基于高增益GNSS信號(hào)的授權(quán)碼流解擴(kuò)接收技術(shù)

葉紅軍，劉 亮，楊建雷

(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)

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航相應(yīng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各行各業(yè)，對(duì)于GPS，GALILEO，GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)，一般行業(yè)主要使用相應(yīng)衛(wèi)星系統(tǒng)播發(fā)的民用公開(kāi)信號(hào)頻點(diǎn)完成相應(yīng)的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)，但是針對(duì)調(diào)制方式本身來(lái)說(shuō)，公開(kāi)信號(hào)相比于授權(quán)信號(hào)在調(diào)制方式上存在著較多劣勢(shì)：在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，具備BOC(10，5)的L1M和L2M信號(hào)頻點(diǎn)，這2個(gè)頻點(diǎn)在正負(fù)一個(gè)碼片的相關(guān)峰上會(huì)產(chǎn)生多個(gè)峰值[1]，而主峰相比于公開(kāi)信號(hào)L1C/A和L2C具備更加陡峭的邊沿[2]，這樣就使得相關(guān)峰對(duì)于測(cè)距偏差的變化更為靈敏，在測(cè)距上具備更大的優(yōu)勢(shì)。在GALILEO系統(tǒng)中，同樣具備BOC(15，2.5)的E1A信號(hào)，主峰的邊沿更加陡峭。而對(duì)于GLONASS系統(tǒng)，相比于公開(kāi)信號(hào)L1F，L2F，授權(quán)信號(hào)L1P，L2P具備更高的碼速率，因此具備更窄的碼片寬度，在測(cè)量偽距同樣體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。

目前在通用的民用場(chǎng)景授權(quán)碼接收技術(shù)上還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)高增益的授權(quán)碼流的解擴(kuò)接收技術(shù)，主要原因是一般用戶導(dǎo)航接收機(jī)工作在較低的信噪比環(huán)境中[3]，無(wú)法完成對(duì)授權(quán)信號(hào)的觀測(cè)。但是在高增益場(chǎng)景下，可以完成相應(yīng)碼流觀測(cè)量的測(cè)量提取。所以可以利用相應(yīng)的大口徑天線地面站完成附近GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星的授權(quán)碼的解擴(kuò)接收，并向附近導(dǎo)航接收機(jī)用戶播發(fā)相應(yīng)偽距、載波相位觀測(cè)量的修正信息，從而提升附近用戶的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的定位和授時(shí)精度。

本文根據(jù)不同GNSS系統(tǒng)授權(quán)信號(hào)的特點(diǎn)，將授權(quán)信號(hào)的高增益解擴(kuò)分為3類：同頻點(diǎn)同頻帶授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)、同頻點(diǎn)異頻帶授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)和異頻點(diǎn)授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)，并提出了相應(yīng)的高增益場(chǎng)景下授權(quán)碼流解擴(kuò)方法。

1 同頻點(diǎn)同頻帶授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)方法

同頻點(diǎn)同頻帶授權(quán)信號(hào)是指，某一頻點(diǎn)的公開(kāi)信號(hào)和授權(quán)信號(hào)占用同樣的中心頻率帶寬，僅在相位上存在區(qū)分。這種類型的典型信號(hào)是GLONASS系統(tǒng)的L1P，L2P信號(hào)，這2個(gè)信號(hào)與L1F，L2F信號(hào)使用同樣的頻點(diǎn)，和民用信號(hào)以QPSK的形式正交地分布在信號(hào)中，即授權(quán)信號(hào)與公開(kāi)信號(hào)相差90°的相位[4]，此外，GPS系統(tǒng)的L1C/A，L1P(Y)信號(hào)、L2C，L2P(Y)信號(hào)也具備同樣的特點(diǎn)。一般這樣信號(hào)的處理思路為：利用相位的不同進(jìn)行相應(yīng)授權(quán)信號(hào)的恢復(fù)與判決，基本的處理算法流程如圖1所示。

圖1 同頻點(diǎn)同頻帶授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)算法

在高增益接收天線完成相應(yīng)衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)跟蹤后，完成相應(yīng)民用信號(hào)的捕獲跟蹤。當(dāng)完成載波跟蹤環(huán)路和碼相位跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定后，獲取零中頻信號(hào)的Q支路即為授權(quán)碼所在支路，由于授權(quán)碼和公開(kāi)碼間具備統(tǒng)一的碼片起始位置，所以以每個(gè)公開(kāi)信號(hào)的積分周期起始位置為開(kāi)始。根據(jù)授權(quán)碼的碼速率對(duì)Q支路的零中頻信號(hào)進(jìn)行均值判決，均值判決的思路是根據(jù)當(dāng)前的授權(quán)碼碼速率和信號(hào)的采樣頻率，計(jì)算每個(gè)碼片的采樣點(diǎn)數(shù)，選取碼片中間區(qū)域的采樣點(diǎn)進(jìn)行求和平均，根據(jù)平均結(jié)果的正負(fù)判定該位置的碼流是1還是0。具體選取的索引方式是：將一個(gè)積分周期的采樣點(diǎn)按順序排列，選擇的碼片中心區(qū)域?qū)?yīng)的索引值為：

