星地鏈路的Cn頻段導(dǎo)航信號設(shè)計(jì)與測距性能分析

陳校非，盧曉春，王雪，克兢

星地鏈路的Cn頻段導(dǎo)航信號設(shè)計(jì)與測距性能分析

陳校非1,2,3，盧曉春1,2,3，王雪1,2,3，克兢1,2,3

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

Cn頻段是除L頻段外唯一受國際電聯(lián)保護(hù)的導(dǎo)航頻段，可以通過在Cn頻段開展導(dǎo)航業(yè)務(wù)解決目前L頻段所面臨的頻譜擁擠和易受干擾等問題。然而，Cn頻段的應(yīng)用也面臨著帶寬受限以及缺少Cn頻段星地鏈路測距性能驗(yàn)證等問題。為了解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了余弦滾降碼片成型的導(dǎo)航信號，以減輕對相鄰業(yè)務(wù)的干擾以及濾波器群時延非理想特性引入的測距偏差。并在此基礎(chǔ)上開展了基于星地鏈路的Cn頻段導(dǎo)航信號測距性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，Cn頻段導(dǎo)航信號測距性能與仿真結(jié)果整體趨勢一致，當(dāng)載噪比從49.30 dB-Hz下降到35.88 dB-Hz,其測距性能也從0.4842m降低到2.0310m。

Cn頻段；測距性能；帶寬受限；星地鏈路

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是現(xiàn)代社會必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，為人們提供導(dǎo)航、定位與授時服務(wù)。目前的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要在L頻段播發(fā)導(dǎo)航信號，但是由于L頻段頻譜擁擠，很難再提供多樣化的導(dǎo)航服務(wù)。另一方面，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號落地功率較低，易于受到干擾。而Cn頻段（5 010 ～ 5 030 MHz）作為除L頻段外，唯一受國際電聯(lián)（ITU）保護(hù)的導(dǎo)航頻段，其在新型導(dǎo)航服務(wù)、載波測距精度、電離層延遲以及易于陣列天線接收[1]等方面的優(yōu)勢，能夠很好地解決目前L頻段導(dǎo)航所面臨的問題，并與L頻段導(dǎo)航形成優(yōu)勢互補(bǔ)的導(dǎo)航業(yè)務(wù)。

在2000年，伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為了解決授權(quán)信號的兼容性問題，首先提出了將Cn頻段作為導(dǎo)航頻段并打算在該頻段上發(fā)射授權(quán)信號[2-3]。同時，M.Irsigler等[4-5]對于在Cn頻段開展導(dǎo)航服務(wù)的優(yōu)缺點(diǎn)和基本性能進(jìn)行了比較深入的研究。由于Cn頻段在空間鏈路傳輸?shù)乃p更大，因此與L頻段相比，在取得相同落地功率的條件下，Cn頻段需要更大的衛(wèi)星發(fā)射功率。而由于星上功率受限，并且設(shè)備的復(fù)雜度和造價較高，因此伽利略一代系統(tǒng)放棄了將Cn頻段作為導(dǎo)航服務(wù)頻段的計(jì)劃，但是明確說明將考慮在伽利略二代系統(tǒng)上搭載Cn載荷[6-7]。隨著技術(shù)的發(fā)展，以上問題將不再是嚴(yán)格的限制條件，作為重要的導(dǎo)航頻率資源，Cn頻段又被重視起來。G. W. Hein等[8]分析了在Cn頻段開展導(dǎo)航服務(wù)的可行性。艾國祥等[9]研究了利用Cn頻段提供高精度服務(wù)的可行性。J. Thomas等[10]通過地面測試對比分析了L頻段和Cn頻段的導(dǎo)航性能。嚴(yán)銀江等[11]給出了Cn頻段導(dǎo)航信號的雨衰特性分析。王瑛等[12]研究了Cn頻段導(dǎo)航技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用前景。孫巖博等[13]研究了L/C雙頻應(yīng)用的一種調(diào)制方式，李志蕓等[14]則對Cn頻段與其相鄰業(yè)務(wù)的兼容性進(jìn)行了研究和分析。但是，在這些研究中，缺少對Cn頻段星地鏈路測距性能的測試與分析。

