盧虎,廉保旺,閆浩

(1.空軍工程大學信息與導航學院,710077,西安;2.西北工業(yè)大學電子與信息學院,710072,西安)

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新型衛(wèi)星導航復用調制信號的單路分離方法

盧虎1,廉保旺2,閆浩2

(1.空軍工程大學信息與導航學院,710077,西安;2.西北工業(yè)大學電子與信息學院,710072,西安)

針對衛(wèi)星導航信號時/頻/調制域正交特性實現單路分離的傳統(tǒng)方法不再適用于復雜多路復用信號分離的問題,提出了一種新型衛(wèi)星導航復用調制信號的單路分離方法。該方法利用不同支路上數據碼的隨機特性,設計了多支路混合信號的周期掩碼累加準則,通過計算各支路比特符號掩碼累加值的殘留度和補償因子,獲得使對應非期望支路累加和為零的乘積系數,實現了期望信號的單路分離。理論和實驗分析表明,相較于非單路分離的傳統(tǒng)評估方法,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在時/頻/調制等域的畸變情況,為新型導航信號定量評估和處理提供了很好的技術支持。

衛(wèi)星導航;復用調制;信號分離;周期掩碼累加

隨著全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的發(fā)展及其在海、陸、空、天、電各領域的廣泛應用,用戶對高精度和高完好性導航定位服務的需求不斷增長。與此同時,GNSS信號的固有脆弱性,使得各領域用戶均希望盡量減少信號失真,了解失真特性,定量評估其引起的性能下降;當發(fā)生意外情況導致信號畸變超出性能限時,能得到及時的告警,并能快速有效地采取糾正或補救措施。因此,GNSS的信號質量評估問題業(yè)已延伸至導航、定位和授時(PNT)服務的方方面面[1]。

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

針對上述問題,本文提出了一種適用于新型GNSS多路復用調制信號單路分離的方法,分析了不同參數偏差下的算法性能,并以實測數據GALILEO信號為例對本文方法的性能進行了評估分析,結果表明,本文所提分離方法簡單、可靠、有效,能夠在新一代導航復用信號處理與評估工作中發(fā)揮重要作用。

1 AltBoc單載波復用調制

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

AltBOC調制被定義為在上下邊帶調制不同偽隨機碼的類BOC信號,可由基帶信號乘以復數方波副載波表征

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

(1)

式中:s(t)為待調制導航信號;sgn(·)表示符號函數;fs為副載波頻率。

圖1給出了GALILEO系統(tǒng)在E5頻點所采用的恒包絡AltBOC(15,10)調制E5a和E5b兩路信號的星座圖、基帶信號時域波形以及頻譜圖。由圖1可以看到,該復用信號無法像BPSK信號那樣直接使用時域、或頻域濾波方法即可分離,若要對復用信號中的E5a或E5b任一獨立支路信號開展質量評估,就必須先將期望支路信號從混疊信號中剝離開來。

(a)時域波形 (b)星座圖

(c)功率譜密度圖1 恒包絡AltBOC(15,10)信號特征圖

2 復用調制信號周期掩碼分離算法

對AltBOC、交互式(Inteplex)等新型復用調制信號而言,不同支路k上調制的電文符號是相互獨立的,載波同步后,為提高信噪比,可在一個碼周期Tpn內(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次參與累加的導航比特;Δfk和Δθk為k路相應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 兩路信號分離方法

實際中,通常采用極高增益(>40 dB)定向天線接收某一顆衛(wèi)星某一特定頻點的待評估信號[13-14],因此不可分離的導航信號通常只有兩路(M=2),典型如GALILEO在E5頻段復用了E5a和E5b兩路信號、北斗在B2頻段復用B2a和B2b等。為簡明起見,假設這兩路混合信號的載波頻率和相位偏差為0(即Δfk=0和Δθk=0),碼周期對應點間的相位差Δτk=0,剝離待分離支路碼跟蹤相干解調出的比特符號(先驗信息)后,計算得到支路一個碼周期內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的支路信號能量和為0,即實現了復用導航信號的時域分離,此時信號功率不變,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,實現兩路復用導航信號分離的步驟如下:

(1)初始化符號平衡指示變量bflag=0,累加值Σsum=0;

(2)讀入待分離兩路復用信號的第j(j=1,…,N)個偽碼累加周期,將該周期內支路ck(t)(k=1,2)上調制的比特符號分別賦值給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)對讀入的數據進行重采樣;

(5)剝離復合信號的載波(含多普勒),剝離信號ci(t)的比特符號;

