基于預(yù)檢測通道的新體制GNSS信號捕獲方法

蓋世豪，劉應(yīng)剛，孟海濤，楊文津

(1.中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

基于預(yù)檢測通道的新體制GNSS信號捕獲方法

蓋世豪1，劉應(yīng)剛1，孟海濤1，楊文津2

(1.中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

以二進(jìn)制偏置載波調(diào)制(Binary Offset Carrier，BOC)信號為主體的新體制全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)信號接收基帶處理技術(shù)已成為未來衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計的重要內(nèi)容。針對該類信號由頻譜主瓣分離特性與自相關(guān)函數(shù)多峰特性引發(fā)的信號捕獲過程平均搜索時間長、捕獲精度低的問題，將基于單邊帶的BPSK-like信號檢測技術(shù)與傳統(tǒng)聯(lián)合邊帶信號檢測技術(shù)相結(jié)合，提出一種適用于工程設(shè)計的基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲方法，給出了該方法的設(shè)計思想與運行原理，從檢測概率與平均捕獲時間兩方面對該方法進(jìn)行了使用性能分析。并通過硬件接收機(jī)測試平臺對該方法進(jìn)行測試，證明了所提方法的有效性。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；捕獲；二進(jìn)制偏置載波調(diào)制；BPSK-like；聯(lián)合邊帶

0 引言

GNSS信號捕獲[1]過程即為擴(kuò)頻信號能量檢測過程，常用方法可分為時域串行搜索和頻域并行搜索2類。對于導(dǎo)航新體制信號中的BOC類調(diào)制信號[2]而言，由于其特殊的頻譜主瓣分離特性和自相關(guān)函數(shù)多峰特性，隨著BOC信號調(diào)制階數(shù)的增加，在運用傳統(tǒng)相移鍵控(Phase Shift Keying，PSK)調(diào)制信號的捕獲方式時會出現(xiàn)平均捕獲時間過長或漏捕概率過高等問題。工程中通常使用的等效邊帶[3]處理法，將BOC信號分離的頻譜進(jìn)行單邊帶處理，該方法簡化了捕獲流程，卻因自相關(guān)函數(shù)主峰判定模糊度問題導(dǎo)致捕獲精度的降低[4]。

針對這一現(xiàn)狀，本文提出了一種基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲方式，利用預(yù)檢測通道獲取輔助性先驗信息的思想，大幅縮小了傳統(tǒng)聯(lián)合邊帶捕獲方法的搜索范圍，著重解決調(diào)制階數(shù)較高的BOC類信號捕獲過程中碼相位捕獲精度與平均搜索時間之間的矛盾，優(yōu)化了該類信號的基帶處理性能[5]。

1 BOC類信號捕獲性能

1.1 BOC類信號特性

BOC調(diào)制信號是通過導(dǎo)航電文信息、二值偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼、方波副載波做異或運算后，與載波信號做混頻運算得到的，可表示為：

(1)

式中，akμnTs(t)為nTs時長的脈沖信號；CTs(t)為以2Ts為周期的副載波信號；n表示一個擴(kuò)頻符號內(nèi)存在副載波周期數(shù)目的2倍，若將基本BOC信號表示為BOC(fs，fc)，其中，fs和fc表示生成信號中副載波頻率和擴(kuò)頻碼速率的與基準(zhǔn)頻率(1.023 MHz)的比值，則n=2fs/fc，為BOC信號調(diào)制階數(shù)。

二值副載波對信號生成的根本影響在于由等效載波混頻導(dǎo)致的信號功率譜相對中心頻點的頻譜主瓣偏置式分離[6]，且偏置頻率隨著調(diào)制階數(shù)的增加而增加。與此同時，受基帶信號中副載波的影響，原本的擴(kuò)頻碼自相關(guān)函數(shù)由正值單峰值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)值交替的多峰值函數(shù)，且峰值數(shù)目為2n-1，即隨著調(diào)制階數(shù)n的增加，BOC信號自相關(guān)函數(shù)峰值數(shù)目也隨之增加[7]。調(diào)制階數(shù)n=14的高階BOC信號功率譜分離現(xiàn)象和自相關(guān)函數(shù)多峰值現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 高階BOC信號功率譜和自相關(guān)函數(shù)特性

