基于輔助環(huán)路的雙極性天線數(shù)據(jù)接收處理方法研究

劉暢，邰賀

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 引 言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，導(dǎo)航定位技術(shù)越發(fā)的成熟，我國(guó)北斗系統(tǒng)也即將完成全球化覆蓋，多系統(tǒng)多星座的情況對(duì)接收機(jī)的要求更高[1]。如今GNSS已經(jīng)成為幾乎不可替代的定位手段，在室外環(huán)境中能夠得到精度很高的定位結(jié)果，但是在一些遮擋嚴(yán)重的環(huán)境下獲取位置仍舊受制于信號(hào)的強(qiáng)弱和干擾。

GNSS的信號(hào)是一種右旋極化電磁波，由于信號(hào)的這一特性，接收天線的增益性能也會(huì)選擇為右旋極化[2]，然而實(shí)際上受到多路徑效應(yīng)的作用，接收信號(hào)會(huì)有一定的干擾，從而造成多路徑誤差，甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)失鎖。接收天線是數(shù)據(jù)得以獲取的大門鑰匙，獲取更多的環(huán)境信息對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理有很大的幫助。雙極性天線具備兩種獨(dú)立的增益性能，不僅可以接收右旋信號(hào)還可以同步接收左旋信號(hào)，對(duì)于GNSS測(cè)量信號(hào)而言，可認(rèn)為雙極性天線接收直射信號(hào)和反射信號(hào)，這樣便能夠分析反射信號(hào)的一些特性，這就是雙極性天線價(jià)值的體現(xiàn)，它增加了原始數(shù)據(jù)，更有益于分析處理。

對(duì)于雙信號(hào)的接收處理方法，則可以通過(guò)軟件接收機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。在軟件無(wú)線電的概念下，逐漸形成了以軟件形式實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的接收機(jī)[3]，特定環(huán)路的軟件接收機(jī)，更能適應(yīng)特定的環(huán)境，甚至能夠配合其他的硬件，在信號(hào)層面或者環(huán)路層面上取得更深層次的耦合。雙極性天線也可以配合軟件接收機(jī)，通過(guò)兩個(gè)天線的獨(dú)立處理或者聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，達(dá)到探測(cè)多徑、削弱多徑乃至輔助弱信號(hào)捕獲的效果[4～7]。本研究在軟件接收機(jī)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了一種雙信號(hào)處理輔助環(huán)路，探討是否可以利用雙極性天線進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，為未來(lái)多徑探測(cè)或弱信號(hào)捕獲提供研究依據(jù)。

2 雙極性天線數(shù)據(jù)接收的處理方法

2.1 信號(hào)特性

電磁波的極化方式定義為其電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的方向，一般通過(guò)右手來(lái)定義和判斷信號(hào)的方向特性，其中符合右手螺旋的稱為右旋圓極化(right-hand circular polarization，簡(jiǎn)稱為RHCP)，反之則為左旋圓極化(left-hand circular polarization，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)HCP)[7]。GNSS所使用的載波的極化特性便是右旋圓極化性質(zhì)。直射信號(hào)在經(jīng)過(guò)反射界面后，相應(yīng)的反射信號(hào)的極化性很有可能會(huì)發(fā)生變化，通常取決于反射體的布儒斯特角(Brewster)和電磁波的入射角度。GNSS信號(hào)經(jīng)反射后，若入射角大于布儒斯特角，則反射信號(hào)呈現(xiàn)為左旋圓極化，反之則呈現(xiàn)為右旋極化[2]。如果接收天線能收集到GNSS衛(wèi)星信號(hào)的極化性信息，那么就可以判斷該信號(hào)是否存在有反射的情況，甚至可以推斷出反射的次數(shù)，這樣也可以提供更多的輔助信息。雙極性天線是兼具左旋極化和右旋極化兩種增益性能的接收天線，在信號(hào)接收方面，雙極性天線有更好的使用前景，不僅可以接收右旋信號(hào)還可以同步接收左旋信號(hào)，為數(shù)據(jù)處理提供了更多的可能。

