BOC調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)關(guān)鍵技術(shù)研究

楚恒林,李春霞

(北京環(huán)球信息中心,北京100094)

0 引言

BOC調(diào)制能將共用一個(gè)發(fā)射頻率的信號(hào)頻譜分開,實(shí)現(xiàn)共用載波頻率條件下的頻譜分離。同時(shí)BOC調(diào)制作為一種導(dǎo)航信號(hào)體制,具有良好的抗多徑和抗干擾性能。BOC調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜隔離是美國GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的主要內(nèi)容,是美軍提升GPS導(dǎo)航戰(zhàn)能力的主要措施,是實(shí)現(xiàn)軍民復(fù)用導(dǎo)航信號(hào)體制的核心。

隨著Compass系統(tǒng)、美國GPS系統(tǒng)、歐洲Galileo系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的開發(fā)、部署和升級(jí),有限的導(dǎo)航頻率成為了稀缺資源,多系統(tǒng)之間的兼容性(Compatibility)和互操作性(Interoperability)成為日益重要的一個(gè)論題。如何在滿足軍事應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上兼顧民事應(yīng)用需求,同時(shí)又滿足與其他系統(tǒng)的兼容性和互操作性要求,成為當(dāng)前信號(hào)體制研究亟待解決的問題。

1 BOC調(diào)制技術(shù)

調(diào)制方式包含2個(gè)方面:擴(kuò)頻碼調(diào)制和信號(hào)合成。GPS現(xiàn)代化信號(hào)結(jié)構(gòu)中,新增加了3種L波段信號(hào),分別是Block IIR-M衛(wèi)星L2頻率上增加民用L2C信號(hào)、在Block IIF衛(wèi)星上增發(fā)第3個(gè)民用L5信號(hào)以及在Block IIR-M衛(wèi)星的L1和L2上新增的現(xiàn)代化軍用BOC(10,5)的M碼。未來還將在Block III衛(wèi)星L1頻段上播發(fā)BOC調(diào)制的L1C信號(hào)。GPS系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 GPS系統(tǒng)信號(hào)結(jié)構(gòu)

Galileo在E5a和E2-L1-E1上Galileo信號(hào)將分別采用與GPS的L5和L1相同的頻率。Galileo信號(hào)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 Galileo信號(hào)結(jié)構(gòu)

1.1 BOC調(diào)制

BOC(Binary Offset Carrier),二進(jìn)制偏置載波調(diào)制,是在GPS現(xiàn)代化和Galileo系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出的一種新的調(diào)制方式。基本原理是在原有的BPSK調(diào)制基礎(chǔ)上,再增加一個(gè)二進(jìn)制副載波(目前主要是由正弦或余弦型符號(hào)函數(shù)構(gòu)成的副載波,即形似sgn(sin(t))或sgn(cos(t)),以正弦或余弦信號(hào)為參數(shù)的符號(hào)函數(shù))。這種調(diào)制方式的特點(diǎn)是,其功率譜的主瓣分裂成對(duì)稱的兩部分,根據(jù)選擇的參數(shù)不同,2個(gè)偏移頻譜的距離也可調(diào)整。常用BOC(m,n)的形式表示,其中m為副載波頻率,n為擴(kuò)頻碼速率。

BOC調(diào)制是Jhon W.Betz最先提出的。GPS采用BOC的主要目的是實(shí)現(xiàn)軍民頻譜分離,確保軍用的安全。在Galileo系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,采用BOC調(diào)制,可能的主要原因是與GPS的信號(hào)分離。由于導(dǎo)航頻段資源的限制,最理想的頻率資源已被GPS占了,根據(jù)美歐談判,Galileo信號(hào)必須避開GPS信號(hào),只有采用BOC分離頻譜才能解決問題。因此推測(cè),Galileo BOC信號(hào)的設(shè)計(jì)的輸入條件之一,實(shí)際是信號(hào)功率譜賦形的一種反推過程,可能是根據(jù)實(shí)際需要而生成的一種調(diào)制方式。

1.1.1 MBOC調(diào)制

MBOC由Guenter W.Hein領(lǐng)導(dǎo)的信號(hào)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和Jhon W.Betz領(lǐng)導(dǎo)的Galileo信號(hào)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)共同提出的。MBOC是一種信號(hào)復(fù)用的統(tǒng)稱,其具體實(shí)現(xiàn)目前主要有2種:CBOC和TMBOC。CBOC是根據(jù)BOC(1,1)和BOC(6,1)不同的功率(幅值)權(quán)重構(gòu)成的4電平符號(hào)來實(shí)現(xiàn),是幅值的復(fù)合實(shí)現(xiàn)。TMBOC類似時(shí)分復(fù)用,即在規(guī)定的一組碼片長(zhǎng)度里固定的幾個(gè)位置是BOC(6,1),其他位置都是BOC(1,1)。

