陳頡，盧曉春，賀成艷

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Galileo E1 OS信號(hào)捕獲方法研究

陳頡1,2,3，盧曉春1,2，賀成艷1,2,3

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

為了獲得較好的捕獲性能，解決Galileo E1 OS（開(kāi)放服務(wù)）信號(hào)捕獲過(guò)程中遇到的2個(gè)問(wèn)題：信號(hào)功率利用不夠充分，以及捕獲結(jié)果的多峰錯(cuò)鎖與相位模糊問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用BPSK-like技術(shù)的雙通道信號(hào)捕獲方法。將此方法應(yīng)用于實(shí)測(cè)信號(hào)，捕獲結(jié)果主峰明顯、幾乎無(wú)旁瓣，捕獲性能理想。

Galileo E1 OS信號(hào)；CBOC調(diào)制方式；信號(hào)捕獲；BPSK-like技術(shù)；GIOVE-B衛(wèi)星

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人類(lèi)生活水平的不斷提高，衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)已經(jīng)應(yīng)用于人類(lèi)生活的各個(gè)方面。同時(shí)，各領(lǐng)域?qū)?dǎo)航服務(wù)性能的要求也越來(lái)越高，伴隨而來(lái)的是相關(guān)技術(shù)的不斷革新。

為了獲得高性能的導(dǎo)航服務(wù)，現(xiàn)代GNSS系統(tǒng)采用了新的信號(hào)體制[1]。新的調(diào)制方式和早期的BPSK調(diào)制方式不同，它們主要采用BOC及其衍生型BOC調(diào)制方式，這主要是因?yàn)橄鄬?duì)于BPSK調(diào)制方式而言，BOC信號(hào)具有更好的譜分離特性、抗干擾特性和相關(guān)性；在新的信號(hào)體制中，信號(hào)一般是多通道組合信號(hào)，由數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量構(gòu)成，導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制在數(shù)據(jù)分量上，而導(dǎo)頻分量的碼也不再是短碼，而是由主碼和次碼構(gòu)成的分層碼。

新的信號(hào)體制及其調(diào)制方式的變革，使得傳統(tǒng)的信號(hào)捕獲算法不再適用。首先，傳統(tǒng)的GNSS信號(hào)只有一個(gè)信號(hào)分量，而現(xiàn)代GNSS信號(hào)主要是多通道組合信號(hào)，其功率按一定比例分配給數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)頻通道。導(dǎo)航信號(hào)的信噪比一般很低，如果對(duì)現(xiàn)代GNSS信號(hào)使用傳統(tǒng)的單通道捕獲算法，將會(huì)損失一定的有效信號(hào)功率，捕獲性能不夠理想。采用數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻分量組合的策略進(jìn)行捕獲，可以有效地利用信號(hào)功率，因此具有較好的捕獲性能。其次，BOC及其衍生型BOC調(diào)制信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)在一個(gè)碼片范圍內(nèi)存在多個(gè)峰值，當(dāng)信號(hào)的信噪比較低時(shí)，旁峰很可能會(huì)高于主峰，因而導(dǎo)致捕獲結(jié)果的碼相位模糊，造成誤檢。消除碼相位模糊的常用方法是BPSK-like技術(shù)[2]，它利用濾波器得到BOC信號(hào)功率譜后，將其當(dāng)作BPSK信號(hào)處理，搜索到載波頻率和碼相位。

Galileo E1 OS（開(kāi)放服務(wù)）信號(hào)包含數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量2個(gè)信號(hào)分量，它們均采用CBOC（composite binary offset carrier）調(diào)制方式。傳統(tǒng)的信號(hào)捕獲算法適用于單通道導(dǎo)航信號(hào)，對(duì)于具有2個(gè)信號(hào)分量的E1 OS信號(hào)，由于沒(méi)有充分利用信號(hào)功率，捕獲性能不夠理想；另一方面，CBOC信號(hào)的相關(guān)函數(shù)具有多個(gè)峰值，可能引起捕獲結(jié)果的多峰錯(cuò)鎖和相位模糊。本文設(shè)計(jì)了一種適用于Galileo E1 OS信號(hào)的捕獲算法。在消除碼相位模糊方面，采用了BPSK-like技術(shù)；為了有效利用信號(hào)功率，本文應(yīng)用了聯(lián)合數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻分量的策略對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲。最后，我們對(duì)GIOVE-B E1 OS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了捕獲，性能較好。

