新型衛(wèi)星導(dǎo)航復(fù)用調(diào)制信號(hào)的單路分離方法

盧虎,廉保旺,閆浩

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,710077,西安;2.西北工業(yè)大學(xué)電子與信息學(xué)院,710072,西安)

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新型衛(wèi)星導(dǎo)航復(fù)用調(diào)制信號(hào)的單路分離方法

盧虎1,廉保旺2,閆浩2

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,710077,西安;2.西北工業(yè)大學(xué)電子與信息學(xué)院,710072,西安)

針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)/頻/調(diào)制域正交特性實(shí)現(xiàn)單路分離的傳統(tǒng)方法不再適用于復(fù)雜多路復(fù)用信號(hào)分離的問題,提出了一種新型衛(wèi)星導(dǎo)航復(fù)用調(diào)制信號(hào)的單路分離方法。該方法利用不同支路上數(shù)據(jù)碼的隨機(jī)特性,設(shè)計(jì)了多支路混合信號(hào)的周期掩碼累加準(zhǔn)則,通過計(jì)算各支路比特符號(hào)掩碼累加值的殘留度和補(bǔ)償因子,獲得使對(duì)應(yīng)非期望支路累加和為零的乘積系數(shù),實(shí)現(xiàn)了期望信號(hào)的單路分離。理論和實(shí)驗(yàn)分析表明,相較于非單路分離的傳統(tǒng)評(píng)估方法,所提單路分離方法的載波相位分辨率優(yōu)于5°、碼元位置分辨率優(yōu)于0.01%,可精確直觀地反映基帶信號(hào)在時(shí)/頻/調(diào)制等域的畸變情況,為新型導(dǎo)航信號(hào)定量評(píng)估和處理提供了很好的技術(shù)支持。

衛(wèi)星導(dǎo)航;復(fù)用調(diào)制;信號(hào)分離;周期掩碼累加

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的發(fā)展及其在海、陸、空、天、電各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,用戶對(duì)高精度和高完好性導(dǎo)航定位服務(wù)的需求不斷增長(zhǎng)。與此同時(shí),GNSS信號(hào)的固有脆弱性,使得各領(lǐng)域用戶均希望盡量減少信號(hào)失真,了解失真特性,定量評(píng)估其引起的性能下降;當(dāng)發(fā)生意外情況導(dǎo)致信號(hào)畸變超出性能限時(shí),能得到及時(shí)的告警,并能快速有效地采取糾正或補(bǔ)救措施。因此,GNSS的信號(hào)質(zhì)量評(píng)估問題業(yè)已延伸至導(dǎo)航、定位和授時(shí)(PNT)服務(wù)的方方面面[1]。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)GNSS信號(hào)質(zhì)量評(píng)估問題的研究主要集中于二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制及簡(jiǎn)單的二進(jìn)制偏移載波(BOC)調(diào)制,并未考慮時(shí)、頻、調(diào)制域等無(wú)法正交分離的復(fù)用調(diào)制[2-4];而對(duì)新型單載波復(fù)用GNSS信號(hào)的評(píng)估則多集中于星上設(shè)備功耗、硬件復(fù)雜度及靈活可配置性、非線性失真、復(fù)用效率/合成損耗等方面,未從終端角度考慮信號(hào)質(zhì)量評(píng)估首先面臨的分離問題[5]。與此同時(shí),傳統(tǒng)信號(hào)分離方法主要集中于“非合作”噪聲信號(hào)的盲信號(hào)分離技術(shù),如快速獨(dú)立成分分析(Fast ICA)法、信息最大化(Informax)法、粒子群優(yōu)化(PSO)方法等[6-8],但是相關(guān)方法并不適用具有明顯“合作”特性的新型復(fù)雜多重調(diào)制GNSS復(fù)用信號(hào)分離。綜上,研究新型多路復(fù)用GNSS信號(hào)的最佳分離和質(zhì)量評(píng)估方法,定量分析可以反映單路基帶信號(hào)畸變情況的時(shí)域、頻域、調(diào)制域特征,不僅可有效量化GNSS信息傳播中的誤差,而且對(duì)提升各型GNSS終端的時(shí)空信息服務(wù)質(zhì)量都具有重要意義[9-10]。

