沈燕群,宋茂忠,王旭東,孟 斌

(1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,南京210016;2.中國航天科技集團公司衛(wèi)星應(yīng)用研究院,北京100086)

衛(wèi)星廣播信號上重疊發(fā)射導(dǎo)航增強信號的方法*

沈燕群1,**,宋茂忠1,2,王旭東1,孟 斌2

(1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,南京210016;2.中國航天科技集團公司衛(wèi)星應(yīng)用研究院,北京100086)

提出了一種在衛(wèi)星廣播信號上重疊發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航增強信號的方法,將差分校正數(shù)據(jù)經(jīng)過擴頻后發(fā)射出去,與衛(wèi)星廣播信號進行頻譜重疊,一起經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。通過參數(shù)設(shè)計和性能仿真可知,差分增強信號對廣播信號的接收解調(diào)影響很小,差分接收機可以通過串行干擾抵消的方法從混合信號中提取出差分增強信號,實現(xiàn)解擴與輔助測距,解擴得到的差分校正數(shù)據(jù)可直接用于差分定位。當(dāng)混合功率比為26 dB時,捕獲概率達99.99%,測距精度為10.67 m,表明了此方法的可行性。

衛(wèi)星導(dǎo)航;頻譜重疊;干擾抵消;差分定位

1 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民用和軍用中發(fā)揮著越來越重要的作用,但由于衛(wèi)星導(dǎo)航的易受干擾性,導(dǎo)致在某些特殊情況下,衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度會有所降低甚至完全不可用,導(dǎo)航信號的增強[1-3]是提高精度和可用性的有效措施。差分校正是使用最廣泛的導(dǎo)航增強方法,如采用RTCM SC-104標準數(shù)據(jù)格式差分數(shù)據(jù)廣播服務(wù)等。

而隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展,衛(wèi)星通信頻譜資源越來越緊張,單獨地增加某一頻段予以增強導(dǎo)航所用是極為奢侈的,于是我們設(shè)計了一種在衛(wèi)星廣播信號上重疊發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航增強信號的方法,解決了衛(wèi)星通信和衛(wèi)星導(dǎo)航信號增強的綜合設(shè)計問題。

相關(guān)的技術(shù)有成對載波多址接入[4](Paired Carry Multiple Access,PCMA)方式,它主要針對的是采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器并且信號可自環(huán)(每一個終端發(fā)出的信號可以被包括它本身在內(nèi)的任何一個終端接收到)的雙向衛(wèi)星通信系統(tǒng),通信雙方用戶終端可以同時使用完全相同的頻率/時隙/擴頻碼,每個終端都可以確切地知道自身所發(fā)送的上行信號,而且也確切地知道該信號的轉(zhuǎn)發(fā)、處理過程。但很少有將衛(wèi)星通信信號和導(dǎo)航增強信號重疊發(fā)射的研究,且衛(wèi)星通信信號與導(dǎo)航增強信號都不確切知道。

本文所提的方法首先將差分校正數(shù)據(jù)經(jīng)過擴頻后以廣播信號頻段發(fā)射出去,再將廣播信號與差分增強信號頻譜重疊后經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)出去,由于兩信號間的功率不平衡性,廣播信號接收機不需要抵消差分增強信號也能夠?qū)V播信號正確解調(diào),而差分接收機可利用串行干擾抵消[5-6]的方法,從合成信號中抵消掉干擾的廣播信號,近似得到差分增強信號的估計信號,差分增強信號中的擴頻碼可用于輔助測距,解擴得到的差分校正數(shù)據(jù)可用于差分定位。通過仿真測試了差分增強信號解擴和測距性能,結(jié)果表明在衛(wèi)星廣播信號上重疊發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航增強的方法是可行的。

2 系統(tǒng)設(shè)計及信號模型

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

衛(wèi)星廣播信號擬選用世廣衛(wèi)星[7]信號,原因有兩點:首先,由于世廣衛(wèi)星是同步衛(wèi)星,可以不間斷地廣播地球上某處24 h所對應(yīng)的衛(wèi)星差分校正數(shù)據(jù);其次,因為世廣衛(wèi)星下行信號使用L頻段(1 476～1 492 MHz),與GPS信號的L1頻段相近,這有利于用戶接收機與差分接收機的一體化設(shè)計。