MBOC(6,1,1/11)功率譜密度由BOC(1,1)功率譜密度和BOC(6,1)功率譜密度按一定的比例混合而成,可以表示為:

式中,GBOC(m,n)(f)為BOC(m,n)的歸一化功率譜密度。

根據(jù)IS-GPS-800定義,GPS L1C信號(hào)采用TMBOC實(shí)現(xiàn)MBOC,其定義為數(shù)據(jù)通道采用BOC(1,1),導(dǎo)航通道采用TMBOC(6,1,4/33),由BOC(1,1)和BOC(6,1)時(shí)分構(gòu)成,比例為4/33,數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)航通道的功率比為1∶3,可以表示為:

1.1.2 AltBoc調(diào)制

AltBOC是Galileo系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種很有意義的調(diào)制方式,調(diào)制方式為四信號(hào)復(fù)用,具備了很明顯的同載波恒包絡(luò)調(diào)制的特點(diǎn)。能將4個(gè)信號(hào)調(diào)制在一個(gè)頻點(diǎn)上,并且增加了4個(gè)互調(diào)項(xiàng)信號(hào)以保證合成信號(hào)的恒包絡(luò)特性。

常規(guī)AltBOC調(diào)制中,信號(hào)由兩部分構(gòu)成。第一部分為復(fù)信號(hào)eb(t)=eb-I(t)+j?eb-Q(t)乘以復(fù)方波er(t)=cr(t)+j?sr(t),其中cr(t)和sr(t)分別為余弦和正弦的符號(hào)函數(shù);第二部分為復(fù)信號(hào)ea(t)=ea-I(t)+j?ea-Q(t)乘以復(fù)方波er(t)的共軛e*r(t)=cr(t)-j?sr(t)。

Galileo的AltBOC信號(hào)更為復(fù)雜。

1.2 BOC信號(hào)合路

信號(hào)合路指通過某種方式將同一頻點(diǎn)的多個(gè)已調(diào)制的導(dǎo)航信號(hào)合路輸出。一個(gè)頻點(diǎn)存在2個(gè)導(dǎo)航信號(hào)時(shí),采用恒定包絡(luò)正交調(diào)制,如GPS L1頻率上的C/A和P(Y)碼。如果同一個(gè)頻點(diǎn)存在3個(gè)或3個(gè)以上的導(dǎo)航信號(hào),例如GPS L1頻點(diǎn)新增M碼,合路方式就需要重新研究。

1.2.1 目前合路調(diào)制方式

(1)分開發(fā)射

將M碼與C/A和P(Y)碼分開發(fā)射,M碼使用獨(dú)立的調(diào)制器、放大器和天線,對(duì)原來的 C/A和P(Y)信號(hào)不造成影響,但在衛(wèi)星上增加一個(gè)獨(dú)立的天線和放大器來簡(jiǎn)化調(diào)制設(shè)計(jì)不可行。

(2)直接調(diào)制

將M碼直接調(diào)制到同相或正交支路上。M信號(hào)由軍用數(shù)據(jù)信號(hào)和擴(kuò)頻碼相乘得到:dM(t)CM(t),如果將M信號(hào)線性疊加到現(xiàn)有基帶信號(hào)的正交分量上,則

復(fù)合信號(hào)已不再是恒定包絡(luò)。當(dāng)信號(hào)通過非線性放大器時(shí),由于信號(hào)幅度的變化會(huì)引起幅度和相位畸變,除非當(dāng)信號(hào)進(jìn)入功率放大器飽和區(qū)域,功率放大器可以返回到線性工作區(qū)域,但在這樣處理會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)dB的功率損失。

(3)硬限幅(Hard-limiting)

Hard-limiting方式通過將幅度變化限制在最小范圍內(nèi),把非恒定包絡(luò)信號(hào)“變成”恒定包絡(luò)信號(hào)。在M碼與C/A功率相同的情況下,這種方法大約會(huì)導(dǎo)致0.8 dB的合路損失。確切的損失功率與M碼與C/A和P(Y)碼3個(gè)信號(hào)功率的平衡性密切相關(guān),但是,理想的信號(hào)平衡性是很難達(dá)到的。

(4)多邏輯判決(Majority Voting)