1.2 基帶捕獲特性

傳統(tǒng)GNSS基帶信號捕獲策略可分為串行搜索與并行搜索兩大類，該兩種方法以不同的形式對導(dǎo)航信號中的解擴(kuò)能量進(jìn)行檢測，應(yīng)用到BOC類調(diào)制信號層面，由于該類信號頻譜與自相關(guān)函數(shù)的特殊性，導(dǎo)致信號捕獲過程存在下述兩類問題：

① 對以串行策略為主的雙邊帶聯(lián)合類捕獲法[8]，由于BOC信號自相關(guān)函數(shù)多過零點特性，為避免能量漏檢，必須使碼相位搜索步長Cstep滿足：

Cstep≥2 046×(2n-1)，

(2)

式中，n為調(diào)制階數(shù)。該特性致調(diào)制階數(shù)較大時，BOC類信號使捕獲過程平均搜索時間遠(yuǎn)大于PSK信號，并且隨調(diào)制階數(shù)上升大幅增加；

② 對以并行策略為主的等效單邊帶捕獲法，雖然減少了平均捕獲時間，卻由于檢測閾值難以精確設(shè)定，極易導(dǎo)致對高階BOC信號的碼相位估算值與其主峰所在位置的碼相位值之間存在一定偏差，降低捕獲精度。

由于碼相位搜索步長過大問題或檢測閾值錯誤設(shè)定問題引起的信號漏檢或鎖定偏差如圖2所示。

圖2 BOC信號捕獲過程中的漏檢與鎖定偏差問題

2 基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲法

2.1 基本原理與工作流程

為解決上述BOC信號基帶捕獲處理過程中平均搜索時間與捕獲精度之間的矛盾，以短時間內(nèi)解決偽碼相位的精確檢測為目的，本文在原有通用捕獲策略的基礎(chǔ)上提出一種基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲方法。

該方法設(shè)置2個獨立工作的捕獲通道，由基于并行搜索的預(yù)檢測通道快速生成輔助性先驗信息，并運用該先驗信息作為低搜索步長串行捕獲通道的搜索范圍輸入條件，大幅減少串行捕獲的碼相位搜索歷元數(shù)目，以減少整體捕獲時間。該方法基本架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于粗/精捕模塊并行捕獲法架構(gòu)

基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲運行過程中，并行預(yù)檢測通道與串行捕獲通道均獨立開展工作，二者唯一聯(lián)系在于串行捕獲通道載波與偽碼搜索范圍由實時上報的并行預(yù)檢測通道多普勒估計值與碼相位估計值決定。整個雙通道基帶捕獲模塊運行流程如下：

① 經(jīng)過數(shù)字采樣與的中頻GNSS信號同步輸入至2個捕獲通道，并行預(yù)檢測通道單邊帶在載波NCO的驅(qū)動下，通過BPSK-like的方式對BOC信號的單個邊帶進(jìn)行數(shù)字混頻處理，并在數(shù)據(jù)補(bǔ)償平均的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行分段FFT處理；

② 與此同時，對本地生成的擴(kuò)頻碼進(jìn)行分段FFT處理，并與上一步中經(jīng)FFT處理后的采樣信號進(jìn)行共軛相乘運算和IFFT運算，完成數(shù)據(jù)重構(gòu)后，進(jìn)行解擴(kuò)能量值判定；

③ 若并行預(yù)檢測通道解擴(kuò)能量值高于判定門限，則認(rèn)為信號預(yù)檢測成功，將本地多普勒估計值與碼相位估計值作為先驗信息輸出至串行捕獲通道，反之則改變載波NCO輸出，繼續(xù)上述判定過程；

④ 串行捕獲通道通過聯(lián)合邊帶的方式對BOC信號的上下雙邊帶進(jìn)行數(shù)字混頻處理，并根據(jù)上報的多普勒估計值與碼相位估計值調(diào)整本地載波與偽碼的生成狀態(tài)，通過相關(guān)運算與Tang氏累計時間判別[8]的方式完成能量檢測，同時，為避免峰值錯鎖，采用自相關(guān)峰值包絡(luò)檢測的方式對信號檢測結(jié)果進(jìn)行判定；

⑤ 檢測結(jié)果經(jīng)自相關(guān)峰包絡(luò)檢測鑒定無誤后，串行捕獲通道根據(jù)當(dāng)前載波與偽碼狀態(tài)將導(dǎo)航信號的多普勒測量值與碼相位測量值輸出至后續(xù)跟蹤環(huán)路，完成信號捕獲。

