一種基于通信衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)方法

胡 毅宋茂忠 黨小宇

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 210016 南京)

一種基于通信衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)方法

胡 毅*宋茂忠 黨小宇

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 210016 南京)

該文提出一種利用地球同步軌道(GEO)通信衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)的方法。在信號(hào)發(fā)射端，利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)直接序列擴(kuò)頻(DSSS)的低功率信號(hào)特性，在滿足一定通信信號(hào)誤碼率(BER)要求的前提下，將導(dǎo)航中心產(chǎn)生的功率受控弱衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)在所選GEO衛(wèi)星通信頻段上進(jìn)行載波調(diào)制與轉(zhuǎn)發(fā)。而在接收端，利用頻移(FRESH)濾波器以及一定的自適應(yīng)信號(hào)抵消算法，可有效去除強(qiáng)通信信號(hào)的干擾并分離出弱衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)。仿真結(jié)果表明，對(duì)于分離出的弱衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，在其對(duì)應(yīng)的功率控制范圍內(nèi)可具有較好的跟蹤與捕獲性能，由此也驗(yàn)證了所提方法的有效性。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)；地球同步軌道通信衛(wèi)星；導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)；頻移濾波器

1 引言

對(duì)于當(dāng)前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于衛(wèi)星的高軌特性以及導(dǎo)航頻率的公開性，在一些特殊場(chǎng)合如戰(zhàn)場(chǎng)或局部沖突區(qū)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)可能會(huì)受到嚴(yán)重的干擾和壓制。而在另一些場(chǎng)合如密林或“城市峽谷”[1]中，由于樹木和建筑物的遮擋，也會(huì)使得到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重的衰減，或使可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)變少。在這些情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的導(dǎo)航定位性能就會(huì)受到嚴(yán)重影響，并進(jìn)而影響到最終的導(dǎo)航定位結(jié)果。因此，研究非常規(guī)場(chǎng)合下衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的增強(qiáng)方法，也就顯得非常必要和極具實(shí)際意義。

目前對(duì)于特殊場(chǎng)合下的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的增強(qiáng)方法主要有偽衛(wèi)星[2,3]，輔助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Assisted Global Navigation Satellite System, A-GNSS)[4]以及利用信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)[5-7]等。對(duì)于偽衛(wèi)星，其主要應(yīng)用于一些高精度導(dǎo)航場(chǎng)合如機(jī)場(chǎng)或飛行器著陸的引導(dǎo)等[8]。另外，在一些衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)達(dá)不到的地方如礦井和室內(nèi)等，也可利用偽衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)局部導(dǎo)航。該方法的主要缺點(diǎn)是具有“遠(yuǎn)近效應(yīng)”[9]。對(duì)于A-GNSS，在通信信號(hào)輔助下，其定位速度相對(duì)較快，但易受通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的影響是其一個(gè)重要不足。而對(duì)于利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)，目前在國(guó)內(nèi)外也得到了廣泛的研究和應(yīng)用，典型的有中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System, CAPS)[5-7,10]等。對(duì)于這種轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)由于相對(duì)于直播式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多一個(gè)上行鏈路，因而需要考慮的時(shí)間誤差因素較多。但其一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是在地面導(dǎo)航測(cè)控站的控制下，非常容易實(shí)現(xiàn)換星和轉(zhuǎn)換信號(hào)頻段，而且其既可以利用單獨(dú)的地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)衛(wèi)星，也可寄生在其它衛(wèi)星上來(lái)實(shí)現(xiàn)，如CAPS系統(tǒng)就是利用退役的GEO通信衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)的[11]。實(shí)踐表明，這種轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)改善星座結(jié)構(gòu)，提高導(dǎo)航定位精度，以及增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能，也都具有非常重要地意義[5,7,11]。