Majority Voting是將M碼與C/A和P(Y)碼通過擇多邏輯合并。這種方法是采用時(shí)分復(fù)用方式,同相和正交信號(hào)單獨(dú)以恒定包絡(luò)形式發(fā)射。這種方法的缺點(diǎn)是,合并過程中,M碼與C/A和P(Y)碼功率相等情況下,每個(gè)碼元有1.25 dB的擇多邏輯合路損失。

針對(duì)以上合路方式的缺點(diǎn),提高調(diào)制效率,降低衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,Galileo采用了Interplex和AltBoc調(diào)制實(shí)現(xiàn)三信號(hào)和四信號(hào)的同頻調(diào)制,而GPS采用了相干自適應(yīng)副載波調(diào)制(CASM)實(shí)現(xiàn)多信號(hào)的同頻調(diào)制。

1.2.2 改進(jìn)的調(diào)制方式

(1)Interplex調(diào)制

Interplex調(diào)制是一種相移鍵控/相位調(diào)制方式(PSK/PM),其表達(dá)形式為:

式中,P為總的平均功率;θ(t)為調(diào)制相位;φ為隨機(jī)相位。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用中,相位調(diào)制可以表示為:

式中,sn(t)=±1;N為信號(hào)個(gè)數(shù);βn為調(diào)制角度或調(diào)制系數(shù)。

以伽利略E1信號(hào)為例,3個(gè)信號(hào)復(fù)用同樣的載波:s1信號(hào)位于正交通道;s2和s3信號(hào)位于同相通道。這樣由3個(gè)信號(hào)組成的交叉復(fù)用信號(hào)可以表示為:

將式(9)展開可以得到:

其中前3項(xiàng)對(duì)應(yīng)于所需要的信號(hào)s1、s2和s3,第4項(xiàng)為不需要的交調(diào)項(xiàng),該交調(diào)項(xiàng)為由調(diào)制系數(shù)β2和 β3平衡的3個(gè)有效信號(hào)的乘積,就像在常數(shù)AltBOC調(diào)制一樣,即使Interplex調(diào)制允許獲得恒包絡(luò),該交調(diào)項(xiàng)任然消耗了用于傳輸3個(gè)有用信號(hào)功率的一部分,但是相對(duì)于AltBOC來說,可以通過調(diào)整調(diào)制系數(shù)最小化交調(diào)項(xiàng)所消耗的功率。

(2)相干自適應(yīng)副載波調(diào)制

CASM是一種恒定包絡(luò)相干自適應(yīng)副載波合路方式。采用CASM合路方法可使軍碼捕獲、跟蹤的正交多路信號(hào)調(diào)制到GPS的L1/L2載波上。

CASM并不是用副載波信號(hào)直接調(diào)制載波,而是通過引入二進(jìn)制數(shù)據(jù)和碼分離函數(shù),αd,βc來預(yù)乘載波數(shù)據(jù)和調(diào)制碼。在單一副載波方式中,相位φ(t)由副載波信號(hào) Θ(t)修正,Θ(t)定義為:

式中,φs(t)為角頻率為 ωs=2πfs的周期副載波信號(hào)(正弦波、方波或三角波等);m為調(diào)制指數(shù);ds(t)為副載波數(shù)據(jù)信息;Cs(t)為非歸零碼(NRZ)偽隨機(jī)噪聲(PRN),碼率為RCs、φs是復(fù)合副載波信號(hào)。

CASM的相位調(diào)制信號(hào)表示為:

同相分量包絡(luò)為:

正交分量包絡(luò)為:

經(jīng)過修正的副載波包絡(luò)為:

由于副載波調(diào)制信號(hào)對(duì)S0(t)的I0(t)和Q0(t)兩個(gè)分量分別進(jìn)行相位調(diào)制,所以信號(hào)的包絡(luò)是獨(dú)立于 Θ(t)的選擇。

基于上述,可以用CASM來調(diào)制寬帶M碼來提高效率。正交和同相信號(hào)的功率比、碼字和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的分布及M碼特性都可以通過m、PI、PQ和二進(jìn)制分離函數(shù) αd和βc的調(diào)節(jié)得到。

2 BOC調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)性能分析

BOC調(diào)制信號(hào)導(dǎo)航性能方面主要包括偽碼跟蹤性能和抗多徑誤差能力等。

2.1 跟蹤性能

偽碼跟蹤性能由輸入載噪比、相關(guān)積分時(shí)間和偽碼信號(hào)的均方根帶寬決定,而偽碼信號(hào)的均方根帶寬與調(diào)制方式、碼率和信號(hào)帶寬3項(xiàng)因素有關(guān)。GPS偽碼跟蹤熱噪聲誤差如表3所示。