捕獲模塊設(shè)計過程中，可根據(jù)當(dāng)前信號環(huán)境和使用場景設(shè)定各類門限判定值與Tang氏判別過程中的初始累計常量值，從而達(dá)到捕獲時間與檢測概率的最佳配比。

2.2 捕獲性能分析

下面以檢測概率和平均捕獲時間為參數(shù)評估基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲法捕獲性能。

2.2.1 檢測概率

到達(dá)信號載噪比一定時，并行預(yù)檢測通道非相干幅值在不同信號存在條件下服從Rayleigh分布和Ricean分布；串行捕獲通道在并行預(yù)檢測通道的基礎(chǔ)上完成最終捕獲，其檢測概率取決于預(yù)檢測通道精度和Tang氏判別常量設(shè)置。

圖4分別描述了并行預(yù)檢測通道在不同相干積分時間條件下信號監(jiān)測概率隨載噪比的變化以及固定積分時間時串行捕獲通道檢測概率(即雙通道捕獲法的最終捕獲概率)隨Tang氏判別起始累計量的變化情況。

圖4 雙路并行捕獲法檢測概率

通過圖4可知，環(huán)境噪聲條件下，該算法在支路相干積分時間[9]達(dá)到4 ms時，采用不小于6的Tang氏判別累計量，即可以完成對天線口面電平不小于-139 dBm信號的檢測，符合一般條件下接收機(jī)工作環(huán)境的信號捕獲需求。

2.2.2 平均搜索時間

對于基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲法而言，其平均搜索時間為并行預(yù)檢測通道與串行捕獲通道平均搜索時間相加，主要與到達(dá)天線口面信號載噪比和雙通道相干積分時間有關(guān)；另外，為保證信號檢測有效性，通常選擇串行捕獲通道Tang氏判別累計量≥5。圖5(a)顯示了當(dāng)串行捕獲通道相干積分時間為2 ms，Tang氏判別累計量為5時，預(yù)檢測通道不同相干積分時間測量平均捕獲時間受載噪比的影響；圖5(b)顯示了并行預(yù)檢測通道相干積分時間為2 ms，串行捕獲通道Tang氏判別累計量為5時，串行捕獲通道不同相干積分時間受載噪比的影響。

由圖5可知,當(dāng)串行捕獲通道參數(shù)固定時，平均捕獲時間主要受接收信號載噪比的影響，而受相干積分時間影響較小；但當(dāng)并行預(yù)檢測通道相干積分時間固定時，平均捕獲時間受串行捕獲通道相干積分時間影響較大，即串行捕獲通道相干積分時間對整體捕獲模塊平均捕獲時間起到?jīng)Q定性作用。其主要原因是當(dāng)積分時間較短且信號載噪比較低時，較低的初檢概率會使Tang氏判過程受到影響，使信號檢測概率大幅降低，從而使平均捕獲時間急劇增加。

圖5 雙路并行捕獲平均捕獲時間

因此，在捕獲通道設(shè)計過程中，為防止因信號太弱而引起的捕獲時間過長與漏捕獲等問題，應(yīng)盡量保持串行捕獲通道積分時間在4 ms以上，以保證整體捕獲效率。對于Tang氏判別累計量而言，當(dāng)此值大于一定數(shù)值后，對整體捕獲概率的收斂情況影響不大，因此其選值能夠保證捕獲概率收斂即可。

