最佳屏蔽二進(jìn)制序列偶在GPS系統(tǒng)的應(yīng)用

陳 明，蔣 挺

(北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

0 引言

在GPS通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星和地面的通信環(huán)境復(fù)雜，影響因素巨多，所以對(duì)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度的要求很高。而且，GPS通信信道涉及電離層、對(duì)流層、多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)等影響，所以系統(tǒng)對(duì)整體的噪聲很敏感。特別是在弱信號(hào)環(huán)境下，相關(guān)噪聲的效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響很大，因此通過對(duì)降低相關(guān)噪聲的研究來提升GPS弱信號(hào)下的捕獲性能。而大部分研究都是通過對(duì)捕獲方法的研究來提升捕獲性能。而本文的研究方向則是指向GPS系統(tǒng)中的擴(kuò)頻碼［1］。

最佳屏蔽二進(jìn)序列偶是一種具有優(yōu)良相關(guān)特性的離散信號(hào)［2］。在惡劣環(huán)境下，GPS系統(tǒng)的信號(hào)處于弱信號(hào)狀態(tài)，對(duì)于弱信號(hào)的捕獲通常采用非相關(guān)捕獲算法來實(shí)現(xiàn)，通過Simulink仿真結(jié)果可知，采用最佳屏蔽二進(jìn)序列偶可明顯降低相關(guān)噪聲。同時(shí)，實(shí)際檢測(cè)概率——GPS系統(tǒng)捕獲性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一——也可以達(dá)到實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。

1 最佳屏蔽二進(jìn)制序列偶

定義1:序列 x=(x0，x1，…，xN-1)的 p- 屏蔽序列 y=(y0，y1，…，yN-1)為［3］:

式中，p為序列x的屏蔽位數(shù)，如果xj={-1，1}，p-屏蔽序列y為p-屏蔽二進(jìn)序列，(x，y)為屏蔽二進(jìn)序列偶。

定義2:屏蔽序列偶 (x，y)的周期自相關(guān)函數(shù)為:

如果序列偶的周期自相關(guān)函數(shù)R(x，y)(m)滿足以下條件:

式中，E==N-p定義為最佳屏蔽序列偶的能量，則稱二進(jìn)序列偶 (x，y)為p個(gè)屏蔽位的周期最佳屏蔽二進(jìn)序列偶，簡(jiǎn)稱為最佳屏蔽二進(jìn)序列偶。

定理1:設(shè)偽隨機(jī)二進(jìn)序列為x，且將序列中的“-1”元素位置作為屏蔽位置，可得屏蔽二進(jìn)序列y，則屏蔽二進(jìn)序列偶 (x，y)為最佳屏蔽二進(jìn)序列偶。

證明請(qǐng)參照文獻(xiàn)［4］。

2 擴(kuò)頻碼在GPS系統(tǒng)中作用

GPS從根本上講是一個(gè)基于碼分多址(CDMA)的擴(kuò)頻(SS)通信系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)要求信號(hào)中的偽碼具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性能。GPS信號(hào)上存在著C/A碼和P(Y)碼2種測(cè)距碼，其中在載波L1上調(diào)制有C/A碼和P(Y)碼，而載波L2上只調(diào)制有P(Y)。而由于P(Y)構(gòu)造復(fù)雜，同時(shí)其構(gòu)造原理官方不對(duì)外開放，所以在民用 GPS領(lǐng)域，都是采用C/A碼。

C/A碼是一個(gè)Gold碼序列，其周期為1023即是210-1個(gè)碼片。每毫秒重復(fù)一周，因而其碼率為1.023*106碼片/s(即1.023 Mcps)，碼寬Tc約等于977.5 ns或293 m。每顆衛(wèi)星在其內(nèi)部的電路上有2個(gè)十級(jí)反饋移位寄存器，并首先由此產(chǎn)生一對(duì)碼率為1.023 Mcps、周期長(zhǎng)為1023碼片的m序列G1和G2，而這2個(gè)十級(jí)m序列的特征多項(xiàng)式如下［5］:

G2發(fā)生器并不將其最后一級(jí)寄存器的值作為輸出，而是通過相位選擇器選擇G2發(fā)生器中的2個(gè)寄存單元輸出，并將兩者異或相加后輸出一個(gè)G2的平移等價(jià)序列G2i。最后，m序列G1與平移等價(jià)m序列G2i的模2和Gi就成為一個(gè)PRN編號(hào)為i的衛(wèi)星所發(fā)射的C/A碼。不同PRN編號(hào)的衛(wèi)星采用不同的G2平移等價(jià)序列選擇，從而得到不同的G2i，并相應(yīng)地組合成不同的C/A碼Gi。

C/A碼的很大作用在于接收機(jī)需要通過C/A碼的特性來對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行捕獲處理，在接收機(jī)本地復(fù)現(xiàn)一個(gè)同樣的C/A碼，然后和接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。由于C/A的相關(guān)特性原因，當(dāng)本地C/A碼與信號(hào)中的C/A碼序列對(duì)齊時(shí)，將會(huì)有一個(gè)很大的沖擊出現(xiàn)，借此來捕獲衛(wèi)星信號(hào)。

3 在GPS中采用PPBSP的性能分析

在GPS系統(tǒng)中，偽碼的相關(guān)特性對(duì)系統(tǒng)的性能有重大的影響。所以，采用具有良好相關(guān)特性的最佳屏蔽二進(jìn)序列偶來作為GPS的擴(kuò)頻偽碼，能夠使系統(tǒng)具有良好的性能。

3.1 仿真系統(tǒng)介紹

通過使用仿真軟件Simulink搭建一個(gè)GPS的中頻接收系統(tǒng)來研究最佳屏蔽二進(jìn)制序列偶在GPS系統(tǒng)的性能狀況。仿真系統(tǒng)主要由2部分組成:中頻信號(hào)產(chǎn)生部分和信號(hào)捕獲部分。

圖1為GPS衛(wèi)星中頻信號(hào)產(chǎn)生模型，包括由2個(gè)PN序列產(chǎn)生器(PN Sequence Generator)模塊組合形成的C/A碼產(chǎn)生器。中頻的載波由正弦波功能模塊(Sine Wave Function)來產(chǎn)生，而衛(wèi)星的數(shù)據(jù)則是由一個(gè)隨機(jī)二進(jìn)制序列產(chǎn)生器來進(jìn)行模擬。同時(shí)，通過一個(gè)高斯白噪聲信道來模擬信道里面的噪聲情況。

圖1 衛(wèi)星中頻信號(hào)模型

圖2是捕獲部分的數(shù)學(xué)模塊，中頻信號(hào)通過信道之后，和本地的載波信號(hào)進(jìn)行相乘混頻，形成I和Q雙路，即是形成了正相和反相2路信號(hào)，然后再和本地的偽碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算［6］。

圖2 捕獲算法的數(shù)學(xué)邏輯圖

信號(hào)在捕獲部分的相干積分值I與Q可分別表達(dá)成:

式中，A為信號(hào)幅值，τ為接收偽碼相位與本地搜索碼相位的差異，fe為接收載波頻率與搜索頻率之間的差異，θ為兩載波之間的相位差異，nI與nQ分別代表在I支路與Q支路上均值為零且互不相關(guān)的正態(tài)噪聲。

所以，當(dāng)非相關(guān)積分?jǐn)?shù)目為1時(shí)，信號(hào)檢測(cè)量的值為:

當(dāng)檢測(cè)量V超過要求的檢測(cè)門限Vt時(shí)，可以判斷捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。圖3是進(jìn)行相干捕獲的結(jié)果狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)的相干結(jié)果超出了檢測(cè)門限時(shí)，代表著捕獲到了信號(hào)。

圖3 相干捕獲結(jié)果圖

3.2 最佳屏蔽二進(jìn)序列偶的系統(tǒng)性能分析

通過上面的系統(tǒng)模型，對(duì)最佳屏蔽二進(jìn)序列偶在系統(tǒng)中的性能做出仿真。通過使用定理1，可以很方便地將系統(tǒng)中的C/A轉(zhuǎn)換為最佳屏蔽二進(jìn)序列偶，然后在仿真結(jié)果中通過和C/A的性能做出對(duì)比，來研究最佳屏蔽二進(jìn)序列偶的性能。