針對(duì)上述問題,本文提出了一種適用于新型GNSS多路復(fù)用調(diào)制信號(hào)單路分離的方法,分析了不同參數(shù)偏差下的算法性能,并以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)GALILEO信號(hào)為例對(duì)本文方法的性能進(jìn)行了評(píng)估分析,結(jié)果表明,本文所提分離方法簡(jiǎn)單、可靠、有效,能夠在新一代導(dǎo)航復(fù)用信號(hào)處理與評(píng)估工作中發(fā)揮重要作用。

1 AltBoc單載波復(fù)用調(diào)制

交替二進(jìn)制偏移載波(AltBOC)信號(hào)調(diào)制是集副載波調(diào)制和多路信號(hào)復(fù)用于一體的全新導(dǎo)航信號(hào)體制,被GALILEO系統(tǒng)的E5a和E5b信道復(fù)用所采用[11],北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)B2頻點(diǎn)的民用信號(hào)擬采用的TD-AltBOC調(diào)制方式也以此為基礎(chǔ)[12],本文即以此調(diào)制方式為典型代表,討論GNSS單載波復(fù)用調(diào)制信號(hào)的期望支路分離問題。

AltBOC調(diào)制被定義為在上下邊帶調(diào)制不同偽隨機(jī)碼的類BOC信號(hào),可由基帶信號(hào)乘以復(fù)數(shù)方波副載波表征

sAltBOC(t)=s(t)[sgn(cos2πfst)+jsgn(sin2πfst)]

(1)

式中:s(t)為待調(diào)制導(dǎo)航信號(hào);sgn(·)表示符號(hào)函數(shù);fs為副載波頻率。

圖1給出了GALILEO系統(tǒng)在E5頻點(diǎn)所采用的恒包絡(luò)AltBOC(15,10)調(diào)制E5a和E5b兩路信號(hào)的星座圖、基帶信號(hào)時(shí)域波形以及頻譜圖。由圖1可以看到,該復(fù)用信號(hào)無(wú)法像BPSK信號(hào)那樣直接使用時(shí)域、或頻域?yàn)V波方法即可分離,若要對(duì)復(fù)用信號(hào)中的E5a或E5b任一獨(dú)立支路信號(hào)開展質(zhì)量評(píng)估,就必須先將期望支路信號(hào)從混疊信號(hào)中剝離開來。

(a)時(shí)域波形 (b)星座圖

(c)功率譜密度圖1 恒包絡(luò)AltBOC(15,10)信號(hào)特征圖

2 復(fù)用調(diào)制信號(hào)周期掩碼分離算法

對(duì)AltBOC、交互式(Inteplex)等新型復(fù)用調(diào)制信號(hào)而言,不同支路k上調(diào)制的電文符號(hào)是相互獨(dú)立的,載波同步后,為提高信噪比,可在一個(gè)碼周期Tpn內(nèi)(0≤t

(2)

式中:ck(t)為第k路偽碼序列;kd為多普勒造成的拉伸或壓縮;Δτk為碼相位偏差;akj為第k路第j次參與累加的導(dǎo)航比特;Δfk和Δθk為k路相應(yīng)載波頻率和相位偏差;n～N(0,σ2)為高斯白噪聲;kd=1-fDop/Rc,fDop為載波多普勒,Rc為碼速率。

2.1 兩路信號(hào)分離方法

實(shí)際中,通常采用極高增益(>40 dB)定向天線接收某一顆衛(wèi)星某一特定頻點(diǎn)的待評(píng)估信號(hào)[13-14],因此不可分離的導(dǎo)航信號(hào)通常只有兩路(M=2),典型如GALILEO在E5頻段復(fù)用了E5a和E5b兩路信號(hào)、北斗在B2頻段復(fù)用B2a和B2b等。為簡(jiǎn)明起見,假設(shè)這兩路混合信號(hào)的載波頻率和相位偏差為0(即Δfk=0和Δθk=0),碼周期對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的相位差Δτk=0,剝離待分離支路碼跟蹤相干解調(diào)出的比特符號(hào)(先驗(yàn)信息)后,計(jì)算得到支路一個(gè)碼周期內(nèi)N次累加后的均值,以分離k=1支路(k=2類似)為例,有

(3)

由式(3)可知,若

(4)

則除待分離支路k=1外,k=2的支路信號(hào)能量和為0,即實(shí)現(xiàn)了復(fù)用導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)域分離,此時(shí)信號(hào)功率不變,而噪聲的功率變?yōu)樵瓉淼?/N,也即分離后的k支路信噪比原來提高了N倍。