本文針對Cn頻段導(dǎo)航帶寬受限的特性，設(shè)計(jì)了基于余弦滾降的碼片成型信號，以減小測距偏差和對相鄰業(yè)務(wù)的干擾，并以此為基礎(chǔ)針對Cn頻段導(dǎo)航鏈路的測距性能開展試驗(yàn)和測試?；谠O(shè)計(jì)的Cn頻段導(dǎo)航信號，利用轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星平臺開展了Cn頻段導(dǎo)航信號星地鏈路的測距性能測試，并提供了Cn頻段開展導(dǎo)航業(yè)務(wù)的測距性能分析結(jié)果，為將來在Cn頻段開展導(dǎo)航服務(wù)提供參考和支撐。

1 Cn頻段導(dǎo)航信號設(shè)計(jì)

1.1 頻點(diǎn)選擇

Cn頻段及其相鄰電信業(yè)務(wù)如圖1所示。從圖1可以看出，Cn頻段帶寬只有20 MHz，其上邊帶是微波著陸業(yè)務(wù)（MLS），下邊帶是射電天文業(yè)務(wù)（RAS）和伽利略系統(tǒng)上行鏈路。通常情況下，由于射電天文業(yè)務(wù)對帶外干擾有嚴(yán)格的要求，因此為了最大化Cn頻段的頻帶利用率以及減輕對射電天文業(yè)務(wù)的干擾，信號頻點(diǎn)應(yīng)該選擇Cn頻段中心處或者靠近中心點(diǎn)處向上邊帶偏移一些。

圖1 Cn頻段及其相鄰電信業(yè)務(wù)示意圖

另一方面，考慮到測距碼與載波頻率應(yīng)該同源，從而可以用載波輔助碼偽距測量提高測距精度，因此，載波頻率應(yīng)為測距碼頻率的整數(shù)倍。表1中列出了幾種備選的載波頻率。

從表1中可以看到，最接近中心頻率點(diǎn)的頻率為5 020.884 MHz，但是表1中只有2.046 MHz的碼頻率設(shè)計(jì)能夠滿足該條件，這為信號設(shè)計(jì)帶來了限制。而5 022.930 MHz不僅能夠滿足不同的測距碼速率條件下的整數(shù)倍關(guān)系，增加設(shè)計(jì)的靈活性，還相對于中心頻點(diǎn)向上邊帶偏移了2.930 MHz，能夠減小對射電天文業(yè)務(wù)的干擾，考慮到以上因素，在測試過程中，Cn頻段的中心頻點(diǎn)選擇了5 022.930 MHz。

1.2 信號設(shè)計(jì)

由于Cn頻段的帶寬只有20 MHz，因此綜合考慮頻譜利用率以及性價比后，考慮采用QPSK調(diào)制。QPSK分別在同相相位和正交相位上調(diào)制了不同的偽隨機(jī)碼，可以表示為

由于Cn頻段是一個帶寬受限的導(dǎo)航頻段，其上邊帶為微波著陸業(yè)務(wù)，下邊帶為射電天文業(yè)務(wù)，尤其是射電天文業(yè)務(wù)，對于帶外干擾信號的要求很嚴(yán)格，因此Cn頻段的導(dǎo)航信號需要考慮帶寬受限對于Cn頻段導(dǎo)航信號性能的影響。通常情況下，為了抑制Cn頻段對帶外業(yè)務(wù)的干擾需要通過濾波器對信號進(jìn)行濾波，但是一方面Cn頻段與相鄰射電天文頻段相隔較近，對于射頻濾波器的設(shè)計(jì)具有一定的難度；另一方面，濾波器非線性的群時延特性會引起導(dǎo)航信號相關(guān)峰的畸變，引入測距偏差，如圖2和圖3所示。

圖2 QPSK(5)信號及其濾波后的功率譜和基帶波形

圖3 QPSK(5)信號及其濾波后的星座圖和相關(guān)函數(shù)