i=1…Lp，

式中，fsample為信號(hào)的采樣率；Tp為一個(gè)積分周期的時(shí)間長(zhǎng)度，這里為1 ms；Lp為一個(gè)積分周期的碼片數(shù)目。選取得到的每個(gè)區(qū)間的采樣點(diǎn)的值求和平均，對(duì)最后的均值進(jìn)行判決。

在恢復(fù)該積分周期的授權(quán)碼碼流之后，利用恢復(fù)的碼流與相應(yīng)的Q支路零中頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即可完成授權(quán)信號(hào)的跟蹤和測(cè)距。

同頻點(diǎn)同頻帶授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)方法是3種方法中最為簡(jiǎn)單的處理方法，只需要保留相干解調(diào)中的Q支路授權(quán)信號(hào)，并加入相應(yīng)判決處理模塊，便可得到授權(quán)碼的解擴(kuò)碼流。

2 同頻點(diǎn)異頻帶授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)方法

同頻點(diǎn)異頻帶授權(quán)信號(hào)是指，某一頻點(diǎn)的公開(kāi)信號(hào)和授權(quán)信號(hào)占用同樣的中心頻率，但是在分布的頻帶內(nèi)，卻處于不同頻帶，在頻率分布上即可完成區(qū)分。這種類型的典型信號(hào)是GPS系統(tǒng)的L1M，L2M信號(hào)以及GALILEO系統(tǒng)的E1A信號(hào)。GPS的L1M信號(hào)與公開(kāi)信號(hào)L1C/A的中心頻點(diǎn)均為1 575.42 MHz，但是由于L1M信號(hào)采用BOC(10，5)調(diào)制方式，使得L1M信號(hào)主要能量集中在1 575.42±10.23 MHz頻帶內(nèi)[5]；而L2M與公開(kāi)信號(hào)L2C的中心頻點(diǎn)均為1 227.6 MHz，但是由于L2M信號(hào)也采用BOC(10，5)調(diào)制方式，使得L2M信號(hào)主要能量集中在1 227.6±10.23 MHz頻帶內(nèi)；GALILEO系統(tǒng)的E1A信號(hào)與同頻點(diǎn)的E1B和E1C信號(hào)都分布在1 575.42 MHz頻帶，E1A采用BOC(15，2.5)調(diào)制方式使其分布在1 575.42±15.345 MHz的頻內(nèi)[6]。

考慮到BOC調(diào)制信號(hào)本身的性質(zhì)，在對(duì)應(yīng)上下邊帶的所處中心頻點(diǎn)處也可以利用BPSK的方式完成解調(diào)[7]，相反在授權(quán)信號(hào)的解擴(kuò)上，可以在上下邊帶所處的信號(hào)中心頻點(diǎn)處，按照BPSK的分布情況完成授權(quán)碼流的判決解擴(kuò)，基本的處理算法流程如圖2所示。

圖2 同頻點(diǎn)異頻帶授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)算法

與之前介紹的方法一致，首先完成高增益接收天線對(duì)準(zhǔn)跟蹤相應(yīng)衛(wèi)星，并完成相應(yīng)民用信號(hào)的捕獲跟蹤，當(dāng)載波跟蹤環(huán)路和碼相位跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定后，根據(jù)頻點(diǎn)與多普勒的線性關(guān)系計(jì)算對(duì)應(yīng)信號(hào)中心頻點(diǎn)內(nèi)的多普勒[7]，公式如下：

式中，v為衛(wèi)星相對(duì)于地面站的運(yùn)動(dòng)速度；c為光速；f1和f2對(duì)應(yīng)同一個(gè)衛(wèi)星的不同中心頻率；而fd1和fd2對(duì)應(yīng)2個(gè)頻率的多普勒，因此，在已知公開(kāi)信號(hào)的每個(gè)積分周期的多普勒測(cè)量結(jié)果后，就可以計(jì)算同一顆衛(wèi)星其他頻率的多普勒值[8]，在指定多普勒測(cè)量結(jié)果后，就可以完成相應(yīng)頻點(diǎn)的載波剝離，從而得到零中頻信號(hào)。載波剝離使用的公式為：

