基于CCC方法，文獻(xiàn)[19]給出了時(shí)分AltBOC(Time Division AltBOC，TD-AltBOC)[20]采用4個(gè)信號(hào)分量進(jìn)行聯(lián)合捕獲的原理框圖、虛警概率與檢測(cè)概率數(shù)學(xué)模型，分別如圖1、式(1)和式(2)所示。

圖1 多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲方法原理

(1)

(2)

3 信號(hào)檢測(cè)性能評(píng)估與分析

為了分析評(píng)估單載波多信號(hào)分量導(dǎo)航信號(hào)的捕獲性能，以TD-AltBOC為例(文獻(xiàn)[20]中已指出該信號(hào)可作為BDS備選信號(hào))，采用蒙特卡羅仿真分析了TD-AltBOC多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲時(shí)的檢測(cè)概率、接收機(jī)工作特性(ReceiverOperatingCharacteristic，ROC)曲線和平均捕獲時(shí)間(MeanAcquisitionTimeMAT)[21]。試驗(yàn)中選取TD-AltBOC信號(hào)擴(kuò)頻碼周期為1ms，碼長(zhǎng)10 230chips，中頻44.795MHz，采樣率150MHz，仿真次數(shù)為105次，相干和非相干累加次數(shù)為1。Data和Pilot通道調(diào)制的電文比特和NH碼均為隨機(jī)的。

3.1 檢測(cè)概率

TD-AltBOC信號(hào)采用不同的信號(hào)分量捕獲時(shí)檢測(cè)概率對(duì)比曲線如圖2所示。試驗(yàn)中，虛警概率10-3，載噪比變化范圍為25～45dB-Hz。

圖2 采用不同的信號(hào)分量聯(lián)合捕獲時(shí)檢測(cè)概率對(duì)比

由圖2可以看出，相對(duì)采用單信號(hào)分量的捕獲性能，采用多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲時(shí)具有更高的檢測(cè)概率，可提高捕獲靈敏度3～6dB，當(dāng)載噪比為37dB-Hz時(shí)，TD-AltBOC檢測(cè)概率可達(dá)90%。

3.2 ROC

采用不同的信號(hào)分量聯(lián)合捕獲性時(shí)，載噪比為38dB-Hz條件下ROC曲線對(duì)比如圖3所示。

圖3 采用不同的信號(hào)分量聯(lián)合捕獲時(shí)ROC曲線對(duì)比

由圖3可以看出，采用多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲時(shí)ROC曲線明顯優(yōu)于采用單信號(hào)分量捕獲性能，多信號(hào)聯(lián)合捕獲是一種較好的單載波多信號(hào)分量信號(hào)體制的捕獲策略。

3.3 MAT

采用不同的信號(hào)分量聯(lián)合捕獲時(shí)，MAT曲線對(duì)比如圖4所示。

圖4 采用不同的信號(hào)分量聯(lián)合捕獲時(shí)MAT曲線對(duì)比

MAT是衡量捕獲性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，平均捕獲時(shí)間定義為[22]：

(3)

式中，Pd為檢測(cè)概率；Pfa為虛警概率；Tc為相干積分時(shí)間；Nnc為非相干積分次數(shù)；Ncode為碼相位搜索的數(shù)目；Nfd為Doppler搜索數(shù)目；kfa為虛警的代價(jià)系數(shù)，kfaTcNnc=1 s，此值與虛警處理時(shí)間有關(guān)。

由圖4可以看出，相對(duì)于單信號(hào)分量捕獲方法，多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲可降低平均捕獲時(shí)間5～30%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析單載波多信號(hào)分量設(shè)計(jì)思想對(duì)信號(hào)檢測(cè)性能的影響，通過(guò)蒙特卡羅仿真和理論分析的方法證明了多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲是一種較好的單載波多信號(hào)分量導(dǎo)航信號(hào)的捕獲策略，可提高信號(hào)的捕獲靈敏度，降低平均捕獲時(shí)間。同時(shí)，也證明了單載波多信號(hào)分量設(shè)計(jì)思想在提高導(dǎo)航信號(hào)捕獲性能方面的優(yōu)勢(shì)與合理性。

相對(duì)于單信號(hào)分量捕獲方法，多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲的方法雖然提高了導(dǎo)航信號(hào)的捕獲性能，但卻增加了捕獲算法的復(fù)雜度，在后續(xù)的研究工作中可以開(kāi)展復(fù)雜度相關(guān)方面的研究。

[1] 胡修林，唐祖平，周鴻偉，等.GPS和Galileo信號(hào)體制設(shè)計(jì)思想綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31(10)：2285-2293.