實(shí)際上，對(duì)于這種轉(zhuǎn)發(fā)方式衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)，利用信號(hào)疊加與信號(hào)分離技術(shù)，可進(jìn)一步發(fā)展為共用同一個(gè)衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。文中所提方法也正是基于這一思想來(lái)進(jìn)行研究的，具體來(lái)說(shuō)就是：在導(dǎo)航測(cè)控中心，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的GEO通信衛(wèi)星信號(hào)功率，在滿足一定的通信接收信號(hào)解調(diào)誤碼率的要求下，將導(dǎo)航中心產(chǎn)生的功率受控弱衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)在所選GEO衛(wèi)星通信頻段進(jìn)行載波調(diào)制與發(fā)射。而在信號(hào)接收端，利用頻移(FREquency-SHift, FRESH)濾波器并采用一定的信號(hào)抵消算法，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)疊加的強(qiáng)通信信號(hào)與弱衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的有效分離。最后通過(guò)對(duì)分離出的弱導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的跟蹤與捕獲，并結(jié)合其它已捕獲導(dǎo)航衛(wèi)星的跟蹤捕獲結(jié)果，即可得到相應(yīng)的導(dǎo)航定位解，從而最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)的目的。

2 接收信號(hào)模型

由于文中主要針對(duì)導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)增強(qiáng)進(jìn)行研究，而對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航原理，在文獻(xiàn)[7,10,11]中已有詳細(xì)論述，這里不再贅述。

為便于研究，對(duì)接收信號(hào)作如下兩點(diǎn)假設(shè)：(1)衛(wèi)星通信信號(hào)選用PCM24時(shí)分復(fù)用(Time-Division Multiplexing, TDM)一次群信號(hào)(碼速率為1.544 Mbit/s)[12]，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)選用GPS C/A碼信號(hào)。同時(shí)，各信號(hào)均采用未編碼二相相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)調(diào)制；(2)接收信號(hào)已實(shí)現(xiàn)同步。據(jù)此導(dǎo)航增強(qiáng)接收信號(hào)可表示為

其中

式中P(·), b(·)(n),,Tp和φ(·)分別表示信號(hào)功率，數(shù)據(jù)比特，數(shù)據(jù)比特時(shí)間寬度，C/A碼片(chip)寬度和載波相位(上標(biāo)或下標(biāo)c與g分別表示與通信信號(hào)和導(dǎo)航信號(hào)相關(guān)的量)，且有Pc＞Pg,＜Tp?;τg為GPS信號(hào)相對(duì)于通信信號(hào)時(shí)延；f0,fb和fd分別為通信衛(wèi)星下行載頻，GPS增強(qiáng)信號(hào)相對(duì)于通信信號(hào)的預(yù)設(shè)調(diào)制載波頻偏以及接收多普勒頻偏，且滿足fb?f0,fd?f0及?1;{cm}為 GPS C/A碼序列，N為擴(kuò)頻增益;uT(·)為[0,T]上單位矩形脈沖；n(t)為噪聲，這里假設(shè)其為均值為0，雙邊功率譜密度為N0/2的加性高斯白噪聲。

其中fIF為中頻載波，n′(t)為變換后噪聲信號(hào)。為便于分析問(wèn)題，著重考察式(4)在[0,]上的結(jié)果，同時(shí)忽略φc-φg對(duì)r(t)的影響，這樣經(jīng)信號(hào)采樣后的式(4)可表示為

式中sT為采樣時(shí)間間隔。

3 疊加的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)功率控制

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的疊加，會(huì)給衛(wèi)星通信信號(hào)帶來(lái)干擾。然而由于導(dǎo)航信號(hào)是擴(kuò)頻信號(hào)，其功率可以降得很低，同時(shí)若對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行一定的功率控制，則可使這種干擾進(jìn)一步降低到基本察覺(jué)不出的地步。實(shí)際上，只要導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的功率控制得當(dāng)，則既可保證衛(wèi)星通信接收機(jī)的正常工作，又可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)增強(qiáng)的目的。

令通信接收機(jī)接收信號(hào)為()y′t，可得其與式(1)所給導(dǎo)航接收信號(hào)y(t)相類似。利用通信接收機(jī)產(chǎn)生的載波，可得其在[0,]上的數(shù)據(jù)解調(diào)結(jié)果為

gb g式(8)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算后可得

類似地可得式(9)中其它項(xiàng)結(jié)果為

依據(jù)式(12)，可得通信接收機(jī)BER與疊加的GPS干擾信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖1所示。圖中MC為對(duì)應(yīng)的蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真結(jié)果。