(6)將步驟(5)的結果與Σsum累加,更新Σsum值;

(7)累加次數j

需要注意的是:進行信號周期篩選累加運算時,應當盡量選取不同的周期,因為重復使用一個周期會使該周期內的白噪聲得到增強,且若此周期內存在突發(fā)干擾,會對分離結果造成影響。

2.2 多路信號分離方法

當單路復用信號數M>2時,上述所提周期篩選方法仍然適用,不妨以單支路信號復用數M=4為例進行說明,目標仍是將k=1支路分離出來,則累加后的信號為

(5)

式中:Ai(i=1,2,3,4)表示信號幅度。令

(6)

式中n的取值可正可負。將式(5)簡化,可得

(7)

由式(7)可知:當支路數M>2時,要實現信號分離,只需將多余支路的信號消除即可,此時待消除信號為

(8)

再次考察式(5),可知剝離支路1上調制的電文比特后,單個周期信號可表示為

(9)

需要特別強調的是:由于遵循周期篩選累加運算時,應當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M取其他數值時,仍然可以依照類似式(13)的結構,構造出相應的篩選周期,從而實現單載波多路信號的分析。當前,對于單路信號,M最多取值到5。

2.3 畸變補償

在實際分離過程中,電文的模擬或數字畸變會引起符號比特不平衡,這就會使單路分離后的眼圖出現所謂的混疊現象。

定義c2(t)支路一個碼周期內比特符號殘留度為

(10)

可知c1(t)支路同相碼片的增強幅度為

(11)

反相碼片的削弱幅度為

(12)

式中:P1、P2分別為待分離2個支路的信號功率。

定義AR為一個碼周期內電文比特符號畸變補償比例因子

(13)

顯然,當殘留度u=0時,比例因子AR=1無需補償。以最普通的兩路復用信號(GALILEO系統(tǒng)E1頻點)為例進行說明,其分離信號E1bI的眼圖如圖2所示。

(a)u=0.05

(b)u=0圖2 分離信號E1bI的眼圖

圖2a在累加過程中比特符號殘留度u=0.05,眼圖出現混疊,根據式(12)計算補償比例因子,補償該殘留值后使u=0,消除了比特符號的不平衡,分離信號的眼圖非常理想,結果見圖2b。

綜上,引入偏差補償因子后,可進一步簡化多路復用導航信號單路分離方法,具體步驟如下。

(1)讀入M路復用信號的第j(j=1,2,…,N)個偽碼累加周期,計算該周期內待分離k支路ck(t)(k=1,2,…,M)上調制的比特符號ajk與其他支路符號aj1,aj2,…,ajM乘積的累加和

(14)

(2)根據幅度系數ajkaj1,ajkaj2,…,ajkajM的取值,取補后,將符號周期劃分成不同的掩碼周期,并進行掩碼累加運算

(15)

(3)計算各支路在掩碼累加周期內結果的比特符號殘留度及補償因子

(16)

(17)

(4)以ARi為比例系數對步驟2中的各支路信息進行補償(乘積)運算,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

(18)

3 周期掩碼分離算法性能分析

對于相對于地面靜止的衛(wèi)星導航信號質量評估設備而言,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對分離信號的功率造成損耗。假定一個偽碼周期內,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系。忽略機械顫動的影響,對于載噪比較高的信號(C/N>60 dB·Hz),載波環(huán)相位抖動均方差可以控制在5°以內[8],造成的影響可以忽略。

圖3 載波相位誤差與功率損耗關系曲線

3.2 碼相位偏差分析

在累加過程中,各個周期對應采樣點的碼元位置未對齊會使累加結果產生平均效應,即累加點的值是實際信號在該點附近取值的平均。這種平均會對波形產生影響,主要表現為:

(1)基帶信號的跳變沿被展寬;

(2)碼片內抖動的極值位置和幅度發(fā)生改變。

圖4 碼相位誤差對分離波形的影響

假定信號發(fā)生了模擬畸變,各個碼周期對應點的相位誤差服從高斯分布,在不同的位置誤差下進行10 000次累加,得到的結果如圖4所示。圖4僅顯示出了偽碼的一個碼片。對應點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。當對應點的碼元位置偏差小于0.01%時,累加曲線和實際曲線非常接近。因此,可以取0.01%作為碼元位置偏差門限。對于載噪比較高的信號,通過選擇合適的碼環(huán)參數可以使熱噪聲引起的碼元位置偏差的均方差遠小于0.01%[3]。