1 Galileo系統(tǒng)E1OS信號(hào)

1.1 信號(hào)模型

圖1 E1 OS信號(hào)的產(chǎn)生框圖

根據(jù)圖1，可寫(xiě)出各信號(hào)分量的表達(dá)式：

E1 OS的2個(gè)信號(hào)分量中，數(shù)據(jù)通道（B）信號(hào)分量由主碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)經(jīng)副載波調(diào)制而成；而導(dǎo)頻通道（C）信號(hào)分量由主碼和次碼經(jīng)副載波調(diào)制而成，不含導(dǎo)航數(shù)據(jù)。2個(gè)信號(hào)分量可以進(jìn)一步描述如下：

由前面的分析可知，E1 OS信號(hào)由2個(gè)CBOC信號(hào)相減而成，其理想時(shí)域波形如圖2所示。

圖2 E1 OS信號(hào)時(shí)域波形仿真

圖2畫(huà)出了Galileo E1 OS信號(hào)的前10個(gè)碼片的波形。實(shí)測(cè)E1 OS信號(hào)來(lái)源于2012年5月1日的GIOVE-B導(dǎo)航衛(wèi)星，數(shù)據(jù)由新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站采集得到，其采樣率為150MHz，數(shù)字中頻載波為53 MHz。利用Welch周期圖法估計(jì)得到的功率譜如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)E1 OS信號(hào)帶寬估計(jì)

圖3畫(huà)出了實(shí)際信號(hào)的功率譜，將中心頻率兩邊的功率譜極小值之間的距離作為主瓣帶寬，可以得到實(shí)測(cè)信號(hào)的功率譜主瓣帶寬約為4.053 9 MHz。

1.2 CBOC（6，1，1/11）信號(hào)的頻譜特性[4]

式（2）和（3）給出了E1 OS CBOC信號(hào)的表達(dá)式，CBOC（6，1，1/11）由BOC（1，1）和BOC（6，1）按照10/11和1/11的功率比組合而成。其中，BOC（1，1）信號(hào)可以描述如下：

為了進(jìn)一步分析CBOC（6，1，1/11）和BOC（1，1）信號(hào)的功率譜特性，將它們和實(shí)測(cè)E1 OS信號(hào)畫(huà)在一起，見(jiàn)圖4所示。其中實(shí)測(cè)E1 OS數(shù)據(jù)和1.1節(jié)的數(shù)據(jù)相同，此處不贅述。

圖4（a）給出了實(shí)際Galileo E1 OS信號(hào)的功率譜，以及CBOC（6，1，1/11）信號(hào)和BOC（1，1）信號(hào)的理想功率譜。由圖4（a）可以看出，實(shí)測(cè)信號(hào)功率譜和理想功率譜擬合度良好。由于BOC（6，1）信號(hào)的功率比僅為1/11，在主瓣和第1旁瓣內(nèi)，CBOC（6，1，1/11）信號(hào)和BOC（1，1）信號(hào)理想功率譜基本重合，這意味著B(niǎo)OC（6，1）分量在窄帶范圍（5MHz）內(nèi)，對(duì)CBOC（6，1，1/11）信號(hào)功率的貢獻(xiàn)很小。因此，使CBOC（6，1，1/11）信號(hào)通過(guò)一個(gè)帶寬為4.1 MHz（僅包含主瓣）的窄帶濾波器后，可以將其當(dāng)作BOC（1，1）信號(hào)進(jìn)行捕獲。圖4（b）給出了CBOC（6，1，1/11）和BOC（1，1）的相關(guān)曲線，由圖可以看出二者相關(guān)曲線類(lèi)似，這是因?yàn)镃BOC信號(hào)中BOC（1，1）信號(hào)所占的功率比為10/11。

2 Galileo E1 OS信號(hào)捕獲方法的實(shí)現(xiàn)

與BPSK信號(hào)相比，E1 OS信號(hào)的捕獲更加復(fù)雜。首先需要解決相關(guān)函數(shù)相位模糊的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用了BPSK-like算法。同時(shí)，本文采用了聯(lián)合數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量的策略，充分利用了信號(hào)功率，使捕獲性能得到提高。

2.1 并行碼相位搜索方法

信號(hào)捕獲的目的是確定可見(jiàn)衛(wèi)星，及其實(shí)際載波頻率和碼同步信息的粗略值。在衛(wèi)星信號(hào)已知的情況下，捕獲是一個(gè)二維搜索過(guò)程，其搜索空間為多普勒頻率和碼片延時(shí)構(gòu)成的二維平面。