差分校正數(shù)據(jù)選用GPS差分校正數(shù)據(jù),只用一顆衛(wèi)星的差分校正數(shù)據(jù)。差分發(fā)射機先用此顆衛(wèi)星的C/A碼對差分校正數(shù)據(jù)進行擴頻,再通過X頻段載波發(fā)送給世廣衛(wèi)星,X頻段的差分增強信號與地面站發(fā)射的X頻段上行廣播信號頻譜重疊后,經(jīng)世廣衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā),將信號切換到L頻段下行信號后發(fā)送出去。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram

由于采用的是世廣衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)工作模式,為保證下行功率比,可以調(diào)整重疊發(fā)射的功率,差分擴頻數(shù)據(jù)調(diào)制信號發(fā)射可以采用一體地面站發(fā)射機,也可以采用附加地面站發(fā)射。

2.2 信號模型

設(shè)一顆衛(wèi)星差分增強信號在接收機經(jīng)過下變頻和采樣后的中頻信號為

廣播信號在接收機經(jīng)過下變頻和采樣后的中頻信號為

其中,A表示信號幅度,d表示差分校正數(shù)據(jù),C表示擴頻碼,因為需要知道是哪顆衛(wèi)星的差分校正數(shù)據(jù),所以采用此顆衛(wèi)星的C/A碼作為擴頻碼,碼率為1.023 MHz,τ表示時延,ωIF表示信號中頻,ωd表示信號的頻偏,φ表示采樣處的初相,I和Q表示通信信號QPSK調(diào)制下的兩路雙極性電平信號,是廣播信號信息碼經(jīng)過碼率為1/2的維特比卷積編碼所得。

接收的信號為S=S1+S2+N,其中N為窄帶高斯白噪聲。為了從合成的信號中消除廣播信號的干擾,需對廣播信號的幅度、載波頻率和相位、傳輸延時以及信道響應(yīng)等參數(shù)進行準確估計。實現(xiàn)對廣播信號與差分增強信號分離的原理框圖如圖2所示。

圖2 廣播信號與差分增強信號分離的原理框圖Fig.2 The separate schematic diagram of broadcast signal and differential enhanced signal

3 頻譜重疊共享

世廣衛(wèi)星信號下行TDM比特速率為3.68 Mb/s,采用QPSK調(diào)制,差分增強信號比特速率為1.023 Mb/s,采用BPSK調(diào)制,可見廣播信號帶寬比差分增強信號帶寬寬,而且差分增強信號功率比較低,所以差分增強信號的加入對廣播信號的頻譜影響很小,兩信號的頻譜能很好地重疊。中頻為3.04 MHz,當(dāng)差分增強信號信噪比為-16 dB、頻偏為-800 Hz、廣播信號信噪比為9 dB、頻偏為-50 Hz時,頻譜重疊結(jié)果如圖3所示。

圖3 頻譜重疊示意圖Fig.3 The diagram of spectrum overlay

4 串行干擾抵消

本文設(shè)計的系統(tǒng)中只有一路強干擾信號,而且強弱信號功率分布差別比較大,于是串行干擾抵消法先根據(jù)接收到的各用戶信號功率按強弱大小排隊S=(S2,S1),并解調(diào)和恢復(fù)出廣播信號Sre,再從原始信號中抵消掉Sre,從而得到差分增強信號的估計信號^S1。

4.1 廣播信號解調(diào)

廣播信號解調(diào)中載波環(huán)路采用改進型硬判決型Costas環(huán)[8],碼環(huán)路采用遲早環(huán)。硬判決型Costas環(huán)是采用算術(shù)運算和邏輯運算的方法,對正交解調(diào)輸出的兩路基帶信號進行非線性處理,產(chǎn)生相位誤差控制信號,通過環(huán)路濾波,控制載波恢復(fù)鎖相環(huán)路。硬判決型Costas環(huán)具有入鎖信噪比低、誤碼率性能好的優(yōu)點。鎖相環(huán)中環(huán)路噪聲帶寬設(shè)為180 kHz,環(huán)路增益為0.001 2,阻尼系數(shù)為0.707。圖4所示為未引入信道編碼時廣播信號解調(diào)誤比特率,加入的差分增強信號信噪比為-10 dB和-5 dB,橫坐標為廣播信號信噪比。