S0(n)=Sc(n)·e-j·2π·(fc+fdoppler)n·ejφ0，

式中，Sc(n)為高增益采集信號(hào)對(duì)應(yīng)積分周期起始時(shí)刻的經(jīng)過(guò)一定帶寬濾波后的數(shù)字離散信號(hào)；fc為對(duì)應(yīng)的信號(hào)中心頻點(diǎn)；fdoppler為授權(quán)信號(hào)對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的多普勒值；φ0為載波相位環(huán)路得到的載波初相。

在得到零中頻信號(hào)后，根據(jù)BOC上下邊帶各自對(duì)應(yīng)的信號(hào)主瓣帶寬進(jìn)行濾波處理，濾波器通帶的帶寬只需保留完整的主瓣帶寬即可，對(duì)最終輸出的IQ支路的能量進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)信噪比狀況較好時(shí)，由于信號(hào)此時(shí)可以等效為BPSK調(diào)制，只需選取IQ支路中能量較大的完成判決即可[9]，而不需要完成殘余相位的旋轉(zhuǎn)恢復(fù)，判決的流程與上面介紹的方法一致，根據(jù)碼速率和采樣率計(jì)算每個(gè)碼片的采樣點(diǎn)數(shù)，并選取中間位置進(jìn)行加和判決，最終得到授權(quán)碼流的解擴(kuò)結(jié)果。

當(dāng)信噪比狀況不好時(shí)，噪聲會(huì)影響信號(hào)的判決，此時(shí)需要使用相應(yīng)的聚類分析手段[10]，繪制相應(yīng)的零中頻信號(hào)的星座圖，利用C均值聚類的方法獲取信號(hào)調(diào)制的聚類中心點(diǎn)[11]，基本思路是將I、Q支路電平值組成的坐標(biāo)(I，Q)映射到直角坐標(biāo)系中，利用聚類分析的手段完成進(jìn)一步的處理，聚類分析的流程為，按照時(shí)間順序選取一個(gè)點(diǎn)計(jì)算與其距離小于0.3的其他采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，距離計(jì)算為：

如果個(gè)數(shù)大于某一門(mén)限，則作為第一個(gè)聚類中心，選取第2個(gè)點(diǎn)計(jì)算與其距離小于0.3的其他采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如果與已經(jīng)確定的聚類中心距離小于0.3，則歸屬于對(duì)應(yīng)的聚類中心[12]，如果與已經(jīng)確定的聚類中心距離大于0.3且周邊采樣點(diǎn)距離小于0.3的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)大于某一門(mén)限，則設(shè)定為下一個(gè)聚類中心，2個(gè)聚類中心(c1,d1)和(c2,d2)，選取2個(gè)聚類中心連線與橫軸的交角即為殘余的碼相位：

利用下式完成殘余碼相位的剝離：

式中，I(n)和Q(n)為去除旋轉(zhuǎn)相位前的復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部；I(n)和Q(n)為去除旋轉(zhuǎn)相位后的復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部，完成對(duì)數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)相位的去除后，最后利用信噪比狀況好的場(chǎng)景下的方法完成對(duì)數(shù)據(jù)的判決。

3 異頻點(diǎn)授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)方法

異頻點(diǎn)授權(quán)信號(hào)是指某一頻點(diǎn)的授權(quán)信號(hào)完全不包含任何的民用公開(kāi)信號(hào)，無(wú)法按照上述的方法完成同頻點(diǎn)的公開(kāi)信號(hào)的處理輔助完成解擴(kuò)，但是在該顆導(dǎo)航衛(wèi)星上存在同時(shí)發(fā)送且碼片起始時(shí)刻一致的其他頻點(diǎn)民用公開(kāi)信號(hào)[13]，此時(shí)可以利用相應(yīng)處理方法完成對(duì)異頻點(diǎn)授權(quán)信號(hào)的解擴(kuò)，這種信號(hào)的典型案例是GALIELO系統(tǒng)的E6頻點(diǎn)信號(hào)，E6頻點(diǎn)信號(hào)包括E6A，E6B，E6C信號(hào)[14]，其中E6B，E6C同頻點(diǎn)同相位[15]，可以整體上作為一個(gè)授權(quán)信號(hào)進(jìn)行處理，E6A采用BOC(15，2.5)調(diào)制方式，與E6B，E6C信號(hào)中心頻率相同，頻帶分布在1 278.75±5.115 MHz的頻帶范圍內(nèi)[16]，根據(jù)同頻點(diǎn)異頻帶授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)方法，只要能夠完成E6B+E6C的解擴(kuò)和跟蹤，就可以完成E6A的解擴(kuò)，下面介紹異頻點(diǎn)授權(quán)信號(hào)的解擴(kuò)方法。

