GPS/BD偽衛(wèi)星脈沖信號捕獲特性分析

張 衡，甘興利，祝瑞輝，李雅寧

(1.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

GPS/BD偽衛(wèi)星脈沖信號捕獲特性分析

張 衡1,2，甘興利1,2，祝瑞輝1,2，李雅寧1,2

(1.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

脈沖圖案設計是當前解決偽衛(wèi)星遠近效應的有效方式。針對當前偽衛(wèi)星信號捕獲不易的問題，在GPS/BD雙系統(tǒng)偽衛(wèi)星平臺的基礎上，對偽衛(wèi)星脈沖信號的捕獲性能從脈沖信號偽衛(wèi)星間和偽衛(wèi)星對接收機的影響進行仿真分析。仿真結果表明，偽衛(wèi)星信號占空比和是影響衛(wèi)星信號接收的主要原因，偽衛(wèi)星間的干擾主要與跟蹤環(huán)路被激勵和部分自相關偏差有關。

脈沖；捕獲；偽衛(wèi)星；遠近效應

0 引言

偽衛(wèi)星在設計過程中存在遠近效應的問題[1-2]，分析發(fā)現主要由于偽衛(wèi)星布設在地面或飛機等近地目標上，即與GNSS導航系統(tǒng)相比，偽衛(wèi)星與接收機之間相距很近，當二者距離發(fā)生相對變化時，信號強度會發(fā)生劇烈的變化[3]。脈沖調制被認為是一種減少遠近效應影響的有效方式[4-5]。然而在設計過程中，偽衛(wèi)星的脈沖圖案的好壞直接影響到偽衛(wèi)星的性能[[6-7]，有可能會對周圍的衛(wèi)星信號甚至臨近的偽衛(wèi)星信號形成干擾，導致用戶接收機捕獲受到影響[8]。

當前，在偽衛(wèi)星脈沖圖案設計方面，國外研究相對比較早且技術分析系統(tǒng)深入。其中Cobb等[9]從對衛(wèi)星信號影響的角度分析了偽衛(wèi)星占空比與衛(wèi)星信干比之間的影響關系[10-11]，LeMaster從偽衛(wèi)星間影響的角度分析了衛(wèi)星數目、占空比與偽衛(wèi)星信干比的關系。國內研究相對較少，主要集中在遠近效應克服分析方面，在脈沖圖案研究方面主要以葉紅軍[12]、李濤護[13]、周必磊[14-15]等人對伽利略的脈沖圖案的設計進行了詳細的分析。

本文以基于Matlab的GPS/BD雙頻偽衛(wèi)星系統(tǒng)為平臺，對偽衛(wèi)星信號之間的干擾和偽衛(wèi)星信號對衛(wèi)星信號的捕獲干擾進行分析。

1 脈沖圖案設計

脈沖圖案設計首先考慮偽衛(wèi)星信號和GNSS衛(wèi)星信號間的影響關系。通常考慮GNSS衛(wèi)星信號受到干擾時，可以根據衛(wèi)星信號的信干比大小進行分析。由Cobb[9]給出的計算偽衛(wèi)星占空比的信干比公式為：

(1)

(2)

(3)

由上式發(fā)現，偽衛(wèi)星信號對GNSS信號的影響與偽衛(wèi)星的功率和占空比有關。當d一定時，隨著偽衛(wèi)星功率的增強，衛(wèi)星信號的信干比逐漸減小，當信干比減小到衛(wèi)星的臨界值時，衛(wèi)星將不能進行正常的捕獲跟蹤。當偽衛(wèi)星功率一定時，d越高，衛(wèi)星的信干比越小。由此在確定偽衛(wèi)星的最大占空比時，需要充分考慮這一點。

其次偽衛(wèi)星信號彼此之間也會產生一定的干擾衰弱。由LeMaster給出的公式：

(4)

因此在設計脈沖圖案設計時參考RTCMSC-104委員會推薦的一種偽衛(wèi)星脈沖方式的設計。該設計可以保證接收機硬件在做最小更改的前提下同時接收衛(wèi)星和偽衛(wèi)星信號。方案中每個脈沖持續(xù)1/11ms時間，即每個脈沖發(fā)送93個碼片，每ms發(fā)送一個脈沖。但是每次到第10個脈沖時，將同時發(fā)送第10個和第11個兩個脈沖，以此保證脈沖的平均占空比為10%。在每個周期之間，脈沖位置在11個可能的時隙上變化，同時在每個數據比特之間11個脈沖位置也在變化。這樣所有可能的脈沖位置在200ms內完成一次循環(huán)，以此盡可能地消除重疊的影響。

設計過程中，偽衛(wèi)星GPS信號采用32～36號擴頻碼進行分析。北斗脈沖圖案采用與GPS偽衛(wèi)星信號相似的結構，每個時隙186bit，分為11個時隙，為了保證偽衛(wèi)星在同時發(fā)射GPS和北斗信號時不會相互干擾，因此確定如表1所示的時隙發(fā)射關系。