由上可知,實(shí)現(xiàn)兩路復(fù)用導(dǎo)航信號(hào)分離的步驟如下:

(1)初始化符號(hào)平衡指示變量bflag=0,累加值Σsum=0;

(2)讀入待分離兩路復(fù)用信號(hào)的第j(j=1,…,N)個(gè)偽碼累加周期,將該周期內(nèi)支路ck(t)(k=1,2)上調(diào)制的比特符號(hào)分別賦值給aj1,aj2;

(3)如果|bflag+aj1aj2|<2,更新指示變量bflag=bflag+aj1aj2,j=j+1執(zhí)行步驟(4);否則,重新執(zhí)行步驟(2),j不變;

(4)對(duì)讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣;

(5)剝離復(fù)合信號(hào)的載波(含多普勒),剝離信號(hào)ci(t)的比特符號(hào);

(6)將步驟(5)的結(jié)果與Σsum累加,更新Σsum值;

(7)累加次數(shù)j

需要注意的是:進(jìn)行信號(hào)周期篩選累加運(yùn)算時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量選取不同的周期,因?yàn)橹貜?fù)使用一個(gè)周期會(huì)使該周期內(nèi)的白噪聲得到增強(qiáng),且若此周期內(nèi)存在突發(fā)干擾,會(huì)對(duì)分離結(jié)果造成影響。

2.2 多路信號(hào)分離方法

當(dāng)單路復(fù)用信號(hào)數(shù)M>2時(shí),上述所提周期篩選方法仍然適用,不妨以單支路信號(hào)復(fù)用數(shù)M=4為例進(jìn)行說明,目標(biāo)仍是將k=1支路分離出來,則累加后的信號(hào)為

(5)

式中:Ai(i=1,2,3,4)表示信號(hào)幅度。令

(6)

式中n的取值可正可負(fù)。將式(5)簡(jiǎn)化,可得

(7)

由式(7)可知:當(dāng)支路數(shù)M>2時(shí),要實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離,只需將多余支路的信號(hào)消除即可,此時(shí)待消除信號(hào)為

(8)

再次考察式(5),可知?jiǎng)冸x支路1上調(diào)制的電文比特后,單個(gè)周期信號(hào)可表示為

(9)

需要特別強(qiáng)調(diào)的是:由于遵循周期篩選累加運(yùn)算時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量選取不同的周期原則,因此上述方法并不包括(n2=0,n3=0,n4=0)的取值組合。

當(dāng)M取其他數(shù)值時(shí),仍然可以依照類似式(13)的結(jié)構(gòu),構(gòu)造出相應(yīng)的篩選周期,從而實(shí)現(xiàn)單載波多路信號(hào)的分析。當(dāng)前,對(duì)于單路信號(hào),M最多取值到5。

2.3 畸變補(bǔ)償

在實(shí)際分離過程中,電文的模擬或數(shù)字畸變會(huì)引起符號(hào)比特不平衡,這就會(huì)使單路分離后的眼圖出現(xiàn)所謂的混疊現(xiàn)象。

定義c2(t)支路一個(gè)碼周期內(nèi)比特符號(hào)殘留度為

(10)

可知c1(t)支路同相碼片的增強(qiáng)幅度為

(11)

反相碼片的削弱幅度為

(12)

式中:P1、P2分別為待分離2個(gè)支路的信號(hào)功率。

定義AR為一個(gè)碼周期內(nèi)電文比特符號(hào)畸變補(bǔ)償比例因子

(13)

顯然,當(dāng)殘留度u=0時(shí),比例因子AR=1無(wú)需補(bǔ)償。以最普通的兩路復(fù)用信號(hào)(GALILEO系統(tǒng)E1頻點(diǎn))為例進(jìn)行說明,其分離信號(hào)E1bI的眼圖如圖2所示。

(a)u=0.05

(b)u=0圖2 分離信號(hào)E1bI的眼圖

圖2a在累加過程中比特符號(hào)殘留度u=0.05,眼圖出現(xiàn)混疊,根據(jù)式(12)計(jì)算補(bǔ)償比例因子,補(bǔ)償該殘留值后使u=0,消除了比特符號(hào)的不平衡,分離信號(hào)的眼圖非常理想,結(jié)果見圖2b。

