伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星E1 B偽碼跟蹤技術(shù)研究

王千喜，劉 巖，楊曉昆，翟羽佳，李秋鳳，胡 強(qiáng)

(中國(guó)航天科工信息技術(shù)研究院，北京100070)

1 引言

伽利略(Galileo)是歐洲的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，為民用用戶提供高精度有保證的全球定位服務(wù)。它可與當(dāng)前正在運(yùn)營(yíng)的兩個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS和GLONASS一起應(yīng)用于導(dǎo)航定位。全部部署完的伽利略系統(tǒng)包括30顆衛(wèi)星(27顆在軌運(yùn)行，3顆備用)，它們分別位于三個(gè)圓形的中地球軌道平面上，平面的平均軌道半長(zhǎng)軸為29601.297公里。參考赤道平面的軌道平面傾角為56度。

伽利略衛(wèi)星發(fā)送3種不同的CDMA信號(hào)，即E5、E6和E1，它們的載波頻率分別是1191.795MHz、1278.750MHz和1575.420MHz。E1信號(hào)的特性、BOC算法中的無(wú)模糊跟蹤鑒別器算法的參數(shù)推導(dǎo)仿真和利用此算法參數(shù)設(shè)計(jì)的伽利略接收機(jī)將在接下來(lái)的章節(jié)中被著重介紹。

2 伽利略E1信號(hào)

E1信號(hào)由E1-B和E1-C信號(hào)組成。如圖1所示。圖1中S1表示E1-B碼子載波a和E1-B碼子載波b分別乘以系數(shù)然后相加，S2表示E1-C碼子載波a和E1-C碼子載波b分別乘以系數(shù)然后相減。

伽利略在E1頻點(diǎn)上采用BOC調(diào)制方式。BOC調(diào)制方式使Galileo的信號(hào)與GPS的L1 BPSK信號(hào)避免了相互干擾，同時(shí)有著良好的抗多徑特性。

BOC信號(hào)的相關(guān)函數(shù)具有多個(gè)峰值，且只有中心最大峰才與相關(guān)對(duì)應(yīng)。邊峰幅值與中心幅值較接近，導(dǎo)致信號(hào)捕獲中的模糊性，并且跟蹤環(huán)路可能鎖住邊峰并產(chǎn)生跟蹤錯(cuò)誤。由于BOC信號(hào)多邊峰特性，其跟蹤方案與傳統(tǒng)擴(kuò)頻信號(hào)有所不同。

圖1 E1信號(hào)調(diào)制圖

BOC(1，1)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)如下［1］:

自相關(guān)函數(shù)，如圖2所示。

圖2 BOC(1，1)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)圖

對(duì)于一般信號(hào)而言，碼跟蹤環(huán)通常使用超前滯后環(huán)，經(jīng)典超前滯后環(huán)的誤差鑒別公式為:

n取1或2，D為超前支路和滯后支路之間的時(shí)間間隔。

由于通過(guò)上式計(jì)算所得的結(jié)果對(duì)信號(hào)幅度很敏感，所以也可以考慮使用歸一化計(jì)算公式:

歸一化鑒別器和非歸一化鑒別器圖如圖3和圖4所示。

圖3 BOC(1，1)信號(hào)的傳統(tǒng)超前減滯后歸一化鑒別器圖

圖4 BOC(1，1)信號(hào)的傳統(tǒng)超前減滯后沒有歸一化鑒別器圖

從圖3和圖4中可以看出，BOC(1，1)信號(hào)的傳統(tǒng)超前減滯后鑒別器不管是歸一化還是非歸一化都存在誤鎖點(diǎn)。

3 BOC的算法介紹和選用的算法參數(shù)仿真

3.1 關(guān)于BOC的算法介紹

目前關(guān)于BOC的算法很多，通過(guò)仿真分析得出表1。

表1 BOC算法

根據(jù)具體項(xiàng)目情況，選取相關(guān)函數(shù)處理方法中 的跟蹤鑒別器算法［2］，此算法為Fante提出的自相關(guān)函數(shù)線性化算法。

3.2 選用的算法參數(shù)仿真

把公式(1)做進(jìn)一步改進(jìn)，得到:

把公式(3)做進(jìn)一步改進(jìn)，得到:

如果能夠找到合適的系數(shù)a(m)使得誤差函數(shù)具有線性變化的形式:En(τ)=ατ或者 Sn(τ)=ατ，-T1＜τ＜T1，α為常數(shù)，2T1為相關(guān)函數(shù)最左與最右兩個(gè)峰之間的距離。把En(τ)作為例子，用最小化En(τ)和ατ之間的均方誤差的方法來(lái)計(jì)算a(m)。

計(jì)算a(m)使得下面等式成立:

定義如下向量:

為了使均方誤差δ最小化，那么系數(shù)向量a要滿足如下條件:

其中，

這樣可以對(duì)任意選擇的n，N和D都可以計(jì)算誤差函數(shù)En(τ)，因此可以推導(dǎo)出合適的參數(shù)。

但對(duì)于在公式(4)中定義的Sn鑒別器來(lái)說(shuō)，沒有簡(jiǎn)單的方法來(lái)計(jì)算系數(shù)a(m)，因此選用下面的計(jì)算式來(lái)計(jì)算a(m)。

如果當(dāng)m=1 to N時(shí)，a(m)=1+β(m-N)/N，

或者當(dāng)m=N+1 to 2N時(shí)，

其中β是一個(gè)任意常數(shù)，a(m)的值是對(duì)稱的。

計(jì)算出N=4，碼間距為0.25的一組參數(shù)，仿真圖如圖5和圖6所示。

圖5 BOC(1，1)信號(hào)的超前減滯后鑒別器圖

圖6 BOC(1，1)信號(hào)的超前減滯后鑒別器圖

這組參數(shù)的歸一化鑒別器輸出在碼片誤差在-1到1之間沒有誤鎖點(diǎn)，在碼片誤差在-0.35到0.35之間近似為線性變化，在碼片誤差在-0.1到0.1之間為線性變化。

4 接收機(jī)設(shè)計(jì)

利用此算法參數(shù)，一款伽利略接收機(jī)被設(shè)計(jì)完成，硬件器件主要包括射頻、FPGA和DSP。射頻實(shí)現(xiàn)下變頻;在FPGA中主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)器設(shè)計(jì);在DSP中實(shí)現(xiàn)環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)、伽利略信號(hào)電文的解碼、偽距的產(chǎn)生和PVT解算。其中為實(shí)現(xiàn)本方法，參數(shù)在FPGA中的一個(gè)通路中實(shí)現(xiàn)18個(gè)相關(guān)器，其中16個(gè)用來(lái)合成8路延遲門鑒相器，另外2個(gè)用于反正切鑒相器。如圖7所示。

圖7 BOC(1，1)信號(hào)跟蹤模塊結(jié)構(gòu)圖

輸入信號(hào)為經(jīng)過(guò)AD采樣量化后的信號(hào)，它被分成兩路，一路和本地載波發(fā)生器生成的同相載波相乘，另一路和本地載波發(fā)生器生成的正交載波相乘;相乘后它們又分別與本地BOC碼和本地碼發(fā)生器產(chǎn)生的9路延遲碼相乘，并且累加一個(gè)完整的本地碼周期(4 毫秒)，結(jié)果保存在 Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q7，Q8，Q9，I1，I2，I3，I4，I5，I6，I7，I8，I9 中。其中的 Q1，Q2，Q3，Q4，Q6，Q7，Q8，Q9，I1，I2，I3，I4，I6，I7，I8和I9送入到合成的8路延遲門鑒相器中，合成的8路延遲門鑒相器輸出鑒相結(jié)果到碼環(huán)跟蹤濾波器中，碼環(huán)跟蹤濾波器輸出的結(jié)果反饋到本地BOC碼和本地碼發(fā)生器來(lái)控制本地BOC碼和本地碼的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)碼的跟蹤。其中的Q5和I5送入到反正切鑒相器中，反正切鑒相器輸出的值送入到載波跟蹤環(huán)濾波器，然后濾波器輸出結(jié)果反饋到本地載波發(fā)生器來(lái)控制本地載波的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)載波的跟蹤。

為了測(cè)試接收機(jī)的性能，采用 SPIRENT STR8000信號(hào)源來(lái)測(cè)試。由于伽利略衛(wèi)星E1頻點(diǎn)信號(hào)最小到達(dá)地面功率為-127dBm(仰角大于10度)，為了更好地驗(yàn)證接收機(jī)性能，把 SPIRENT STR8000輸出信號(hào)功率設(shè)置為-128dBm，比實(shí)際伽利略衛(wèi)星E1頻點(diǎn)信號(hào)最小到達(dá)地面功率低。定位精度如圖8所示。從圖中可以看出大多數(shù)定位點(diǎn)在平面4米以內(nèi)，該跟蹤方法參數(shù)可行。

圖8 伽利略E1 B定位精度圖

5 結(jié)束語(yǔ)

利用一個(gè)多路相關(guān)器設(shè)計(jì)和合成的8路延遲門鑒別器結(jié)合應(yīng)用可以有效地去除跟蹤時(shí)由于BOC調(diào)制造成的邊峰影響，利用此方法參數(shù)設(shè)計(jì)的接收機(jī)具有很好的性能。

［1］ Julien O，C Macabiau，G Lachapelle，et al.A New UnambiguousBOC(n，n)Signal Tracking Technique［C］.CDROM Proceedings of the European Navigation Conference GNSS 2004，(Rotterdam，The Netherlands，16-19 May)，Session‘Signal’，12 pages.

［2］ Fante R L.Unambiguous Tracker for GPS Binary-Offset-Carrier Signals［C］.Proceedings of the 59th Annual meeting of the Institute of navigation and CIGTF 22nd Guidance Test Symposium，Albuquerque，NM，2003(6):141-145.