[2]JINT，LUF，LIUY，etal.DoubleDifferentiallyCoherentPseudorandomNoiseCodeAcquisitionMethodforCode-divisionMultiple-accessSystem[J].IETSignalProcessing，2013，7(7)：587-597.

[3]BORIOD，AKOSD.NoncoherentIntegrationsforGNSSDetection：AnalysisandComparisons[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2009，45(1)：360-375.

[4] 劉芳，馮永新.一種基于TDDM裂譜信號(hào)的解模糊位搜索法[J].航空學(xué)報(bào)，2010(4)：738-743.

[5] 劉芳.一種基于TDDM調(diào)制信號(hào)的3SDA算法[J].宇航學(xué)報(bào)，2011，32(9)：1978-1985.

[6]JULIENO.ASPeCT：UnambiguousSine-BOC(N，N)AcquisitionTrackingTechniqueforNavigationApplications[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2007，43(1)：150-162.

[7]VEJRAZKAF，KOVARP，KACMARIKP.GalileoAltBOCE5SignalCharacteristicsforOptimalTrackingAlgorithms[J].InternationalJournalonMarineNavigationandSafetyofSeaTransportation，2010，4(1)：37-40.

[8]LIUY，RANY，KET，etal.CodeTrackingPerformanceAnalysisofGNSSSignalinthePresenceofCWInterference[J].SignalProcessing，2011，91(4)：970-987.

[9] 劉禹圻，胡修林，冉一航，等.衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)抗單頻干擾性能研究[J].電子學(xué)報(bào)，2011，39(6)：1410-1416.

[10]InterfaceControlWorkingGroup(ICWG).IS-GPS-705D：NavstarGPSSpaceSegment/UserSegmentL5Interfaces[EB/OL].http：∥www.gps.gov/technical/icwg/IS-GPS-705D.pdf，2013-09-24.

[11]InterfaceControlWorkingGroup(ICWG).IS-GPS-800D：NavstarGPSSpaceSegment/UserSegmentL1CInterfaces[EB/OL].http：∥www.gps.gov/technical/icwg/IS-GPS-800D.pdf，2013-09-24.

[12]EuropeanUnionandEuropeanSpaceAgency.EuropeanGNSS(Galileo)OpenServiceSignalinSpaceInterfaceControlDocumentIssue1[EB/OL].http：∥ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/files/galileo-os-sis-icd-issue1-revision1_en.pdf，2010-09-302010-9.

[13]UNOOSA.CurrentandPlannedGlobalandRegionalNavigationSatelliteSystemsandSatellite-basedAugmentationSystems[EB/OL].http：∥www.unoosa.org/pdf/publications/icg_ebook.pdf，2010-06.

[14]BORIOD，O′DRISCOLLC，LACHAPELLEG.Coherent，Noncoherent，andDifferentiallyCoherentCombiningTechniquesforAcquisitionofNewCompositeGNSSsignals[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2009，45(3)：1227-1240.

[15]TATH，QAISARSU，DEMPSTERAG，etal.PartialDifferentialPostcorrelationProcessingforGPSL2CSignalAcquisition[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2012，48(2)：1287-1305.

[16]YANGC，HEGARTYC，TRANM.AcquisitionoftheGPSL5SignalUsingCoherentCombiningofI5andQ5[C]∥The17thInternationalTechnicalMeetingoftheSatellite

DivisionoftheInstituteofNavigation.LongBeach，2004：2184-2195.

[17]BORIOD，O′DRISCOLLC，LACHAPELLEG.CompositeGNSSSignalAcquisitionoverMultipleCodePeriods[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2010，46(1)：193-206.

[18]YUW，ZHENGB，WATSONR，etal.DifferentialCombiningforAcquiringWeakGPSSignals[J].SignalProcessing，2007，87(5)：824-840.

[19] 楊建雷，金天，黃智剛，等.補(bǔ)0的TD-AltBOC多信號(hào)分量聯(lián)合捕獲方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(11)：1427-1433.

[20]TANGZ，ZHOUH，WEIJ，etal.TD-AltBOC：aNewCOMPASSB2Modulation[J].ScienceChinaPhysics，MechanicsandAstronomy，2011，54(6)：1014-1021.

[21]HOLMESJK.CoherentSpreadSpectrumSystems[M].NewYork：JohnWiley&Sons，1982.

[22]BASTIDEBF，JULIENO，MACABIAUC，etal．AnalysisofL5 /E5Acquisition，TrackingandDataDemodulationThresholds[C]∥Proceedingsofthe15thInternationalTechnicalMeetingoftheSatelliteDivisionofTheInstituteofNavigation.Portland,2002:2196-2207．