表1 偽衛(wèi)星系統(tǒng)信號分配與時隙位置

根據表1的時隙，在圖1中給出了具體的脈沖圖案，下面將針對該脈沖圖案的性能進行分析。

圖1 GPS/BD脈沖圖案

2 脈沖信號捕獲分析

2.1 偽衛(wèi)星間信號捕獲分析

為了有效補償脈沖形式帶來的能量損失，偽衛(wèi)星信號在發(fā)射時，功率一般很強。由于偽衛(wèi)星在設計時結構與衛(wèi)星相似，所以正常情況下，衛(wèi)星接收機可以捕獲跟蹤偽衛(wèi)星，但是實驗測試時發(fā)現，當存在多顆偽衛(wèi)星時，泰斗、skytrap等多款衛(wèi)星接收機會出現難以同時捕到所有的偽衛(wèi)星、偽衛(wèi)星數據跳動太大等現象，為了有效驗證在捕獲時信號間的干擾問題，現針對多顆偽衛(wèi)星時的捕獲特征進行仿真分析。偽衛(wèi)星雙系統(tǒng)的時隙分布如表1所示。

由圖2中偽衛(wèi)星PL01和PL04的捕獲結果為例，當采用衛(wèi)星接收機進行捕獲時，GPS32出現5個主峰，且其余的旁瓣峰值錯落交織，接收機在捕獲時很難確定正確的碼相位和頻率位置，從而導致接收機誤判或接收不穩(wěn)定，嚴重影響接收機后續(xù)的跟蹤和時間的計算；在GPS35中盡管相對GPS33峰值較好，但相關峰值仍然有2個主峰且存在峰值展寬的現象，這樣的現象同樣會影響接收機碼捕獲相位位置的確定；同時關于北斗33和北斗36，由圖2可見，存在于GPS相似的情況，如BD33由于多顆偽衛(wèi)星信號的存在，當外界干擾嚴重時，接收機可能很難完成捕獲。

圖2 PL01/PL04雙系統(tǒng)捕獲結果

2.2 脈沖信號對GPS/BD衛(wèi)星信號捕獲分析

在圖3中以GPS01號星的捕獲結果為例，給出了當不存在偽衛(wèi)星和存在偽衛(wèi)星數分別為1、3、5時的信號捕獲結果。

圖3 偽衛(wèi)星數目與衛(wèi)星信號捕獲關系

在一些特定環(huán)境中，偽衛(wèi)星信號可以有效地擴展GNSS系統(tǒng)的定位能力，但是偽衛(wèi)星也可能會對衛(wèi)星接收機產生嚴重的干擾，導致接收機無法正常進行信號解算。此處共選用11顆星進行仿真，其中衛(wèi)星信號選用GPS 1號星，偽衛(wèi)星選用PL01～PL05時隙分布如上述表1脈沖圖案設置所示。

由圖3可得，當偽衛(wèi)星數目為1、3時，GPS01信號可以正常捕獲，但與不存在偽衛(wèi)星的情況相比，GPS01信號的相關性隨著偽衛(wèi)星數目的增多逐漸減小。當偽衛(wèi)星的數量為5時，GPS01衛(wèi)星信號完成被干擾，很難判斷哪個是正確的相關峰，不能正常被接收機使用。

隨著偽衛(wèi)星數目變化GPS01捕獲的相關主次峰的關系圖如圖4所示。由圖4可得，隨著偽衛(wèi)星數目的增多，衛(wèi)星接收機對GPS01號星捕獲的主次峰值逐漸增大，偽衛(wèi)星信號的增多可以有效地減少次峰的影響。在圖4中可見，隨著偽衛(wèi)星數目的增多，衛(wèi)星捕獲峰值逐漸減少，當偽衛(wèi)星的占空比和達到100%時，衛(wèi)星信號被完全干擾，無法正常進行捕獲。因此，在一定區(qū)域布設偽衛(wèi)星時可以考慮使所有偽衛(wèi)星的占空比之和小于100%，這樣可以有效避免某些位置因占空比和為100%而產生的對正常衛(wèi)星的干擾。

圖4 GPS01捕獲結果主次峰值比

2.3 仿真結論

通過上述捕獲特性的仿真分析，主要得出以下幾點結論：

① 相關函數中主瓣和副瓣峰值的關系比采用連續(xù)信號差很多[16-17]。當接收機的積分時間很短時，這一影響非常大，即對高數據率非常關鍵。當無數據或僅有低數據率時，影響減弱。

