Locata信號(hào)的捕獲機(jī)制研究與仿真

吳利軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安710000）

0 引言

傳統(tǒng)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)如：美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass系統(tǒng)、歐洲的Galileo系統(tǒng)和中國(guó)的北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)等，提供了一種基于衛(wèi)星測(cè)距的全方位、全天候的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于陸、海、空等場(chǎng)合，具有高精度授時(shí)、定位的功能。然而，上述所有系統(tǒng)為完成定位解算至少需要無障礙跟蹤四顆衛(wèi)星的信號(hào)，這在具有較多建筑的城市環(huán)境或者室內(nèi)環(huán)境中是一個(gè)挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，澳大利亞的Locata公司開發(fā)了一種新型的定位導(dǎo)航系統(tǒng)Locata。該系統(tǒng)具有的信號(hào)收發(fā)器、信號(hào)接收機(jī)和時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)使其可以獨(dú)立于傳統(tǒng)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)工作，也可以與其兼容工作，旨在實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用于任何環(huán)境、高精度、高可靠性和節(jié)約成本的目標(biāo)。目前該系統(tǒng)已在很多場(chǎng)合進(jìn)行了測(cè)試并驗(yàn)證了其可行性，如：Locata公司內(nèi)部測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)定位測(cè)試、橋梁的畸形監(jiān)控測(cè)試、鋼鐵工廠內(nèi)部進(jìn)行的室內(nèi)環(huán)境測(cè)試[1]。

由于Locata系統(tǒng)的信號(hào)收發(fā)器和信號(hào)接收機(jī)同處于距離較近的區(qū)域內(nèi)，因此其信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。同時(shí)，單一信號(hào)接收機(jī)接收位于不同位置的信號(hào)收發(fā)器時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的信號(hào)功率差異，該差異會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)所允許的范圍，從而產(chǎn)生信號(hào)捕獲的互相關(guān)現(xiàn)象，即所謂的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，而Locata系統(tǒng)采用的CDMA+TDMA信號(hào)結(jié)構(gòu)成功克服了信號(hào)捕獲造成的互相關(guān)效應(yīng)。本論文針對(duì)Locata系統(tǒng)采用的CDMA+TDMA信號(hào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)捕獲機(jī)制并進(jìn)行了相關(guān)matlab仿真，證實(shí)了該捕獲機(jī)制的有效性。

1 Locata系統(tǒng)組成與信號(hào)結(jié)構(gòu)

Locata系統(tǒng)主要由信號(hào)收發(fā)器和信號(hào)接收機(jī)組成。信號(hào)收發(fā)器由信號(hào)發(fā)射模塊和信號(hào)接收模塊組成，兩者的時(shí)鐘由同一晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)；信號(hào)接收機(jī)則由Locata公司根據(jù)系統(tǒng)的信號(hào)結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)GPS接收機(jī)做適當(dāng)修改和改進(jìn)而成。在運(yùn)行的初始階段，系統(tǒng)內(nèi)所有的信號(hào)收發(fā)器通過時(shí)間同步機(jī)制消除各自的時(shí)鐘誤差，最終形成一個(gè)時(shí)鐘誤差在皮秒數(shù)量級(jí)的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)該系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，信號(hào)接收機(jī)通過接收四顆以上信號(hào)收發(fā)器發(fā)射的信號(hào)以完成自身定位，定位精度可達(dá)厘米級(jí)。

為了克服由于信號(hào)收發(fā)器的距離差異帶來的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，Locata系統(tǒng)采用了CDMA和TDMA相結(jié)合的信號(hào)結(jié)構(gòu)。信號(hào)收發(fā)器的測(cè)距碼依然采用CDMA多址技術(shù)，其碼速率為GPS偽碼的10倍，碼周期為0.1毫秒；不同信號(hào)收發(fā)器的信號(hào)發(fā)射采用TDMA多址技術(shù)，Locata系統(tǒng)將1毫秒劃分為10個(gè)連續(xù)的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)100微秒，時(shí)隙之間無保護(hù)帶，10個(gè)信號(hào)收發(fā)器被分配到10個(gè)不同的時(shí)隙發(fā)射測(cè)距碼，構(gòu)成了一個(gè)TDMA時(shí)幀，信號(hào)發(fā)射器在不同TDMA時(shí)幀按照跳時(shí)圖案滑動(dòng)，200個(gè)TDMA時(shí)幀為一個(gè)超幀，系統(tǒng)以一個(gè)超幀為周期連續(xù)發(fā)射Locata信號(hào)，其信號(hào)組成如圖1所示[2]。Locata系統(tǒng)的載波調(diào)制則分成兩代，第一代系統(tǒng)的偽碼被調(diào)制在和GPS處于同一頻段的載波上，容易與傳統(tǒng)的GPS信號(hào)形成干擾，第二代系統(tǒng)的載波位于2.4GHz的專用頻段，消除了與GPS信號(hào)的干擾并無需向有關(guān)部門注冊(cè)[3]。