圖4 未引入信道編碼時廣播信號解調(diào)誤比特率Fig.4 The demodulated bit error rate of broadcast signal without channel coding

由圖4可以得出兩點結(jié)論:首先,未引用信道編碼時解調(diào)誤比特率為10-4數(shù)量級,當(dāng)引用1/2卷積碼,大約能有4～7 dB的編碼增益,于是能將解調(diào)誤比特率降低到10-6數(shù)量級甚至更低;其次,差分增強信號的加入對廣播信號的接收解調(diào)影響很小,所以差分增強信號加入后廣播信號解調(diào)誤比特率仍能保持在10-6甚至更低的數(shù)量級上,但當(dāng)加入的差分增強信號信噪比越來越大,其對廣播信號的接收解調(diào)影響也越來越大。

4.2 廣播信號的抵消

在廣播信號解調(diào)后,我們可以估計出廣播信號的多普勒頻偏^ωd2、相偏^φ2、碼偏^τ2以及其基帶信號,于是可以得到如下式子:

令

利用強通信信號良好的自相關(guān)特性,式(4)中分子部分的主要能量來自于強通信信號。因此在相干積分時間內(nèi)重構(gòu)的通信信號可以表示為。由式(4)可以得出,相干積分時間越長,Nsamp越大,Sre就越接近真實信號[9]。

在重構(gòu)出廣播信號后,將原混合信號延遲并從中減去Sre,從而得到差分增強信號的估計信號。

5 仿真與分析

設(shè)廣播信號信噪比為

差分增強信號信噪比為

定義廣播信號與差分增強信號功率比

式中,PC為廣播信號功率,PD為差分增強信號功率,Pn為噪聲功率。

5.1 差分增強信號的捕獲性能分析

首先我們需要確定接收到的是哪顆衛(wèi)星的差分校正數(shù)據(jù),于是需先進行衛(wèi)星的捕獲。

差分增強信號的捕獲采用并行碼相位捕獲算法,此方法縮減了運算量,增加了計算速度。這種算法需要存儲一個或多個碼周期的數(shù)據(jù)塊,所以比較適合軟件接收機的特點。選取用于捕獲的數(shù)據(jù)量是1個C/A碼周期1 ms,采樣率為11.04 MHz,中頻為3.04 MHz,頻率搜索步長為粗捕666.67 Hz,精捕66.67 Hz。在保證廣播信號信噪比SNR0=9 dB,信道噪聲選擇高斯白噪聲,虛警概率[10]為10-6的情況下,廣播信號去除前后接收機對不同信噪比的差分增強信號的捕獲概率[11]如圖5所示。

圖5 廣播信號去除前后接收機的捕獲概率Fig.5 The acquisition probability of the receiver before and after removing the broadcast signal

由圖5可以看出,當(dāng)差分增強信號的SNR小于-21 dB時,去強通信信號算法的引入對差分增強信號的提取改善程度并不明顯,捕獲概率低于70%;當(dāng)差分增強信號的SNR大于-21 dB時,去強通信信號算法引入后差分增強信號的捕獲概率高于80%,甚至到達100%,很好地提高了接收機對差分增強信號的捕獲能力;而當(dāng)差分增強信號的SNR大于-11 dB時,且隨著信噪比的增加,差分增強信號對廣播信號的解調(diào)誤碼率影響也越來越大,所以我們選擇差分增強信號的SNR值在-21～-11 dB之間,于是得出

即給出了此方法對GPS信號增強的可靠使用范圍: C/D=20～30 dB。

5.2 差分增強信號測距性能分析

捕獲僅能得到對頻率和碼相位參數(shù)的粗略估計,跟蹤的主要目的是使得這些估計值精確化,并保持跟蹤,然后從跟蹤到的差分增強信號中解調(diào)出差分校正數(shù)據(jù),同時提供輔助測距信息。跟蹤中首先輸入信號與本地載波相乘,剝離輸入信號的載波,接下來,信號與本地擴頻碼相乘,輸出結(jié)果即為差分校正信息,而在對本地擴頻碼跟蹤中又能輔助測距。