圖2給出了采用12階切比雪夫?yàn)V波器濾波前后的功率譜和時域波形，圖3給出了濾波前后的星座圖和相關(guān)函數(shù)。從圖2和圖3可以看出，雖然濾波器濾除了帶外信號，但是其會引起時域信號的振鈴效應(yīng)，破壞了時域信號的對稱性，從而引起其相關(guān)函數(shù)的畸變，這種畸變會造成導(dǎo)航信號的測距偏差。

圖4給出了不同滾降系數(shù)的QPSK(5)-RC調(diào)制信號功率譜圖以及成型前后信號的時域波形圖。從圖4可以看出，經(jīng)過信號成形，會抑制帶外信號的泄露，同時由于成形信號是對稱的，不會造成時域波形的畸變。定義Cn頻段信號對射電天文頻段的干擾功率為

表2 不同滾降系數(shù)與未成型QPSK信號相比功率下降百分比

圖4 QPSK(5)-RC(α)信號功率譜和成型前后的時域波形

圖5給出了不同滾降系數(shù)的QPSK(5)-RC調(diào)制信號成型前后的星座圖和相關(guān)函數(shù)。從圖5可以看出，經(jīng)過成形后，信號相位不會發(fā)生較大的跳變，會趨于連續(xù)變化，因此能夠抑制帶外高頻分量，由于時域波形具有對稱性，因此不會引起相關(guān)函數(shù)的畸變，從而避免引入測距偏差。但是盡管隨著滾降系數(shù)的增加，能獲得更好的帶外信號抑制能力，也同時會造成相關(guān)函數(shù)尖峰變得平滑，從而影響其抗噪聲性能。

圖5 QPSK(5)-RC(α)信號成型前后的星座圖和成型后的相關(guān)函數(shù)

1.3 測距性能分析

根據(jù)測距精度公式，容易得到信號的理論測距性能[15]：

圖6 QPSK(5)-RC(α)信號及帶通QPSK信號在相關(guān)間隔為200 ns和20 ns條件下的測距精度

從圖6可以看出，在寬相關(guān)（相關(guān)間隔為200ns）條件下，帶通QPSK信號與不同滾降系數(shù)的QPSK-RC()信號具有相似的測距精度。但是隨著相關(guān)間隔的減小，在窄相關(guān)（相關(guān)間隔為20 ns）條件下，滾降系數(shù)為0.5和1.0的QPSK-RC()信號測距精度明顯要比帶通QPSK信號以及滾降系數(shù)為0.25的QPSK-RC()信號差。這是因?yàn)闈L降系數(shù)為0.5和1.0的QPSK-RC()信號相關(guān)峰頂端變得更為圓滑，降低了窄相關(guān)條件下信號的抗噪聲性能，從而引起了信號測距性能的惡化，在低載噪比條件下，這種惡化將達(dá)到0.2～0.7 m。

考慮Cn頻段的導(dǎo)航應(yīng)用，應(yīng)在不對信號測距性能產(chǎn)生嚴(yán)重惡化的條件下，盡量減少對相鄰業(yè)務(wù)的干擾，因此本次試驗(yàn)采用了QPSK(5)-RC(0.25)信號，使得在帶寬受限條件下，不引入額外的測距偏差，同時其窄相關(guān)測距性能也不會明顯惡化，也能夠降低對相鄰射電天文業(yè)務(wù)的干擾。

2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)的整體設(shè)備如圖7所示，包括：信號生成設(shè)備、發(fā)射天線、在軌衛(wèi)星、接收天線、接收設(shè)備以及數(shù)據(jù)分析設(shè)備。