異頻點(diǎn)授權(quán)信號(hào)的解擴(kuò)思路是利用其他頻點(diǎn)的公開(kāi)信號(hào)完成捕獲跟蹤，利用相應(yīng)的多普勒測(cè)量結(jié)果計(jì)算其他頻點(diǎn)多普勒結(jié)果[17]，并計(jì)算對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)與跟蹤的公開(kāi)信號(hào)頻點(diǎn)的電離層延遲誤差，從而完成異頻授權(quán)信號(hào)的獲取與判決，最終得到異頻授權(quán)信號(hào)碼流的解擴(kuò)[18]，基本的處理算法流程如圖3所示。

圖3 異頻點(diǎn)授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)算法

利用高增益天線完成相應(yīng)衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)跟蹤后，選取該衛(wèi)星另一頻點(diǎn)的公開(kāi)信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤，在跟蹤穩(wěn)定后，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的多普勒大小，并在對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的射頻前端處接收并剝離相應(yīng)頻點(diǎn)的授權(quán)信號(hào)的載波多普勒[19]，并完成本地民用接收信號(hào)向?qū)?yīng)授權(quán)信號(hào)頻點(diǎn)進(jìn)行變頻，變頻的計(jì)算方法如下：

S1(n)=S0(n)·e-j·2π·(f2+fd2-f1-fd1)n，

式中，S1(n)為民用信號(hào)頻點(diǎn)經(jīng)過(guò)信號(hào)發(fā)射帶寬濾波后得到的原始信號(hào)；f2為授權(quán)信號(hào)所在頻點(diǎn)；fd2為授權(quán)信號(hào)的多普勒值，利用多普勒的計(jì)算公式完成計(jì)算；f1為民用信號(hào)所在頻點(diǎn)；fd1為公開(kāi)信號(hào)的多普勒值，利用接收機(jī)的跟蹤環(huán)路跟蹤得到[20]。

然后進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理后，計(jì)算相應(yīng)授權(quán)信號(hào)頻點(diǎn)與公開(kāi)信號(hào)頻點(diǎn)的電離層延遲差值，從而完成信號(hào)碼片起始位置的修正[21]，最后完成對(duì)零中頻信號(hào)的判決，判決原理與前文所述一致，最終得到異頻授權(quán)信號(hào)的偽碼碼流。

4 仿真與驗(yàn)證

針對(duì)口徑為15 m的高增益定向天線采集的GPS，GALILEO，GLONASS信號(hào)進(jìn)行接收分析，利用上述方法[22-23]，完成了針對(duì)GPS系統(tǒng)L1M，L2M，L1P(Y)，L2P(Y)信號(hào)，GALILEO系統(tǒng)E1A，E6B+E6C，E6A信號(hào)以及GLONASS系統(tǒng)的L1P，L2P信號(hào)的碼流的解擴(kuò)與接收。不同的授權(quán)信號(hào)頻點(diǎn)使用的方法如表1所示。

表1 不同頻點(diǎn)的授權(quán)碼流解擴(kuò)方式

解擴(kuò)得到的碼流與信號(hào)相關(guān)得到的相關(guān)峰與理想仿真相關(guān)峰比較圖如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 GPS系統(tǒng)授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)測(cè)試結(jié)果

圖5 GALILEO系統(tǒng)授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)各授權(quán)信號(hào)的接收結(jié)果分析，可以充分驗(yàn)證提出的高增益授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)的方法是可行的。利用提出的方法，可以在信噪比大于15 dB的高增益接收?qǐng)鼍跋逻_(dá)到GNSS授權(quán)碼可靠判決接收，利用相應(yīng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，信噪比為15 dB的接收?qǐng)鼍?，授?quán)碼判決誤碼率為1×10-5，在某些大天線接收?qǐng)鼍跋?，完全可以完成?duì)GNSS授權(quán)信號(hào)的跟蹤接收，并播發(fā)相應(yīng)的授權(quán)信號(hào)觀測(cè)量信息，用戶接收機(jī)利用民用信號(hào)的電文信息和授權(quán)信號(hào)的測(cè)距信息完成對(duì)位置的解算。

圖6 GLONASS系統(tǒng)授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)GPS，GALILEO，GLONASS系統(tǒng)不同調(diào)制方式的授權(quán)信號(hào)進(jìn)行分析，針對(duì)不同授權(quán)信號(hào)提出相應(yīng)的高增益解擴(kuò)方法，并經(jīng)過(guò)實(shí)際工程的充分驗(yàn)證，得出提出的方法可以完成相應(yīng)授權(quán)碼流的解擴(kuò)輸出。未來(lái)可以考慮在相應(yīng)大口徑地面站采取相應(yīng)授權(quán)信號(hào)解擴(kuò)技術(shù)，獲取授權(quán)碼信號(hào)測(cè)距結(jié)果，并向周邊用戶提供相應(yīng)公開(kāi)信號(hào)的測(cè)距修正結(jié)果，從而提升GNSS系統(tǒng)的服務(wù)性能。