定制化生產(chǎn)、優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃，根據(jù)客戶(hù)需要，滿(mǎn)足互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)下客戶(hù)需求的獨(dú)特化。因?yàn)椴灰粯拥南M(fèi)者有著不同的需求，而且這些需求之間的差異化是比較大的?；ヂ?lián)網(wǎng)模式下整個(gè)價(jià)值鏈的成本管理，“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代推動(dòng)了商業(yè)模式的更迭，企業(yè)不僅關(guān)注一種產(chǎn)品的成本，還要強(qiáng)調(diào)價(jià)值鏈成本的有效管理；可以實(shí)行成本核算定額法，衡量每一天的成本。為了管理成本，必須結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的商業(yè)模式，同時(shí)與業(yè)務(wù)部門(mén)合作，以應(yīng)對(duì)創(chuàng)新和成本的不斷發(fā)展。

常用的捕獲實(shí)現(xiàn)方式有：串行搜索、并行碼相位搜索和并行頻率搜索。其中，并行碼相位搜索方法效率最高[6]。利用并行碼相位搜索時(shí)，本地碼的傅里葉變換在每次捕獲過(guò)程中僅執(zhí)行1次，而對(duì)于每個(gè)搜索頻點(diǎn)，也只需執(zhí)行1次FFT變換和IFFT變換，即可完成對(duì)所有碼相位和設(shè)定頻點(diǎn)的搜索，大大提高了捕獲效率。并行碼相位搜索方法的框圖如圖5所示。

圖5 并行碼相位搜索算法

捕獲有4個(gè)參數(shù)需要確定，分別是多普勒頻率搜索范圍及其步長(zhǎng)、碼片搜索范圍及其步長(zhǎng)。多普勒頻率搜索范圍和衛(wèi)星接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，多普勒頻率偏移最大可達(dá)到±10kHz[6]，由于接收機(jī)靜止，本文頻率搜索范圍設(shè)為±5kHz。碼延時(shí)搜索范圍通常為一個(gè)主碼周期，對(duì)Galileo E1 OS信號(hào)而言，為4092個(gè)碼片（即4ms），搜索步長(zhǎng)通常為采樣時(shí)間間隔。頻率搜索步長(zhǎng)根據(jù)實(shí)際情況而定，如果步長(zhǎng)大，則捕獲時(shí)間短，但是不夠精確，反之，捕獲結(jié)果更加精確，但是也比較耗時(shí)。

在并行碼相位搜索中，搜索步長(zhǎng)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為了提高捕獲精度，減少捕獲時(shí)間，本文采用4次捕獲。在±5 kHz的搜索范圍內(nèi)，第1次選取的步長(zhǎng)為200 Hz；第2次搜索中，以第1次得到的多普勒頻率為中心，搜索±200 Hz的頻率范圍，步長(zhǎng)為20 Hz；第3次搜索中，以第2次得到的多普勒頻率為中心，搜索±20Hz的頻率范圍，步長(zhǎng)為2Hz；第4次搜索中，以第3次得到的多普勒頻率為中心，搜索±2 Hz的頻率范圍，步長(zhǎng)為1Hz。最終，可以使多普勒頻率的搜索精度達(dá)到1Hz。

2.2 應(yīng)用于CBOC信號(hào)的BPSK-like捕獲算法

通過(guò)1.2節(jié)的分析可知，將CBOC（6，1，1/11）信號(hào)通過(guò)一個(gè)窄帶濾波器后，可以將其當(dāng)作BOC（1，1）信號(hào)進(jìn)行捕獲。在BOC（1，1）信號(hào)的捕獲中，為了解決相關(guān)函數(shù)多峰造成的碼相位模糊問(wèn)題，需要對(duì)信號(hào)做預(yù)處理。

2.3 聯(lián)合數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量的捕獲策略

通過(guò)前面的分析可知，CBOC（6，1，1/11）信號(hào)的捕獲最終可以簡(jiǎn)化為2個(gè)BPSK（1）信號(hào)的捕獲，CBOC信號(hào)可以簡(jiǎn)化為

3 捕獲結(jié)果

利用上面討論的E1 OS信號(hào)捕獲方法，對(duì)實(shí)測(cè)GIOVE-B E1 OS信號(hào)的第1個(gè)主碼周期（4 ms）的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，粗捕獲結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，相關(guān)峰主峰明顯，旁峰很低，捕獲結(jié)果較好。為了得到更精確的捕獲結(jié)果，程序執(zhí)行了4次不同步長(zhǎng)的捕獲，捕獲精度逐步提高，結(jié)果如圖8所示。