圖7 試驗(yàn)設(shè)備與接口關(guān)系

在試驗(yàn)過程中，由信號生成設(shè)備產(chǎn)生QPSK(5)-RC(0.25)信號，并通過發(fā)射天線經(jīng)上行鏈路發(fā)射給在軌衛(wèi)星，經(jīng)在軌衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)射下行Cn頻段導(dǎo)航信號。于此同時，地面站的發(fā)射天線同時接收Cn頻段下行導(dǎo)航信號，并進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測信號正常并穩(wěn)定后，由地面接收設(shè)備通過全向接收天線接收Cn頻段下行導(dǎo)航信號，并對接收的信號進(jìn)行捕獲和跟蹤，輸出偽距值。然后將接收測量的偽距值傳給數(shù)據(jù)分析設(shè)備，經(jīng)由數(shù)據(jù)分析設(shè)備進(jìn)行分析，給出測試結(jié)果。圖8給出了試驗(yàn)過程中的信號生成設(shè)備與接收設(shè)備。圖9給出了在試驗(yàn)過程中，不同衛(wèi)星仰角下的監(jiān)測信號的頻譜圖。

圖8 參與試驗(yàn)的信號生成和接收設(shè)備

圖9 高、低仰角監(jiān)測信號頻譜圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇擬合多項(xiàng)式使得公式（9）達(dá)到最小

圖10 載噪比為49.30 dB-Hz和47.94 dB-Hz時QPSK(5)-RC(0.25)信號測距性能

圖11 載噪比為40.30 dB-Hz和37.11 dB-Hz時QPSK(5)-RC(0.25)信號測距性能

表3 Cn頻段QPSK(5)-RC(0.25)信號仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比

圖12 不同載噪比條件下測距性能的測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比

4 結(jié)語

針對Cn頻段導(dǎo)航帶寬受限的特性，本文設(shè)計(jì)了基于余弦滾降的碼片成型信號。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)信號能夠有效降低對帶外業(yè)務(wù)的干擾，同時減少了由于濾波器群時延特性不理想而引入的測距偏差。為了在窄相關(guān)條件下不對信號測距性能產(chǎn)生嚴(yán)重的惡化，設(shè)計(jì)的信號選擇了滾降系數(shù)為0.25的成型波形。同時，針對Cn頻段導(dǎo)航鏈路的測距性能驗(yàn)證問題開展了試驗(yàn)和測試，基于設(shè)計(jì)的Cn頻段導(dǎo)航信號，用轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星測試平臺，開展了基于星地鏈路的Cn頻段衛(wèi)星導(dǎo)航信號試驗(yàn)，測試了Cn頻段衛(wèi)星導(dǎo)航信號的測距性能，提供了利用Cn頻段開展導(dǎo)航試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，信號的測距性能與仿真結(jié)果整體趨勢一致，作為重要的導(dǎo)航業(yè)務(wù)頻率資源，在Cn頻段開展導(dǎo)航服務(wù)是可行的。

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Navigation signal design and ranging performance analysis of Cn band based on satellite-to-ground link

CHEN Xiao-fei1,2,3, LU Xiao-chun1,2,3, WANG Xue1,2,3, KE Jing1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Key Laboratory of Precise Positioning and Timing Technology, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

For the navigation services, the Cn band is the only priority frequency band and also protected by the ITU except for L band, thus Cn band can provide navigation services to solve problems of spectrum congestion and vulnerability to interference faced in L band. However, used Cn band for navigation still faces some problems such as limited-bandwidth and lack of satellite-to-ground link ranging performance test. To solve these problems, this paper designed the navigation signal with cosine roll-off chip forming, the purpose is to reduce interference to adjacent services and ranging bias introduced by filter with non-ideal characteristic group delay. Based on the designed signal, the Cn band navigation signal test is carried out with the satellite-to-ground link. The results show that the trend of the ranging performance by the Cn band signals is consistent with the simulation results, and while the carrier-to-noise ratio decreases from 49.30 dB-Hz to 35.88 dB-Hz, the ranging performance also dropped from 0.484 2 m to 2.031 0 m.

Cn band; ranging performance; limited-bandwidth; satellite-to-ground link

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-02-132-10

陳校非, 盧曉春, 王雪, 等. 星地鏈路的Cn頻段導(dǎo)航信號設(shè)計(jì)與測距性能分析[J]. 時間頻率學(xué)報(bào), 2021, 44(2): 132-141.

2020-11-04；

2021-01-18

二代導(dǎo)航重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（ZFS19001D（03））；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E007ZK1701）