2.2 I/Q解調(diào)

信號(hào)的處理由接收機(jī)完成，在實(shí)現(xiàn)定位前，需要信號(hào)捕獲和環(huán)路跟蹤兩個(gè)步驟。以GPS為例，接收機(jī)在成功跟蹤信號(hào)前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲，一般通過(guò)接收的C/A碼與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，得到初始碼相位和載波頻率，然后啟動(dòng)跟蹤環(huán)路，動(dòng)態(tài)調(diào)整本地復(fù)制C/A碼和接收信號(hào)吻合，這樣就能將測(cè)量信息剝離開(kāi)。其中剝離信息主要體現(xiàn)為導(dǎo)航電文的解調(diào)，通常是采用I/Q解調(diào)方法。I支路也稱同相支路，是將輸入信號(hào)與本地復(fù)制的正弦載波信號(hào)進(jìn)行混頻所生成的環(huán)路分支；Q支路稱為正交支路，則是輸入信號(hào)與本地復(fù)制的余弦載波信號(hào)進(jìn)行混頻所生成的環(huán)路分支。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定信號(hào)后，I支路所包含的是導(dǎo)航電文和一些噪聲，而Q支路則基本上僅是噪聲。以GPS為例，假定中頻信號(hào)表示為SR，包含了經(jīng)過(guò)導(dǎo)航電文調(diào)制的C/A碼和載波，下角標(biāo)R表示為RHCP，其信號(hào)表達(dá)式如式(1)：

SR=ADk(t)Ck(t)cos(2πft+θe)+eR(t)

(1)

式中，Dk(t)代表著第k顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，Ck(t)代表著第k顆衛(wèi)星的C/A碼，f代表GPS的L1載波頻率，θe代表載波相位，eR(t)代表噪聲。通過(guò)本地C/A碼相關(guān)輸出結(jié)果進(jìn)行相干積分，可得到同相支路相干積分I和正交支路相干積分Q，分別表達(dá)為式(2)：

I=aDR(τ)sinc(feT)cos(φe)+eI

Q=aDR(τ)sinc(feT)sin(φe)+eQ

(2)

式中，R(τ)表示自相關(guān)值，fe是載波之間的頻率差，φe為相位差。理論上如果鎖定了信號(hào)，I與Q的值大致呈現(xiàn)圖1的分布，根據(jù)I值判定數(shù)據(jù)碼的電平，從而解調(diào)導(dǎo)航電文[2]。

圖1 I/Q支路分布圖

2.3 輔助環(huán)路

傳統(tǒng)接收機(jī)在信號(hào)捕獲后，通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)，對(duì)載波頻率誤差和偽碼相位的誤差進(jìn)行跟蹤，并動(dòng)態(tài)調(diào)整本地產(chǎn)生的載波頻率和碼相位，控制環(huán)路跟蹤誤差在一定閾值范圍內(nèi)。這種動(dòng)態(tài)調(diào)整的環(huán)路機(jī)制，可以確保接收信號(hào)中的測(cè)量信息能夠正確地獲取。雙極性天線同時(shí)獲取到RHCP信號(hào)與LHCP信號(hào)，其中RHCP信號(hào)可使用鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)跟蹤，然而LHCP信號(hào)是由原始信號(hào)經(jīng)物體反射后產(chǎn)生的，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有所損失，嚴(yán)重的甚至不能穩(wěn)地接收，在這種情況下，鎖相環(huán)無(wú)法正常工作，將無(wú)法獲取測(cè)量信息。因此提出一種輔助模式應(yīng)用到LHCP通道中，即由同步處理的RHCP通道傳遞給LHCP可用信息，如接收到的RHCP的衛(wèi)星信息，碼相位以及載波處理信息，同步輸送到LHCP通道直接進(jìn)行跟蹤，若LHCP信號(hào)較弱，則去掉其環(huán)路反饋；若LHCP信號(hào)較強(qiáng)，則保留環(huán)路反饋。從而輸出LHCP觀測(cè)值信息，其流程圖如圖2所示。

圖2 輔助環(huán)路流程圖

該輔助跟蹤環(huán)路為較弱的LHCP信號(hào)提供了RHCP信號(hào)剝離的信息，包括載波和碼相位的值，LHCP通道利用這些值對(duì)自身信號(hào)的測(cè)量值進(jìn)行剝離，從而代替了LHCP信號(hào)自身的跟蹤環(huán)路。這里假定了RHCP天線與LHCP天線的相位中心一致。在進(jìn)行輔助環(huán)路跟蹤時(shí)，我們可以利用兩個(gè)通道的信息，一方面可以輔助LHCP輸出觀測(cè)值，另一方面LHCP的跟蹤后得到的信息也可以反過(guò)來(lái)輔助RHCP通道的跟蹤，優(yōu)化多徑干擾下的環(huán)路。需要注意的是，輔助環(huán)路嚴(yán)格依靠RHCP提供的載波與碼相位，然而LHCP的信號(hào)并不能嚴(yán)格貼合RHCP環(huán)路反饋，因此會(huì)產(chǎn)生相關(guān)值的下滑以及I/Q解調(diào)后產(chǎn)生的相位偏轉(zhuǎn)，這也是需要注意的地方。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