圖1 疊加的GPS導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)解調(diào)誤碼率的影響

根據(jù)圖1即可得到兩種信號(hào)都正常工作時(shí)疊加的GPS信號(hào)的功率控制范圍。例如，當(dāng)通信信號(hào)時(shí)(這里[x]表示x以dB為單位)，若要使BER≤10-5(此時(shí)GPS增強(qiáng)信號(hào)對(duì)通信信號(hào)的影響基本可忽略)，則由圖1可知，[ISRc]≤-25 dB。不考慮濾波器帶寬的影響，這樣可得GPS信號(hào)的信噪比+10 dB)=-15 dB。假設(shè)以GPS C/A碼接收信號(hào)信噪比-19 dB作為GPS接收機(jī)最低接收功率要求[13]，則可得使通信接收機(jī)和GPS接收機(jī)都正常工作時(shí)，疊加的GPS信號(hào)功率控制范圍為[-19 dB, -15 dB]。按照相同方法可得在其它通信信噪比和BER的情況下，疊加的GPS信號(hào)功率控制范圍。另外，由圖1還可以得到，如果通信信號(hào)較大，則在通信接收機(jī)可接受的誤碼率變動(dòng)范圍內(nèi)，適當(dāng)降低對(duì)通信誤碼率的要求，可使[ISRc]變大，同時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步地分析可知，此時(shí)疊加的GPS信號(hào)功率控制區(qū)間也會(huì)相應(yīng)變大，這一點(diǎn)對(duì)于協(xié)作發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)是非常有利的。

4 導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)中強(qiáng)通信干擾的抵消

4.1 強(qiáng)通信干擾抵消原理

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)可以對(duì)通信信號(hào)造成干擾，反過(guò)來(lái)，強(qiáng)通信信號(hào)的存在也會(huì)對(duì)接收的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)性能產(chǎn)生重要影響[14]。因此，若能對(duì)疊加的強(qiáng)衛(wèi)星通信信號(hào)進(jìn)行有效去除，則可顯著提高導(dǎo)航接收機(jī)的跟蹤捕獲性能，進(jìn)而提高其導(dǎo)航定位精度。

但另一方面，由于通信信號(hào)與衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)在時(shí)域和頻域上都是相互重疊的，對(duì)于這種時(shí)頻重疊信號(hào)，通過(guò)常規(guī)的方法如匹配濾波，以及一般的有限沖擊響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR) 濾波等，通常都難以實(shí)現(xiàn)有效地分離。而對(duì)于大多數(shù)人工信號(hào)來(lái)說(shuō)，其循環(huán)頻率通常是不同的[15]，因而可利用循環(huán)頻移濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重疊信號(hào)的有效分離。另一方面，考慮到強(qiáng)通信信號(hào)訓(xùn)練序列通常難以事先獲得，因此在實(shí)際中可采用盲自適應(yīng)頻移濾波器(Blind Adaptive FRESH, BA-FRESH)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重疊信號(hào)的分離[15,16]。同時(shí)，由于強(qiáng)通信信號(hào)的循環(huán)譜會(huì)掩蓋弱導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的循環(huán)譜，因此可先估計(jì)出強(qiáng)通信信號(hào)，然后再?gòu)慕邮招盘?hào)中對(duì)其進(jìn)行抵消，從而獲得弱導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)。其具體工作原理如圖2所示。

在圖2中，αγ(γ=1,2,…,?)與β?(?=1,2,…,Γ)分別為通信信號(hào)的非共軛和共軛循環(huán)頻率，其中這里Rc與分別為通信信號(hào)碼速率和載波頻率，根據(jù)式(5)，其具體可表示為而對(duì)于圖中參考信號(hào)()dk來(lái)說(shuō)，其循環(huán)頻率滿足c{}R?∈l圖中r(k)由式(5)給出，這里為了簡(jiǎn)便用k來(lái)代替了kTs。?r(k)為r(k)的估計(jì)值，為經(jīng)BA-FRESH濾波后的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)輸出，即