2 Locata信號(hào)的捕獲機(jī)制

傳統(tǒng)GPS信號(hào)的捕獲是一個(gè)搜索載波多普勒頻率和碼片相位的二維搜索過程，其捕獲框圖如圖2所示[4]。

數(shù)字中頻信號(hào)sIF（n）首先分別與接收機(jī)產(chǎn)生的正弦表和余弦表進(jìn)行混頻，然后再和接收機(jī)的C/A碼發(fā)生器進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)生i（n）和q（n）信號(hào)，其次i（n）和q（n）信號(hào)分別進(jìn)行相干積分產(chǎn)生I2和Q2信號(hào)，最后進(jìn)行非相干積分產(chǎn)生V信號(hào)。捕獲算法通過將V與Vt進(jìn)行比較來判斷捕獲幅值是否超過門限，如果V超過門限則聲明捕獲成功，接收機(jī)可以對(duì)當(dāng)前捕獲結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

i（n）和q（n）信號(hào)分別進(jìn)行相干積分可以表達(dá)為公式（1）、（2）：

其中，a代表信號(hào)的幅值，τ為接收C/A碼相位和與本地搜索C/A碼相位之間的碼片差異，R（·）代表最大值為1的C/A碼自相關(guān)函數(shù)，fe為接收載波頻率和本地搜索頻率之間的差異，Tcoh代表了相干積分時(shí)間，?e為兩載波之間的相位差異，n1和nQ分別代表了I支路和Q支路上均值為零且互不相關(guān)的正態(tài)噪聲。

I（n）和Q（n）信號(hào)進(jìn)行非相干積分產(chǎn)生信號(hào)可以表達(dá)為公式（3）：

其中，Nnc代表了非相干積分?jǐn)?shù)目。

由公式（3）可以看出，非相干積分幅值V主要受非相干積分?jǐn)?shù)目Nnc、頻率差異fe和相干積分時(shí)間Tcoh影響，而信號(hào)捕獲常用的非相干積分?jǐn)?shù)目Nnc通常為1，下面主要分析fe和Tcoh對(duì)Locata信號(hào)捕獲的影響。

由于Locata信號(hào)采用CDMA+TDMA的信號(hào)結(jié)構(gòu)，信號(hào)收發(fā)器每隔1毫秒在其時(shí)隙內(nèi)發(fā)射100微秒的信號(hào)。因此對(duì)該信號(hào)進(jìn)行捕獲時(shí)需采用100微秒的相干積分時(shí)間，即Tcoh為100微秒。在τ為0的情況下，非相干積分幅值隨著fe的變化呈sin c函數(shù)分布[5]，如圖3所示。

由圖3可以看出，頻率差異在較大頻率搜索范圍內(nèi)都具有較大的非相干積分幅值，由于接收機(jī)所允許容忍的最大頻率誤差fe通常設(shè)置為0.44/Tcoh，因此載波頻率和接收機(jī)復(fù)制載波頻率的差異在[-4400Hz 4400Hz]范圍內(nèi)都可以獲得較大的非相干積分結(jié)果。通常情況下，Locata系統(tǒng)的信號(hào)收發(fā)器布局為靜止模式，信號(hào)接收機(jī)可以根據(jù)實(shí)際需求布局在低動(dòng)態(tài)載體或高動(dòng)態(tài)載體中，考慮高動(dòng)態(tài)載體的最大運(yùn)動(dòng)速度為500m/s，此時(shí)信號(hào)收發(fā)器和信號(hào)接收機(jī)的多普勒頻移可以由公式（4）估算：

其中，v為信號(hào)接收機(jī)的最大運(yùn)動(dòng)速度，c為光速，f1為載波頻率。根據(jù)公式（4），將實(shí)際數(shù)值帶入，可計(jì)算出fe為4000Hz，處于接收機(jī)允許容忍的最大頻率誤差范圍內(nèi)。