表3 GPS偽碼跟蹤熱噪聲誤差表

由結(jié)果可見:M碼與民碼相比,噪聲誤差小一個(gè)數(shù)量級(jí);M碼與原來采用BPSK調(diào)制的軍碼P(Y)碼相比,盡管碼率降低了一半,噪聲誤差僅為原來的1/5。BOC信號(hào)與BPSK信號(hào)相比具有較大的均方根帶寬,因而具有更高的偽碼測(cè)距精度。Galileo接收機(jī)偽碼跟蹤熱噪聲誤差如表4所示。

表4 Galileo接收機(jī)偽碼跟蹤熱噪聲誤差表

由結(jié)果可見,用于PRS服務(wù)的E6A和E1A信號(hào)的精度與GPS M碼的精度相當(dāng)或更好。用于CS服務(wù)的E6B/E6C信號(hào)和OS/CS/SoL服務(wù)的E1B/E1C信號(hào)的精度比GPS第二民用信號(hào)和C/A碼的精度提高了2～3倍。

2.2 多徑抑制性能分析

偽碼跟蹤誤差與偽碼延時(shí)鎖定環(huán)(DLL)鑒相器的類型有關(guān)。設(shè)采用相干偽碼時(shí)延跟蹤環(huán),不考慮碼環(huán)噪聲的理想情況下其穩(wěn)態(tài)方程為:

式中,ε為多徑引起的偽碼跟蹤誤差;d為碼環(huán)鑒相器早碼與晚碼之間的間隔;R(?)為碼相關(guān)函數(shù);M為多徑信號(hào)的數(shù)目;αk、τk、δk分別為第k路多徑信號(hào)相對(duì)直達(dá)信號(hào)的幅度、相位和時(shí)延。

在給定多徑信號(hào)的條件下,多徑誤差ε的大小可由上述方程求解得出。由該方程,多徑誤差ε的大小與多徑信號(hào)相對(duì)于直達(dá)信號(hào)的幅度、相位和時(shí)延有關(guān),還與偽碼信號(hào)相關(guān)函數(shù)形狀有關(guān)。由于不同調(diào)制類型偽碼信號(hào)相關(guān)函數(shù)不同,它們的多徑誤差與時(shí)延關(guān)系不同。

給定多徑時(shí)延和幅度條件下,改變多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)之間的相對(duì)相位 φ,φ=0°和φ=180°分別對(duì)應(yīng)于正包絡(luò)和負(fù)包絡(luò)。多徑包絡(luò)在給定DLL的條件下,取決于偽碼信號(hào)類型、多徑信號(hào)相對(duì)于直達(dá)信號(hào)的幅度和時(shí)延。

采用早晚相關(guān)器間隔d=0.1的相干偽碼DLL條件下,5.115 MHz、10.23 MHz BPSK信號(hào),BOC(15,10)、BOC(10,5)信號(hào)多徑包絡(luò)與多徑時(shí)延的關(guān)系曲線如圖1所示。

由此可見:

①BOC信號(hào)多徑誤差比BPSK信號(hào)小。采用BOC調(diào)制,即使碼率稍小,也可能取得比BPSK調(diào)制更小的多徑誤差;

②對(duì)于BPSK信號(hào),碼率越大多徑誤差越小;

③對(duì)于BOC信號(hào),副載波頻率越大,碼率越大,多徑誤差越小。

圖1 4種偽碼信號(hào)多徑包絡(luò)與多徑時(shí)延關(guān)系曲線

理論分析如下:①經(jīng)BOC調(diào)制后偽碼信號(hào)峰值變尖銳;②偽碼信號(hào)自相關(guān)函數(shù)隨著碼率的增大主瓣變尖銳;③副載波頻率越大,碼率越大,BOC信號(hào)自相關(guān)函數(shù)主瓣峰值越尖銳。主瓣越尖銳,DLL鑒相器輸出誤差信號(hào)隨輸入的變化越敏感,碼跟蹤多徑誤差越小。

3 結(jié)束語

BOC調(diào)制信號(hào)在相同碼速率條件下比BPSK調(diào)制信號(hào)具有多徑誤差小、碼跟蹤熱噪聲誤差小的優(yōu)點(diǎn),是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)體制設(shè)計(jì)下一步方向和熱點(diǎn)。但同時(shí)由于采用BOC調(diào)制,復(fù)合信號(hào)不再是恒定包絡(luò),相關(guān)器鑒相曲線中存在多個(gè)穩(wěn)定點(diǎn),因此,在衛(wèi)星調(diào)制器中調(diào)制信號(hào)合路和接收機(jī)偽碼捕獲和偽碼跟蹤具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)中,還面臨許多新的問題,需要深入研究。

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