這里H表示共軛轉(zhuǎn)置，()kh,()kr~分別為FRESH濾波器濾波系數(shù)向量及()rk的循環(huán)頻移向量，即有

圖2 導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)BA-FRESH濾波實(shí)現(xiàn)原理

其中

在式(14)～式(17)中，上標(biāo)T 與 * 分別表示轉(zhuǎn)置與共軛，γ=1,2,…,?,?=1,2,…,Γ,Lγ與L?分別為第γ個(gè)非共軛支路與第?個(gè)共軛支路的FIR濾波器的階數(shù)。

4.2 強(qiáng)通信干擾抵消算法實(shí)現(xiàn)及抵消性能分析

對(duì)式(13)利用最小均方誤差準(zhǔn)則，可得到BAFRESH濾波器系數(shù)及抵消強(qiáng)衛(wèi)星通信信號(hào)后的增強(qiáng)GPS信號(hào)分別為

在實(shí)際中，BAh可通過(guò)最小均方(Least Mean Square, LMS)算法，遞歸最小二乘算法(Recursive Least Square, RLS)等自適應(yīng)算法來(lái)獲得，文中采用了RLS算法。同時(shí)考慮到統(tǒng)計(jì)平均的難以實(shí)現(xiàn)性，可利用時(shí)平均來(lái)代替，這樣BAh的計(jì)算可由式(19)的遞推關(guān)系得到[16]。

其中

由于BA-FRESH濾波器進(jìn)行強(qiáng)干擾抵消及弱信號(hào)分離時(shí)充分利用了干擾的循環(huán)譜信息，因而相對(duì)于常規(guī)的時(shí)域或頻域?yàn)V波器，它通常能獲得更好地干擾抵消性能，這從圖3所給的BA-FRESH濾波器與常規(guī)FIR濾波器的通信干擾抵消性能仿真中可清楚地體現(xiàn)出來(lái)。圖3中BA-FRESH濾波器仿真參數(shù)設(shè)置如第5節(jié)所給；常規(guī)FIR濾波器階數(shù)取為60，算法上也采用RLS盲自適應(yīng)干擾估計(jì)與抵消算法，其中所用參考信號(hào)為輸入信號(hào)()rk，遺忘因子取為0.99。另外，由于干擾抵消的最終目的是要分離出弱GPS信號(hào)，因而在圖3中采用了分離出的GPS信號(hào)檢測(cè)信噪比來(lái)衡量?jī)煞N濾波器的干擾抵消性能，其中GPS檢測(cè)信號(hào)功率dgP與檢測(cè)噪聲功率dnP具體定義見(jiàn)文獻(xiàn)[13]所給。

圖3 BA-FRESH濾波器與常規(guī)FIR濾波器干擾抵消性能比較

從圖3中可以看出，在GPS信號(hào)功率控制區(qū)間內(nèi)，利用BA-FRESH濾波器分離出的弱GPS信號(hào)檢測(cè)信噪比要遠(yuǎn)優(yōu)于利用常規(guī)FIR濾波器分離出的弱GPS信號(hào)檢測(cè)信噪比。如在[SNRg]=-16 dB , [SNRc]=10 dB的情況下，利用BA-FRESH濾波器分離出的GPS信號(hào)可獲得約13 dB的檢測(cè)信噪比，而對(duì)于常規(guī)FIR濾波器，其只能獲得約3.5 dB的檢測(cè)信噪比。這正是由于前者充分利用了強(qiáng)通信干擾的循環(huán)譜信息，因而能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效抵消的緣故。

5 分離出的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)跟蹤捕獲性能評(píng)估

強(qiáng)通信信號(hào)的存在會(huì)使得衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)難以被跟蹤捕獲到，而當(dāng)利用BA-FRESH濾波器對(duì)強(qiáng)通信干擾抵消后，則可顯著提高分離出的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的跟蹤捕獲性能，在下面的仿真中將會(huì)清楚地看到這一點(diǎn)。