根據(jù)上述分析，對(duì)Locata信號(hào)的捕獲可分碼片搜索和載波搜索兩個(gè)獨(dú)立階段。在碼片搜索階段，本地接收機(jī)復(fù)制一份沒有多普勒的本地載波與接收信號(hào)進(jìn)行混頻，然后接收機(jī)將本地1毫秒同樣劃分為10個(gè)時(shí)隙，分別進(jìn)行相干積分和非相干積分，最后接收機(jī)對(duì)該10個(gè)時(shí)隙的非相干積分幅值進(jìn)行比較，找出最大的非相干積分幅值和該幅值的所處時(shí)隙，當(dāng)該幅值V超過非相干積分幅值門限Vt時(shí)聲明碼片捕獲成功，并對(duì)該次捕獲結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)以消除假捕的可能性，否則，接收機(jī)延時(shí)半個(gè)碼片的時(shí)間重新開始碼片搜索。當(dāng)碼片捕獲成功后進(jìn)入載波搜索階段，本地接收機(jī)首先將多普勒搜索范圍[-4000Hz 4000Hz]以100Hz為搜索寬度劃分為81個(gè)區(qū)間并分別與接收信號(hào)進(jìn)行混頻，然后本地接收機(jī)按照聲明捕獲成功的碼片相位連續(xù)產(chǎn)生本地碼片并與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，分別求取其非相干積分幅值并比較其最大值，最后將載波多普勒值設(shè)置為最大非相干積分幅值所處的多普勒搜索區(qū)間。

該搜索算法的時(shí)間復(fù)雜度可以按照公式（5）計(jì)算：

其中，chip（n）為碼片的搜索次數(shù)，frequency（n）為載波多普勒的搜索次數(shù)。由于Locata信號(hào)的碼片長(zhǎng)度為1023，因此chip（n）為2046次；由于多普勒的搜索范圍為[-4000Hz 4000Hz]，因此frequency（n）為81次。則O（n）為2127次，即捕獲時(shí)間最大為2127毫秒。

3 仿真驗(yàn)

在前面對(duì)Locata信號(hào)的捕獲算法進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，使用計(jì)算機(jī)在matlab環(huán)境下對(duì)上述捕獲機(jī)制進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)設(shè)置如下：中頻信號(hào)采樣頻率為60MHz、中頻信號(hào)載波頻率為23MHz、碼片速率為10.23MHz、載波多普勒為0Hz、C/A碼從第17個(gè)碼片開始播發(fā)。

首先，matlab軟件仿真生成2毫秒長(zhǎng)的數(shù)字中頻信號(hào)，該數(shù)據(jù)按照第2小節(jié)的Locata信號(hào)結(jié)構(gòu)生成包含10個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)隙調(diào)制碼片速率為10.23MHz的C/A碼數(shù)據(jù)，其C/A碼片與GPS的1-10號(hào)星的偽碼碼型相同。

其次，對(duì)Locata信號(hào)的捕獲劃分為碼片搜索階段和載波搜索階段。假設(shè)要完成對(duì)7號(hào)星的信號(hào)捕獲，在碼片搜索階段，信號(hào)接收模塊仿真生成多普勒為0Hz的載波信號(hào)并與仿真生成的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行混頻，之后信號(hào)接收模塊仿真生成7號(hào)星的C/A碼并劃分成10個(gè)時(shí)隙，分別與混頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相干積分和非相干積分，搜索結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，信號(hào)接收模塊通過延時(shí)2012次操作，在其第6個(gè)時(shí)隙捕獲到7號(hào)星。

最后，在碼片搜索成功后轉(zhuǎn)入載波搜索階段。在該階段，信號(hào)接收模塊在[-4000Hz 4000Hz]的搜索范圍內(nèi)對(duì)載波按照100Hz的步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，搜索結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，載波多普勒在0Hz的情況下具有最大的非相干積分幅值。

4 總結(jié)與展望

本文通過分析Locata信號(hào)的捕獲特性，設(shè)計(jì)了一種時(shí)間復(fù)雜度較低的信號(hào)捕獲機(jī)制。該捕獲機(jī)制將對(duì)Locata信號(hào)的搜索劃分為碼片搜索階段和載波搜索階段，通過matlab仿真驗(yàn)證了該捕獲機(jī)制的有效性。但是，當(dāng)信號(hào)的載噪比較低時(shí)容易形成載波的頻率誤捕，因此，在以后的研究中需要在信號(hào)的跟蹤算法中將該頻率差異消除以獲得較高的跟蹤精度。

［1］Chris RIZOS,Yong LI,Nonie POLITI,Joel BARNES and Nunzio GAMBALE.Locata：A New Constellation for High Accuracy Outdoor and Indoor Posi-tioning.FIG Working Week 2011 Bridging the Gap between Cultures Marra-kech Morocco,18-22 May 2011.

［2］Locata Corporation Pty Ltd 111 Canberra Avenue GRIFFITH ACT 2607 Australia,ICD-LOC-100A,Locata Net Positioning Signal Interface Control Document 2011.

［3］J.Barnes,C.Rizos,M.Kanli,A.Pahwa.High accuracy positining using Locata’s next generation technology.Locata Corporation Pty Ltd,401 Clunies Ross Street,Acton,ACT 2601,Australia.

［4］謝剛.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012,p：358.

［5］呂紅麗,姚昱萱.一種新型的多址導(dǎo)航信號(hào)體制研究[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2012,4(2)：79-86.