本實(shí)驗(yàn)采用的雙極性天線為相同相位中心的天線，具備同時(shí)輸出RHCP與LHCP信號(hào)的能力，如圖3所示。

采用的平臺(tái)為USRP+MATLAB軟件接收機(jī)平臺(tái)[8]，其中雙子板USRP用來(lái)接收雙極性天線數(shù)據(jù)，因?yàn)楣灿猛粋€(gè)晶振，保證了天線數(shù)據(jù)采集位于同一時(shí)刻[1]，如圖4所示。

圖3同軸雙極性天線 圖4USRP

本實(shí)驗(yàn)在真實(shí)場(chǎng)地(圖5)離線采集了一段數(shù)據(jù)，采樣頻率為 2.048 M，存儲(chǔ)為復(fù)數(shù)形式 16 bit的文件。該環(huán)境附近存在一棟高大的建筑物，確保存在反射信號(hào)的可能。

圖5 數(shù)據(jù)采集場(chǎng)地

采集后的中頻數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB軟件接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖6為兩個(gè)通道RHCP通道和LHCP通道的獨(dú)立捕獲情況。

捕獲門限由原有的2.5更改為2.1，此時(shí)RHCP天線捕獲到7顆衛(wèi)星，LHCP天線捕獲到1顆衛(wèi)星，在接近門限值的衛(wèi)星有可能存在誤捕獲。實(shí)際上，LHCP信號(hào)不易捕獲且較為容易失鎖，圖7為L(zhǎng)HCP 12號(hào)衛(wèi)星獨(dú)立跟蹤結(jié)果圖。

其中，I/Q解調(diào)結(jié)果并沒(méi)有分離，相關(guān)值均偏小，導(dǎo)航電文無(wú)法得出，信號(hào)失鎖，在采用RHCP輔助LHCP結(jié)構(gòu)后，LHCP通道去除了捕獲部分，碼相位以及衛(wèi)星情況均由RHCP通道提供，直接進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，圖8為RHCP輔助LHCP輸出的12號(hào)衛(wèi)星的跟蹤信息。

圖6 獨(dú)立捕獲結(jié)果

圖712號(hào)衛(wèi)星LHCP跟蹤信息

圖8 12號(hào)衛(wèi)星LHCP輔助跟蹤

可以看出，輔助跟蹤的效果比較可觀，雖然I/Q存在一定的相位偏轉(zhuǎn)，和RHCP提供的載波相位有關(guān)，但是I支路信息較為明顯，導(dǎo)航電文可見(jiàn)，圖9為12號(hào)衛(wèi)星RHCP導(dǎo)航電文與輔助通道解算的LHCP導(dǎo)航電文對(duì)比圖，雖然結(jié)果正負(fù)值產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)但是導(dǎo)航電文完全一致。

除12號(hào)衛(wèi)星外，仍有幾顆衛(wèi)星可以通過(guò)輔助跟蹤解調(diào)出可用信息，如14號(hào)衛(wèi)星。圖10為14號(hào)衛(wèi)星RHCP輔助LHCP的跟蹤信息。

14號(hào)衛(wèi)星的輔助跟蹤情況同12號(hào)衛(wèi)星類似，I/Q解調(diào)分離清晰，導(dǎo)航電文比較明顯。同樣，說(shuō)明RHCP輔助LHCP通道是可行的。然而，并不是每顆衛(wèi)星都存在較強(qiáng)的LHCP信號(hào)，如18號(hào)衛(wèi)星輔助跟蹤效果就比較弱，雖然相關(guān)結(jié)果不高，但是也能體現(xiàn)出LHCP信號(hào)的存在，如圖11所示。此分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。

圖1014號(hào)衛(wèi)星輔助跟蹤信息

圖11 18號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息

4 結(jié) 論

利用雙極性天線的特性，提出了一種與其耦合的信號(hào)處理方法，即由RHCP通道輔助LHCP通道對(duì)信號(hào)跟蹤的環(huán)路，在軟件接收機(jī)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了雙信號(hào)的同步跟蹤和解調(diào)，并探討了該方法的可行性和有效性。雙極性天線從信號(hào)源入手增加了數(shù)據(jù)的廣度，為數(shù)據(jù)分析提取打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，該技術(shù)可以作為一種手段進(jìn)行探測(cè)多徑，輔助定位甚至計(jì)算信號(hào)的延遲，這些也是未來(lái)工作的重點(diǎn)。