仿真中用到的參數(shù)設(shè)置如下：cR= 1.544 Mbit/s,Rg=50 bit/s ; fIF=4.309 MHz，采樣率fs=1/Ts=5.714 MHz,fb=100 kHz , fd= 1 kHz; GPS C/A碼選用PRN33，其初相gτ設(shè)為200碼片；除了下面仿真(3)中對(duì)增強(qiáng)信號(hào)的跟蹤時(shí)間采用40 ms外，其余仿真時(shí)間均采用一個(gè)C/A碼序列周期，即1 ms; BA-FRESH中的循環(huán)頻率設(shè)置為αγ∈{±Rc},β?∈{±2(fIF-fd)}，即?=Γ=2,?按文獻(xiàn)[16]取為0，所有FIR濾波器階數(shù)均取為10，即Lγ=L?=10(γ=1,2; ?=1,2)。另外，作為比較，在各仿真圖中同時(shí)也給出了通信信號(hào)抵消前的相應(yīng)結(jié)果。

(1)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的捕獲仿真 根據(jù)所給仿真參數(shù)，分離前后的GPS增強(qiáng)信號(hào)單次捕獲結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在通信信號(hào)抵消前，GPS增強(qiáng)信號(hào)基本上很難或無(wú)法捕獲到。而當(dāng)對(duì)強(qiáng)通信信號(hào)進(jìn)行有效抵消后，則對(duì)GPS增強(qiáng)信號(hào)的捕獲就變得非常容易，這從圖4(a)或4(b)的對(duì)比圖中可以清楚地看到這一點(diǎn)。另外，從圖4中還可以看出，增強(qiáng)GPS信號(hào)的信噪比對(duì)于其捕獲結(jié)果也有非常重要地影響，GPS增強(qiáng)信號(hào)越強(qiáng)，則其捕獲性能就越好，但這必須要考慮到GPS增強(qiáng)信號(hào)的功率控制范圍以保證通信接收機(jī)的正常工作。

(2)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)捕獲概率仿真 對(duì)于分離出的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)來(lái)說(shuō)，一個(gè)更準(zhǔn)確表征其捕獲結(jié)果的量是信號(hào)捕獲概率。根據(jù)式(1)中對(duì)噪聲高斯分布的假設(shè)，同時(shí)由于?，即也可將通信干擾近似看成是高斯噪聲，這樣可得接收GPS增強(qiáng)信號(hào)的捕獲概率為[17]

式中0()I·為零階貝塞爾(Bessel)修正函數(shù)，為噪聲功率，tV為由faP虛警概率決定的檢測(cè)閾值，即根據(jù)前面所給參數(shù)及給定的值-15 dB時(shí)，有Pd≈40%，但是當(dāng)對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行有效抵消后，則Pd可提高到98%左右。在圖5(b)也可得到類似地結(jié)論。同時(shí)，由圖5知，提高GPS增強(qiáng)信號(hào)的功率，其檢測(cè)概率也會(huì)得到提高，但這也必須以其功率控制范圍作為限制。另外，對(duì)比圖5(a)和5(b)還可發(fā)現(xiàn)，通信信號(hào)越強(qiáng)，GPS增強(qiáng)信號(hào)越難捕獲。這主要是由于通信信號(hào)越強(qiáng)，信號(hào)分離越困難，從而有更多的通信信號(hào)殘留在GPS增強(qiáng)信號(hào)中造成的。Pfa，并用檢測(cè)噪聲功率來(lái)近似代替，利用蒙特卡洛法，可得GPS增強(qiáng)信號(hào)的捕獲概率如圖5所示，其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)仿真次數(shù)為300。

由圖5可知，在通信信號(hào)抵消前，在GPS增強(qiáng)信號(hào)的功率控制范圍內(nèi)，基本上難以捕獲到GPS增強(qiáng)信號(hào)，如對(duì)于圖5(a)，當(dāng)GPS信噪比取最大控制