② 相關性函數的多個副瓣包括具備不同相關性級別的許多峰值，表明接收機跟蹤環(huán)路一定程度上“被激勵”(不像采用連續(xù)信號時那么穩(wěn)定)。

③ 脈沖與接收機內產生的連續(xù)參考信號的部分自相關導致不對稱自相關曲線的出現。這又進一步導致編碼測量的偏差，這些偏差在高不對稱時最差，導致積分間隔短。

3 結束語

對GPS/BD雙模偽衛(wèi)星脈沖圖案設計原理進行了詳細介紹，從偽衛(wèi)星信號間和偽衛(wèi)星對衛(wèi)星信號兩方面對脈沖信號的捕獲特性進行仿真分析。實驗得出調整占空比和與跟蹤環(huán)路被激勵的問題可以有效解決當前偽衛(wèi)星信號捕獲困難的問題。該問題的仿真分析對于進一步研究偽衛(wèi)星技術室內定位具有重要意義。在后續(xù)的工作中，將以此為出發(fā)點，設計更優(yōu)的脈沖圖案和跟蹤環(huán)路，從而實現偽衛(wèi)星信號的魯棒、連續(xù)可用性。

[1] PREMAL H M,PENINA A,KENT K,et al.Application of Successive Interference Cancellation to the CPS Pseudolite Near-Far Problem[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2003,39(2):481-488.[2] 葉紅軍,蔚保國,周必磊.伽利略偽衛(wèi)星脈沖調制方案最優(yōu)化研究[J].無線電工程,2008,38(7):40-42.

[3] 葉紅軍.偽衛(wèi)星遠近效應分析與研究[J].無線電工程,2010,40(6):31-33.

[4] 艾樹峰,俞愛群,馮冀寧.抑制遠近干擾偽衛(wèi)星接收機的研究[J].電子學報,2010,38(8):1 837-1 839.

[5] 汪 婕,廉保旺,張志鵬.基于干擾抵消的GPS偽衛(wèi)星抗遠近效應方法研究[J].測控技術,2008,27(3):43-48.[6] 張 雷，王建宇，戴 寧.基于 TDMA 技術的偽衛(wèi)星遠近效應分析與研究[J].計算機技術與發(fā)展,2007(11):23-26.

[7] 張政治,楊勝斌,朱志誠.基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星增強技術初探[J].全球定位系統(tǒng),2013,38(5):65-69.

[8] MADHANI P H,AXELRAD P,KRUMVIEDA K,et al.Application of Successive Interference Cancellation to the GPS Pseudolite Near-far Problem[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2003,39(2):481-488.

[9] COBB H S.GPS Pseudolites:Theory Design and Applications[D].California,America:Standford University,1997.

[10]武玉琨,廉保旺.偽衛(wèi)星脈沖調制在抗遠近效應中的應用[J].彈箭與制導學報,2006,32(3):139-141.

[11]李春霞,陳金平,楊海峰.偽衛(wèi)星短脈沖TDMA信號占空比理論設計[C]∥第二屆中國衛(wèi)星導航學術年會,2011:37-42.

[12]陳 慧,趙建偉,鄧 軍.導航系統(tǒng)抗遠近效應接收機的研究[J].電子學報,2004(9):227-231.

[13]李濤護,劉建勝,黃志剛.一種基于偽衛(wèi)星信號正交性的遠近效應消除技術[J].電子與信息學報,2010,32(6):1 366-1 369.

[14]周必磊,任艷陽,葉紅軍.Galileo脈沖偽衛(wèi)星信號接收方法比較[J].北京理工大學學報,2010,30(10):70-73.[15]周必磊,蔚保國,羅偉雄.基于分段FFT的脈沖偽衛(wèi)星信號捕獲方法[J].北京理工大學學報,2009,29(11):1006-1013.

[16]葉紅軍.基于AD9957的偽衛(wèi)星脈沖調制技術研究[J].無線電通信技術,2008,34(6):21-24.

[17]沈 鋒,王 偉,徐定杰.基于導頻的串行干擾抵消技術在導航接收機中的應用[J].哈爾濱工程大學學報,2005,26(2):30-34.

張 衡 男，(1988—)，碩士研究生。主要研究方向：衛(wèi)星導航。

甘興利 男，(1981—)，博士，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導航。

Analysis on Characteristics of GPS/BD Pseudolite Pulse Signal Acquisition

ZHANG Heng1,2,GAN Xing-li1,2,ZHU Rui-hui1,2,LI Ya-ning1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The pulse pattern design is an effective way to solve the current pseudolite near-far effect.The current pseudolite signal is not captured easily.In view of this problem,this paper simulates and analyzes the influence among pseudolites pulse signals as well as between pseudolites and receivers based on GPS/BD dual system pseudo-satellite platform.The simulation results show that the main reason of influencing satellite signals receiving is the pseudolite signal duty ratio,and the interference among pseudolites is related to tracking loop incentived and partial autocorrelation bias.

pulse;capture;pseudolite;near-far effect

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.03

張 衡,甘興利,祝瑞輝,等.GPS/BD偽衛(wèi)星脈沖信號捕獲特性分析[J].無線電工程,2016,46(11):9-12，16.

2016-08-10

國家重點研發(fā)計劃基金資助項目(2016YFB0502101)。

TP391.4

A

1003-3106(2016)11-0009-04