單載波多信號分量導航信號檢測性能評估

楊建雷，范廣偉，葉紅軍，張 璞，張曉旭

(1.衛星導航系統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；3.河北科技大學 信息科學與工程學院，河北 石家莊 050018)

0 引言

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)是信息時代的國家重要基礎設施之一，其重要性已為世界所重視。GNSS作為國家綜合國力的重要組成部分，世界各國都正在完善和研制自主的衛星導航系統，如美國的GPS(Global Positioning System)、俄羅斯的GLONASS(Global Orbiting Navigation Satellite System)、歐洲的Galileo系統、中國的BDS(BeiDou Navgation Satellite System)以及日本的QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)和印度的IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)衛星導航系統。信號體制設計作為GNSS設計的關鍵技術之一，在GPS現代化、Galileo和BDS設計過程中均處于重要地位。信號體制決定了導航系統的先天性能，是系統設計和升級過程中必須考慮的關鍵因素之一[1]。

針對新型信號體制設計思想的提出，學者們進行了多方面的研究工作，如文獻[2-3]研究了降低數據跳變對檢測性能影響的捕獲方法，文獻[4-5]研究了碼片時分導航信號的捕獲方法，文獻[6-7]研究了BOC和AltBOC等信號的跟蹤方法，文獻[8-9]研究了BOC和MBOC信號在干擾條件下的跟蹤性能評估方法等。隨著GNSS不斷發展，使得導航頻譜資源日益緊張，引入單頻波多信號分量的設計思想可提高頻帶利用率，節省發射功率，降低對衛星載荷的要求，在GPS現代化、Galileo和BDS建設過程中均采用了單載波多信號分量的設計思想。信號體制的檢測/捕獲性能導航信號性能評估的關鍵指標之一，單載波多信號分量的設計思想直接影響信號體制的檢測性能，在已有的研究工作中，針對單載波多信號分量導航信號檢測性能研究工作開展較少，因此有必要開展單載波多信號分量導航信號檢測性能進行分析與評估方面的工作。

1 單載波多信號分量導航信號體制

在GPS現代化[10-11]、Galileo[12]和BDS[13]建設過程中，均采用了單載波多信號分量的設計思想，分別如表1、表2和表3所示。

表1 GPS現代化后的信號體制

中心頻率/MHz信號分量調制方式1575.42L1C/ABPSK(1)L1P(Y)BPSK(10)L1MBOC(10,5)L1CDataBOC(1,1)L1CPilotTMBOC(6,1,4/33)1227.60L2CDataL2CPilotL2ML2P(Y)BPSK(1)BOC(10,5)BPSK(10)1176.45L5CDataQPSK(10)

表2 Galileo的信號體制

中心頻率/MHz信號調制方式1575.42E1OSDataCBOC(6,1,1/11,+)E1OSPilotCBOC(6,1,1/11,-)E1PRSBOC(15,2.5)1176.451207.14E5aDataE5aPilotE5bDataE5bPilotAltBOC(15,10)1278.75E6CSDataE6CSPilotE6PRSBPSK(5)BOC(10,5)

表3 BDS的信號體制

中心頻率/MHz信號調制方式1561.098B1IBPSK(2)1575.42B1CDataB1CPilotB1ADataB1APilotBOC(1,1)TMBOC(6,1,1/11)BOC(14,2)1176.451207.14B2aDataB2aPilotB2bDataB2bPilotAltBOC(15,10)1268.52B3IB3QB3ADataB3APilotB3CDataB3CPilotBPSK(10)BPSK(10)BOC(15,2.5)

由表1、表2和表3可以看出，GPS現代化后L1頻點采用5個信號分量，L2頻點采用4個信號分量，L5頻點采用2個信號分量，Galileo E1采用3個信號分量，E5采用4個信號分量，E6采用3個信號分量，BDS B1和B2頻點采用4個信號分量，B3頻點采用6個信號分量，采用單載波多信號分量的設計思想已經成為現階段信號體制設計必不可少的設計思想，因此研究多信號分量的聯合捕獲方法對信號檢測性能的影響具有重要的意義。