圖4 不同信噪比強(qiáng)通信信號(hào)抵消前后GPS增強(qiáng)信號(hào)捕獲結(jié)果

圖5 不同信噪比強(qiáng)通信信號(hào)抵消前后GPS增強(qiáng)信號(hào)捕獲概率

(3)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的跟蹤性能仿真 導(dǎo)航接收機(jī)在成功捕獲到衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)后，即轉(zhuǎn)入到信號(hào)跟蹤階段。由于對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的跟蹤解擴(kuò)主要是由碼環(huán)(Delay Locked-Loop, DLL)并在載波鎖相環(huán)的輔助下完成的，因此這里主要對(duì)導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的DLL跟蹤結(jié)果進(jìn)行仿真。仿真中DLL跟蹤誤差由給出，這里IES,ILS與QES,QLS分別為同相與正交相的E, L相關(guān)器積分結(jié)果。利用前面所給參數(shù)，可得不同相關(guān)器間距dEL下的跟蹤誤差均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)結(jié)果如圖6所示，其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)仿真50次。

由圖6可知，強(qiáng)通信信號(hào)的存在同樣會(huì)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)接收機(jī)的跟蹤精度產(chǎn)生重要影響。如在圖6(a)中，當(dāng)GPS增強(qiáng)信號(hào)為15 dB-時(shí)，對(duì)于間距為0.1碼片的相關(guān)器，若存在強(qiáng)通信信號(hào)，其跟蹤精度約為21 m。而當(dāng)用BA-FRESH濾波器對(duì)強(qiáng)通信信號(hào)進(jìn)行抵消后，其跟蹤精度則可提高到6 m。對(duì)于圖6(b)也可得到類似地結(jié)論。同時(shí)可以看出，隨著GPS增強(qiáng)信號(hào)信噪比的提高，其跟蹤精度也會(huì)相應(yīng)地得到提高，但這同樣要以通信接收機(jī)正常工作為前提。此外，由圖6還可以看出，相關(guān)器間距dEL越小，則導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的跟蹤精度也越高。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中給出了一種利用GEO通信衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)的方法。在滿足通信接收信號(hào)BER要求的前提下，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的功率控制，可使衛(wèi)星通信信號(hào)基本不受轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的影響，同時(shí)，利用BA-FRESH濾波器對(duì)通信干擾的抵消，則又可使導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)增強(qiáng)信號(hào)的跟蹤捕獲性能得到顯著提高，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)增強(qiáng)的目的。文中所給仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)，同時(shí)也驗(yàn)證了所給方法的可行性與有效性。

圖6 不同信噪比強(qiáng)通信信號(hào)抵消前后GPS增強(qiáng)信號(hào)跟蹤精度

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胡 毅： 男，1974年生，博士生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航.

宋茂忠： 男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檎{(diào)制信號(hào)設(shè)計(jì)與接收、衛(wèi)星導(dǎo)航等.

黨小宇： 男，1972年生，副教授，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信信號(hào)處理等.

A Method for the Navigation Satellite Signal Enhancement Based on the Signal Retransmission by the Communication Satellite

Hu Yi Song Mao-zhong Dang Xiao-yu

(College of Electronic & Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

A method based on the signal retransmission by the Geostationary Earth Orbit (GEO) comsat for the navigation satellite signal enhancement is proposed. At the signal transmitting side, utilizing the property of low power density of the Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), the power-controlled weak DSSS navigation signal, which is generated at the navigation center, can be modulated and retransmitted on the frequency band of the GEO comsat under the proper Bit Error Rate (BER) requirement of the communication signal. While at the receiving side, with the FREquency-SHift (FRESH) filter and a given adaptive signal cancellation algorithm, the strong communication signal can be well cancelled and thus the weak navigation enhanced signal is separated. The simulation results show that for the separated navigation enhanced signal, a relatively good acquisition and tracking performance can be got in its controlled power range, and this also verifies the effectiveness of the proposed method.

Global Navigation Satellite System (GNSS); Signal retransmission; Geostationary Earth Orbit (GEO) comsat; Navigation signal enhancement; FREquency-SHift (FRESH) filter

TN967.1

A

1009-5896(2015)03-0665-07

10.11999/JEIT140672

2014-05-21收到，2014-09-02改回

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司衛(wèi)星應(yīng)用研究院創(chuàng)新基金(20121512)，國(guó)家重大儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)子項(xiàng)目(2013YQ20060707)和國(guó)家自然科學(xué)基金(61172078)資助課題

*通信作者：胡毅 hygps607@163.com