實驗中跟蹤的載波環(huán)路帶寬15 Hz,碼環(huán)路帶寬2 Hz,跟蹤時間長達36 s。保證廣播信號信噪比為9 dB,相關(guān)器間距[12]D為0.5個碼片和0.25個碼片,差分增強信號測距誤差均方差隨差分增強信號信噪比的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 測距誤差隨差分增強信號信噪比的變化規(guī)律Fig.6 The variation of the ranging error with the differential enhanced signal signal-to-noise ratio

由圖6可看出,測距誤差均方差隨著差分增強信號的增加而減小,且與理想的測距誤差均方差相差很小,而且隨著差分增強信號信噪比的增加,這種差距越小越小。

從圖5的捕獲概率圖中可以看出,差分增強信號的SNR在-19～-16 dB時,兩條曲線間的距離比其余信噪比處要大,捕獲概率提高95%以上,也就是說增強效果最好是在混合功率比C/D為25～28 dB的情況下。表1列出了相關(guān)器間距D為0.5個碼片時,當(dāng)C/D保持不變時測距誤差均方差的變化情況?？梢钥闯?測距誤差均方差仍隨差分增強信號信噪比的增加而減小。

表1 C/D保持不變的情況下測距誤差變化情況Table 1 The variation of the ranging error when C/D keeps invariant

6 結(jié)束語

由以上分析可知,這種在衛(wèi)星廣播信號上重疊發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航增強的方法一方面可以提高衛(wèi)星信號頻譜利用率,另一方面可以廣播差分校正數(shù)據(jù)增強接收機的定位精度,也可以用偽碼擴頻方式輔助測距方式增強,即偽衛(wèi)星功能。由于差分增強信號功率遠比廣播信號小,所以廣播信號的接收解調(diào)受差分增強信號的影響很小,因而差分接收機能很好地通過串行干擾抵消的方法從混合信號中提取出差分增強信號。后續(xù)我們將在一路廣播信號中加入多路差分校正數(shù)據(jù)進行性能測試。

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SHEN Yan-qun was born in Nantong, Jiangsu Province,in 1988.She received the B.S.degree in 2011.She is now a graduate student.Her research concerns digital communications and satellite navigation.

Email:shyqnuaa@126.com

宋茂忠(1962—),男,安徽歙縣人,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向為調(diào)制技術(shù)、通信跟蹤系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航等。

SONG Mao-zhong was born in Shexian,Anhui Province, in 1962.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor. His research concerns modulation technique,communication tracking system and satellite navigation.

A Method of Launching Navigation Enhanced Signal Overlapped Satellite Broadcast Signal

SHEN Yan-qun1,SONG Mao-zhong1,2,WANG Xu-dong1,MENG Bin2

(1.College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China;2.Satellite Applications Institute,China Aerospace Science and Technology Corporation,Beijing 100086,China)

This paper presents a method of launching the satellite navigation enhanced signal overlapped satellite broadcast signal.The differential correction data is transmitted after spectrum spreading.The signal spectrum and the satellite broadcast signal spectrum are overlapped,and retransmitted by the satellite.By the parameter design and the performance simulation,the differential enhanced signal has little effect on the reception and the demodulation of the broadcast signal.The differential receiver can get the differential enhanced signal from the mixed signal by the successive interference cancellation,and despread and secondarily measure distance.When the mixed power ratio is 26 dB,the acquisition probability is 99.99%, and the ranging accuracy is 10.67 m,which proves the feasibility of the method.

satellite navigation;spectrum overlay;interference cancellation;differential positioning

The National Natural Science Foundation of China(No.61201208);China Aerospace Science and Technology Corporation Satellite Applications Institute Innovation Fund(No.20121512);The Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

date:2013-09-10;Revised date:2013-11-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(61201208);中國航天科技集團公司衛(wèi)星應(yīng)用研究院創(chuàng)新基金項目(20121512);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

**通訊作者:shyqnuaa@126.com Corresponding author:shyqnuaa@126.com

TN967.1

:A

:1001-893X(2013)12-1563-06

沈燕群(1988—),女,江蘇南通人,2011年獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要從事數(shù)字通信與衛(wèi)星導(dǎo)航等方面的研究;

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.12.005

2013-09-10;

2013-11-05