2 多信號分量聯合捕獲方法

為了提高接收機的捕獲靈敏度，學者們提出眾多通道聯合捕獲方法，這類方法可以分為3種[14]：非相干組合(Non-coherent Channel Combining，NCC)、基于符號估計的相干通道組合(Coherent Channel Combining，CCC)和差分組合(Differential Channel Combining，DCC)。NCC方法將Pilot與Data通道平方處理后再累加，消除了Pilot和Data通道的符號翻轉對相關峰的影響，但該方法存在平方損失的問題，檢測性能不如CCC方法[15]。CCC方法將預先估計Pilot與Data通道的相對符號，即對兩通道的相關進行相加或相減，從中選取大的相關值為最終的判決變量[16]，CCC方法要優于NCH和DCC方法[17]。DCC方法可視為傳統的相干組合方法與NCH方法的一種折衷，該方法既解決了傳統的通道相干組合方法Pilot和Data通道的符號翻轉對相關峰的影響，又消除了NCH方法存在平方損失的問題，因此該方法檢測性能介于CCC與NCC方法之間[18]。然而上述介紹的NCC、CCC和DCC方法僅適用于2個信號分量聯合捕獲的情況，基于CCC方法，文獻[19]給出了時分AltBOC(Time Division AltBOC，TD-AltBOC)[20]采用4個信號分量進行聯合捕獲的原理框圖、虛警概率與檢測概率數學模型，分別如圖1、式(1)和式(2)所示。

圖1 多信號分量聯合捕獲方法原理

(1)

(2)

3 信號檢測性能評估與分析

為了分析評估單載波多信號分量導航信號的捕獲性能，以TD-AltBOC為例(文獻[20]中已指出該信號可作為BDS備選信號)，采用蒙特卡羅仿真分析了TD-AltBOC多信號分量聯合捕獲時的檢測概率、接收機工作特性(ReceiverOperatingCharacteristic，ROC)曲線和平均捕獲時間(MeanAcquisitionTimeMAT)[21]。試驗中選取TD-AltBOC信號擴頻碼周期為1ms，碼長10 230chips，中頻44.795MHz，采樣率150MHz，仿真次數為105次，相干和非相干累加次數為1。Data和Pilot通道調制的電文比特和NH碼均為隨機的。

3.1 檢測概率

TD-AltBOC信號采用不同的信號分量捕獲時檢測概率對比曲線如圖2所示。試驗中，虛警概率10-3，載噪比變化范圍為25～45dB-Hz。

圖2 采用不同的信號分量聯合捕獲時檢測概率對比

由圖2可以看出，相對采用單信號分量的捕獲性能，采用多信號分量聯合捕獲時具有更高的檢測概率，可提高捕獲靈敏度3～6dB，當載噪比為37dB-Hz時，TD-AltBOC檢測概率可達90%。

3.2 ROC

采用不同的信號分量聯合捕獲性時，載噪比為38dB-Hz條件下ROC曲線對比如圖3所示。

圖3 采用不同的信號分量聯合捕獲時ROC曲線對比

由圖3可以看出，采用多信號分量聯合捕獲時ROC曲線明顯優于采用單信號分量捕獲性能，多信號聯合捕獲是一種較好的單載波多信號分量信號體制的捕獲策略。

3.3 MAT

采用不同的信號分量聯合捕獲時，MAT曲線對比如圖4所示。

圖4 采用不同的信號分量聯合捕獲時MAT曲線對比

MAT是衡量捕獲性能的另一個重要指標，平均捕獲時間定義為[22]：

(3)

式中，Pd為檢測概率；Pfa為虛警概率；Tc為相干積分時間；Nnc為非相干積分次數；Ncode為碼相位搜索的數目；Nfd為Doppler搜索數目；kfa為虛警的代價系數，kfaTcNnc=1 s，此值與虛警處理時間有關。

由圖4可以看出，相對于單信號分量捕獲方法，多信號分量聯合捕獲可降低平均捕獲時間5～30%。

4 結束語

本文分析單載波多信號分量設計思想對信號檢測性能的影響，通過蒙特卡羅仿真和理論分析的方法證明了多信號分量聯合捕獲是一種較好的單載波多信號分量導航信號的捕獲策略，可提高信號的捕獲靈敏度，降低平均捕獲時間。同時，也證明了單載波多信號分量設計思想在提高導航信號捕獲性能方面的優勢與合理性。

相對于單信號分量捕獲方法，多信號分量聯合捕獲的方法雖然提高了導航信號的捕獲性能，但卻增加了捕獲算法的復雜度，在后續的研究工作中可以開展復雜度相關方面的研究。

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