3 接收機(jī)平臺測試

3.1 測試平臺和測試內(nèi)容

測試平臺是以FPGA和DSP處理板為核心的通用GNSS信號接收處理平臺[10]。

測試內(nèi)容分為高階BOC信號首次檢測概率和開機(jī)捕獲時間兩部分，以評估上述捕獲方法的實際捕獲性能。

3.2 測試信號

本試驗中接收信號由可配置導(dǎo)航信號模擬源[11]生成，為驗證雙通道捕獲法的廣泛高階BOC信號適用性，設(shè)定信號參數(shù)如下：

① 信號采用BOC(14，2)調(diào)制方式；

② 基帶擴(kuò)頻碼選取長度為2 046的Gold碼；

③ 導(dǎo)航電文速率為50 bps，電文內(nèi)容為僅存幀頭的無意義數(shù)據(jù)；

④ 發(fā)射信號中心頻點為1 575.42 MHz；

⑤ 設(shè)到達(dá)信號載噪比為41 dB·Hz。

3.3 測試方法與結(jié)果

3.3.1 首次檢測概率

接收機(jī)采取雙路相干積分時間為4 ms的設(shè)計方式，在模擬源正常發(fā)射信號的條件下，對接收機(jī)發(fā)出單通道搜索指令，若一次完整搜索后捕獲模塊可以輸出與模擬源信號碼相位和載波頻率相匹配的觀測量，則判定捕獲成功。按照該方法對捕獲模塊進(jìn)行100次配置測定，得出不同載噪比下信號捕獲概率如表1所示。

表1 信號首次檢測概率測試結(jié)果

信噪比/dB·Hz檢測概率/%34363840424489979810099100

通過表1中對信號捕獲的測試結(jié)果可知，在一般接收機(jī)要求的35 ·載噪比的工作條件下，該雙路捕獲方式可以達(dá)到90%以上的檢測概率，與理論分析值基本一致，具有較高的檢測性能。

3.3.2 開機(jī)捕獲時間

由于虛警事件的存在，接收機(jī)通常采取測定開機(jī)至全通道幀同步所需時間的方式來檢測其捕獲速度，該時間定義為開機(jī)捕獲時間。對于接收機(jī)采取5組開機(jī)測試，得出開機(jī)捕獲時間結(jié)果如表2所示。

表2 開機(jī)捕獲時間測試結(jié)果

試驗序號開機(jī)捕獲時間/s123454852576451

從試驗結(jié)果可知，在無任何先驗信息的條件下，基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲方法基本可以在1 min之內(nèi)完成對BOC(14，2)信號的初次捕獲，符合現(xiàn)階段高性能接收機(jī)的設(shè)計[12]要求。

4 結(jié)束語

針對新體制GNSS信號中BOC類信號捕獲過程中存在的平均搜索時間和捕獲精度的矛盾，運用快速大范圍搜索測量與高精度小范圍搜索策略相結(jié)合的思想，設(shè)計出一種基于預(yù)檢測通道的雙通道捕獲方法，實現(xiàn)了該類信號的快速高精度捕獲。介紹了該方法的基本原理和工作流程，對該方法進(jìn)行了理論性能分析，并通過接收機(jī)硬件測試平臺對其檢測性能進(jìn)行了測試評估。測試結(jié)果表明，該方法能夠在無任何先驗信息輔助的條件下達(dá)到較好的高階BOC信號捕獲效果，具備一定的實際應(yīng)用價值，對未來廣泛應(yīng)用的新體制GNSS信號接收機(jī)設(shè)計提供參考。

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AcquisitionMethodofNewSystemGNSSSignalsBasedonthePre-detectionChannel

GAI Shi-hao1,LIU Ying-gang1,MENG Hai-tao1,YANG Wen-jin2

(1.Unit61711,PLA,KashiXinjiang844000,China; 2.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

The receiving-baseband processing technology of new system Global Navigation Satellite System (GNSS) signals mainly based on the Binary Offset Carrier (BOC) signals has already been one of the most important parts of designing GNSS receivers in the future.For this kind of signals,long mean search and low acquisition performance are caused by separating spectrum mainlobe and multi-peaks autocorrelation.In view of these problems,this paper puts forward a kind of parallel-channel acquisition method based on pre-detection channel by combining the joint sideband detection with the BPSK-like acquisition technologies,which is applicable to engineer design.It introduces the design idea and operation principle of the proposed method,and analyzes the performance of acquisition module in terms of probability and average time of acquisition process.This method is tested by using GNSS receiver hardware test platform,and the test results show that the proposed method is available.

GNSS;acquisition;BOC;BPSK-like;joint sideband

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.09

蓋世豪，劉應(yīng)剛，孟海濤，等.基于預(yù)檢測通道的新體制GNSS信號捕獲方法[J].無線電工程,2017,47(12):38-42.[GAI Shihao,LIU Yinggang,MENG Haitao,et al.Acquisition Method of New System GNSS Signals Based on the Pre-detection Channel[J].Radio Engineering,2017,47(12):38-42.]

TN911.3

A

1003-3106(2017)12-0038-05

2017-02-14

蓋世豪男，(1987—)，助理工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)航運控。

劉應(yīng)剛男，(1976—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)航運控。