圖8 逐步細(xì)化的捕獲結(jié)果

圖8中，4次捕獲的步長(zhǎng)分別為200，20，2和1Hz。由圖8可以看出，隨著步長(zhǎng)的減小，相關(guān)峰值越來(lái)越集中；在第4次捕獲中，步長(zhǎng)減小為1 Hz，5個(gè)頻點(diǎn)的相關(guān)峰值基本相同，捕獲結(jié)果比較精確。4次捕獲的結(jié)果示于表1。

表1 逐步細(xì)化的捕獲結(jié)果

由表1可以看出，隨著第1次到第4次搜索步長(zhǎng)的逐漸減小，相關(guān)峰值越來(lái)越大，說(shuō)明捕獲結(jié)果越來(lái)越精確；而相位卻沒(méi)有變化，這是因?yàn)榇a相位對(duì)相關(guān)值影響很大，如果相位點(diǎn)不正確，相關(guān)結(jié)果將變得很小，因此，在捕獲過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一次粗捕獲就可以得到較為精確的相位值。

為比較各種通道組合策略對(duì)捕獲性能的影響，對(duì)采集的同一組GIOVE-B E1 OS數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，得到的捕獲結(jié)果示于表2。

表2 不同通道組合策略的捕獲結(jié)果

由表2可以看出，4種通道組合策略中，利用（-）策略進(jìn)行捕獲的相關(guān)峰值明顯大于其他策略的相關(guān)峰值，性能最好，這是因?yàn)槠渚哂信c接收信號(hào)相同的特征，并且充分利用了2個(gè)通道的信號(hào)功率；由于沒(méi)有充分利用2個(gè)通道的功率，B和C單通道捕獲性能比（-）策略差；（+）策略的捕獲性能最差，這是因?yàn)槠涮卣髋c接收信號(hào)不同。由于（-）策略捕獲結(jié)果優(yōu)于（+）策略，因此，由式（1）可以得到所分析的數(shù)據(jù)的B通道導(dǎo)航電文值為1，C通道二次碼值也為1。

圖9 解調(diào)后的時(shí)域波形圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于Galileo E1 OS信號(hào)捕獲的算法，它采用了BPSK-like技術(shù)和雙通道信號(hào)組合策略。首先，建立了Galileo E1 OS信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，給出了時(shí)域和頻域的仿真結(jié)果，并分析了CBOC信號(hào)和BOC（1，1）信號(hào)的頻譜特性；然后，闡述了并行碼相位搜索算法的原理，BPSK-like技術(shù)的原理及其在CBOC（6，1，1/11）信號(hào)捕獲中的應(yīng)用，以及聯(lián)合數(shù)據(jù)/導(dǎo)頻分量捕獲信號(hào)的原理；最后，利用算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIOVE-B E1 OS實(shí)測(cè)信號(hào)的捕獲，捕獲結(jié)果表明合適的通道組合策略可以有效地利用信號(hào)功率，從而獲得較高的捕獲性能。本文設(shè)計(jì)的捕獲算法簡(jiǎn)單實(shí)用、精度較高，可以應(yīng)用于Galileo接收機(jī)的設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)。從本文的分析可以看出，現(xiàn)代GNSS系統(tǒng)采用的新型調(diào)制方式和信號(hào)體制，使得信號(hào)捕獲算法的設(shè)計(jì)有了更多的靈活性。

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Research for acquisition of Galileo E1 OS signals

CHEN Jie1,2,3, LU Xiao-chun1,2, HE Cheng-yan1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Science, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

To obtain a better performance of acquisition, and solve two problems of acquisition of Galileo E1 OS(Open service) signals: not exploiting the signal power adequately and multiple peaks autocorrelation function allowing lock on secondary peaks with a non-zero probability,we designed a new method using BPSK-like technology and joint data/pilot acquisition strategies for acquisition of Galileo E1 OS signals after the analysis of the foregoing problems. Then we analyzed the real signals using the method. The results displayed an ideal acquisition figure which had a standard waveform and low secondary peaks.

Galileo E1 OS; CBOC; signal acquisition; BPSK-like technology; GIOVE-B

TN96

A

1674-0637(2013)04-0236-10

2012-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（11073022）；中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（Y207YC1701）；國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目（2007CBB15502）；中國(guó)科學(xué)院方向性資助項(xiàng)目（KJCX2-YW-T12）；衛(wèi)星導(dǎo)航與定位教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（B類(lèi)）開(kāi)放基金資助項(xiàng)目

陳頡，男，碩士，主要從事Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)體制，以及GNSS基帶信號(hào)的通信性能等方面研究。