綜上,引入偏差補(bǔ)償因子后,可進(jìn)一步簡(jiǎn)化多路復(fù)用導(dǎo)航信號(hào)單路分離方法,具體步驟如下。

(1)讀入M路復(fù)用信號(hào)的第j(j=1,2,…,N)個(gè)偽碼累加周期,計(jì)算該周期內(nèi)待分離k支路ck(t)(k=1,2,…,M)上調(diào)制的比特符號(hào)ajk與其他支路符號(hào)aj1,aj2,…,ajM乘積的累加和

(14)

(2)根據(jù)幅度系數(shù)ajkaj1,ajkaj2,…,ajkajM的取值,取補(bǔ)后,將符號(hào)周期劃分成不同的掩碼周期,并進(jìn)行掩碼累加運(yùn)算

(15)

(3)計(jì)算各支路在掩碼累加周期內(nèi)結(jié)果的比特符號(hào)殘留度及補(bǔ)償因子

(16)

(17)

(4)以ARi為比例系數(shù)對(duì)步驟2中的各支路信息進(jìn)行補(bǔ)償(乘積)運(yùn)算,即可移除待分離支路外的所有支路信息,可得到期望分離支路k的比特符號(hào)

(18)

3 周期掩碼分離算法性能分析

對(duì)于相對(duì)于地面靜止的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量評(píng)估設(shè)備而言,式(2)中載波多普勒fDop的變化可以忽略,因此算法性能分析只考慮載波相位和碼元位置偏差。

3.1 載波相位偏差分析

式(2)表明,載波相位誤差主要會(huì)對(duì)分離信號(hào)的功率造成損耗。假定一個(gè)偽碼周期內(nèi),載波相位誤差是恒定的并服從高斯分布,圖3給出了載波相位誤差和功率損耗之間的關(guān)系。忽略機(jī)械顫動(dòng)的影響,對(duì)于載噪比較高的信號(hào)(C/N>60 dB·Hz),載波環(huán)相位抖動(dòng)均方差可以控制在5°以內(nèi)[8],造成的影響可以忽略。

圖3 載波相位誤差與功率損耗關(guān)系曲線

3.2 碼相位偏差分析

在累加過程中,各個(gè)周期對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的碼元位置未對(duì)齊會(huì)使累加結(jié)果產(chǎn)生平均效應(yīng),即累加點(diǎn)的值是實(shí)際信號(hào)在該點(diǎn)附近取值的平均。這種平均會(huì)對(duì)波形產(chǎn)生影響,主要表現(xiàn)為:

(1)基帶信號(hào)的跳變沿被展寬;

(2)碼片內(nèi)抖動(dòng)的極值位置和幅度發(fā)生改變。

圖4 碼相位誤差對(duì)分離波形的影響

假定信號(hào)發(fā)生了模擬畸變,各個(gè)碼周期對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相位誤差服從高斯分布,在不同的位置誤差下進(jìn)行10 000次累加,得到的結(jié)果如圖4所示。圖4僅顯示出了偽碼的一個(gè)碼片。對(duì)應(yīng)點(diǎn)的碼元位置偏差越小,碼片的跳變沿越陡峭,碼片波形越理想。當(dāng)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的碼元位置偏差小于0.01%時(shí),累加曲線和實(shí)際曲線非常接近。因此,可以取0.01%作為碼元位置偏差門限。對(duì)于載噪比較高的信號(hào),通過選擇合適的碼環(huán)參數(shù)可以使熱噪聲引起的碼元位置偏差的均方差遠(yuǎn)小于0.01%[3]。

3.3 分離效能

利用40 m天線實(shí)測(cè)采集的高增益(載噪比>90 dB·Hz)GALILEO E5信號(hào)(AltBoc復(fù)用調(diào)制了E5a和E5b信號(hào))進(jìn)行算法分離效能實(shí)驗(yàn)。

(1)畸變補(bǔ)償效能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中給實(shí)測(cè)E5信號(hào)中加入數(shù)字占空比為0.504、模擬畸變震蕩頻率fd=5 MHz、阻尼系數(shù)σ=7 MNp/s的混合畸變。