首先是對(duì)噪聲均值的仿真結(jié)果分析，相干累計(jì)的結(jié)果和偽碼的相關(guān)值有關(guān)，最佳屏蔽二進(jìn)制序列偶的自相關(guān)函數(shù)里面，當(dāng)序列偶不對(duì)齊時(shí)，其自相關(guān)值為0。而C/A碼的自相關(guān)函數(shù)里面，序列不對(duì)齊時(shí)，其自相關(guān)值為歸一化的-1。所以，使用最佳屏蔽二進(jìn)序列偶的GPS系統(tǒng)的相關(guān)噪聲的均值比使用的C/A碼的均值要低，如圖4所示。

在GPS系統(tǒng)中，檢測(cè)概率是系統(tǒng)捕獲性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)這2種使用不同碼片的系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)概率的仿真，在每個(gè)設(shè)定的系統(tǒng)信道噪聲值下，進(jìn)行100次的相干捕獲行為，當(dāng)信號(hào)相關(guān)值超過捕獲閾值，則視為捕獲成功，再統(tǒng)計(jì)其檢測(cè)概率，具體結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，最佳屏蔽二進(jìn)制序列偶的捕獲概率在高信噪比部分和C/A碼一樣，基本等于1。而在低信噪比部分性能比C/A碼差些。這是由于最佳屏蔽序列偶的自相關(guān)的峰值比C/A碼的峰值低的緣故造成的，不過在工程上，這樣的性能能夠符合使用需求。

圖4 相干噪聲結(jié)果圖

圖5 檢測(cè)概率結(jié)果圖

4 結(jié)束語

首先介紹了最佳屏蔽二進(jìn)序列偶，然后通過對(duì)GPS系統(tǒng)的分析，把最佳屏蔽二進(jìn)制序列偶的引入到GPS系統(tǒng)中，代替以前的GPS系統(tǒng)使用的偽碼。通過建立一個(gè)GPS系統(tǒng)的捕獲模型系統(tǒng)對(duì)最佳屏蔽二進(jìn)序列偶進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，引入了最佳屏蔽二進(jìn)序列偶的GPS系統(tǒng)相關(guān)噪聲均值比系統(tǒng)原來的要低，同時(shí)其檢測(cè)概率也有良好的表現(xiàn)。這樣在那些需要控制相關(guān)噪聲的環(huán)境下，最佳屏蔽二進(jìn)序列偶可以發(fā)揮良好的作用。

［1］FILJAR R，ZAGREB KOS T，CICIN V.GPS Positioning Performance in the Wake of the Halloween 2003 Geomagnetic Storm［C］//ELMAR，2008.50th International Symposium，2008，1:385 – 388.

［2］LIANG Z H，JIANG T，ZHOU Z.Perfect Punctured Binary Sequence Pairs and Application in Frame Synchronization［C］//IEEE 6th CAS Symp.on Emerging Technologies:Mobile and Wireless Comm.Shanghai，China，2004，2:369 – 372.

［3］JIANG T，LI Z H，XU L，et al.Research on Construction of Perfect Punctured Binary Sequence Pairs and its Appli-cation in Spread Frequency Telecommunication［C］//Proceedings of the IEEE International Symposium on Communications and Information Technology，Bangkok，Thailand，2006:404-409.

［4］STADTER P A，DUVEN D J，KANTSIPER B L，et al.A Weak-signal GPS Architecture for Lunar Navigation and Communication Systems［C］//2008 IEEE Aerospace Conference，Big Sky，Montana，2008:1-11.

［5］ZIEDAN N I，GARRISON J L.Unaided Acquisition of Weak GPS Signals Using Circular Correlation or Double-Block Zero Padding［C］//IEEE Position，Location and Navigation Symposium(PLANS)，Monterey，CA，2004:461-470.

［6］CHANSARKAR M M，GARIN L.Acquisition of GPS Signals at Very Low Signal to Noise Ratio［C］//Proceedings of ION NTM 2000，Anaheim，CA:731-737.