圖5給出了在不同周期篩選(累加)次數(shù)下,時(shí)域畸變參數(shù)計(jì)算的相對(duì)誤差。可以看到:數(shù)字占空比的計(jì)算結(jié)果受累加次數(shù)的影響很小,其相對(duì)誤差穩(wěn)定在2%以內(nèi);其他2個(gè)參數(shù)的相對(duì)誤差隨著累加次數(shù)增多總體上呈下降趨勢(shì);當(dāng)累加次數(shù)大于500時(shí),震蕩頻率的相對(duì)誤差達(dá)到0.2%,而阻尼系數(shù)的相對(duì)誤差穩(wěn)定在6%附近。阻尼系數(shù)的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了一個(gè)較大的偏差,這個(gè)主要是碼片抖動(dòng)幅度的下降造成的。這種失真對(duì)波形的影響并不大,但顯著影響了阻尼系數(shù)的計(jì)算精度。

圖5 時(shí)域畸變參數(shù)的估計(jì)誤差

(2)分離信號(hào)準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)。圖6給出了未引入人為干擾的E5頻點(diǎn)實(shí)測(cè)信號(hào)的星座圖。圖6a為利用傳統(tǒng)方法繪制的混合信號(hào)的星座信息,無(wú)法區(qū)分E5a和E5b到底哪路信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量較好。周期篩選分離后,E5a和E5b頻點(diǎn)信號(hào)星座圖理想點(diǎn)的角度分別為45°、135°、225°和315°。圖6b為E5a信號(hào)的星座圖,雖然顯示出了E5a的信號(hào)特征,但在90 dB·Hz載噪比下,仍具有較高的發(fā)散程度,因此可知該路信號(hào)包含較大噪聲。圖6c為E5b信號(hào)的星座圖,可以看出E5b信號(hào)QPSK調(diào)制的信號(hào)特征,且星座圖的發(fā)散程度較小,其信號(hào)質(zhì)量比E5a信號(hào)好。

(a)復(fù)合信號(hào)的星座圖

(b)分離信號(hào)E5a的星座圖

(c)分離信號(hào)E5b的星座圖圖6 E5混合及分離信號(hào)星座圖

(a)分離信號(hào)E5aI的眼圖

圖7給出了分離后E5aI和E5bI基帶信號(hào)眼圖。顯然,E5aI基帶信號(hào)的眼皮較厚,在90 dB·Hz的載噪比下,仍包含了較大的噪聲,與圖6的調(diào)制域分析結(jié)論一致。

4 總 結(jié)

單路信號(hào)的時(shí)域波形可以直觀地反映GNSS基帶信號(hào)的畸變情況,本文提出了一種可用于多路復(fù)用導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的單路信號(hào)分離算法,并分析了跟蹤環(huán)路誤差、多普勒頻移以及比特符號(hào)不平衡對(duì)算法分離效果的影響,理論仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均驗(yàn)證了所提分離算法的可靠性和有效性,具有很好的理論和實(shí)踐意義。

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(編輯 劉楊)

A Single Channel Separation Algorithm for New Multiplexing Satellite Navigation Signals

LU Hu1,LIAN Baowang2,YAN Hao2

(1. Information and Navigation Institute, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China;2. School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

A new single-channel separation algorithm for satellite navigation signals is proposed to solve the problem that traditional separation methods that use signal’s time/frequency/modulation domain orthogonal characteristics are no longer suitable for the complex modulation signals. The random characteristics in different channels are used to design a periodic mask accumulation rule for the multi-channel mixed signals. The residuals and compensation factors of mask accumulated values for each branch are calculated to obtain the product coefficients which let the accumulation sum of corresponding undesired channels get zero. Then the desired separation of the signals is achieved. Simulation and testing results, as well as comparison with a traditional evaluation method without separation, show that the carrier phase resolution and the pseudo-random code symbol resolution of the proposed separation algorithm are better than 5° and 0.01%, respectively, and that the algorithm accurately shows the time/frequency/modulation domain distortion of baseband signal. The proposed separation algorithm may provide a technical support for the quantitative evaluation and processing of the next generation navigation signals.

satellite navigation; multiplexing modulation; signal separation; periodic mask accumulation

2016-04-05。 作者簡(jiǎn)介:盧虎(1975—),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61473308,61174194)。

時(shí)間:2016-10-26

10.7652/xjtuxb201612006

TN911.6;TN98

A

0253-987X(2016)12-0032-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http: ∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20161026.1757.006.html