3.3 分離效能

利用40 m天線實測采集的高增益(載噪比>90 dB·Hz)GALILEO E5信號(AltBoc復用調制了E5a和E5b信號)進行算法分離效能實驗。

(1)畸變補償效能實驗。實驗中給實測E5信號中加入數字占空比為0.504、模擬畸變震蕩頻率fd=5 MHz、阻尼系數σ=7 MNp/s的混合畸變。

圖5給出了在不同周期篩選(累加)次數下,時域畸變參數計算的相對誤差?？梢钥吹?數字占空比的計算結果受累加次數的影響很小,其相對誤差穩(wěn)定在2%以內;其他2個參數的相對誤差隨著累加次數增多總體上呈下降趨勢;當累加次數大于500時,震蕩頻率的相對誤差達到0.2%,而阻尼系數的相對誤差穩(wěn)定在6%附近。阻尼系數的計算結果出現了一個較大的偏差,這個主要是碼片抖動幅度的下降造成的。這種失真對波形的影響并不大,但顯著影響了阻尼系數的計算精度。

圖5 時域畸變參數的估計誤差

(2)分離信號準確度實驗。圖6給出了未引入人為干擾的E5頻點實測信號的星座圖。圖6a為利用傳統(tǒng)方法繪制的混合信號的星座信息,無法區(qū)分E5a和E5b到底哪路信號的調制質量較好。周期篩選分離后,E5a和E5b頻點信號星座圖理想點的角度分別為45°、135°、225°和315°。圖6b為E5a信號的星座圖,雖然顯示出了E5a的信號特征,但在90 dB·Hz載噪比下,仍具有較高的發(fā)散程度,因此可知該路信號包含較大噪聲。圖6c為E5b信號的星座圖,可以看出E5b信號QPSK調制的信號特征,且星座圖的發(fā)散程度較小,其信號質量比E5a信號好。

(a)復合信號的星座圖

(b)分離信號E5a的星座圖

(c)分離信號E5b的星座圖圖6 E5混合及分離信號星座圖

(a)分離信號E5aI的眼圖

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

4 總 結

單路信號的時域波形可以直觀地反映GNSS基帶信號的畸變情況,本文提出了一種可用于多路復用導航信號質量評估的單路信號分離算法,并分析了跟蹤環(huán)路誤差、多普勒頻移以及比特符號不平衡對算法分離效果的影響,理論仿真和實測數據均驗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踐意義。

[1] 徐肖豪, 楊傳森, 劉瑞華. GNSS用戶端自主完好性監(jiān)測研究綜述 [J]. 航空學報, 2013, 34(3): 451-463. XU Xiaohao, YANG Chuansen, LIU Ruihua. Review and prospect of GNSS receiver autonomous integrity monitoring [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(3): 451-463.

[2] 賀成艷, 郭際, 盧曉春, 等. GNSS導航信號常見畸變產生機理及對測距性能影響分析 [J]系統(tǒng)工程與電子技術, 2015, 37(7): 1613-1620. HE Chengyan, Guo Ji, LU Xiaochun, et al. Generation mechanisms of GNSS navigation signal distortions and influence on ranging performance [J]. Systems Engineering and Electronics, 2015, 37(7): 1613-1620.

[3] 劉建成, 范建軍, 馮曉超, 等. 衛(wèi)星導航信號畸變導致的測距偏差的估計方法 [J]. 宇航學報, 2015, 36(11): 1296-1302. LIU Jiancheng, FAN Jianjun, FENG Xiaochao, et al. Estimation method of ranging bias caused by navigation satellite signal distortion [J]. Journal of Astronautics, 2015, 36(11): 1296-1302.

[4] FENG Y, WANG Z, CHEN D. Study on design of interplex method for GNSS signal [J]. China Communications, 2014, 11(14): 23-29.

[5] 徐成濤, 林紅磊, 唐小妹, 等. 北斗系統(tǒng)新體制信號質量監(jiān)測指標及測試方法 [J]. 中南大學學報(自然科學版), 2014, 45(3): 774-782. XU Chengtao, LIN Honglei, TANG Xiaomei, et al. Signal quality monitoring parameters and measurement methods of Beidou system with new signal pattern [J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2014, 45(3): 774-782.

[6] 駱忠強, 朱立東, 唐俊林. 最小誤碼率準則盲源分離算法 [J]. 信號處理, 2016, 32(1): 21-27.

LUO Zhongqiang, ZHU Lidong, TANG Junlin. Minimum BER criterion based blind source separation method [J]. Journal of Signal Processing, 2016, 32(1): 21-27.

[7] 張花國, 李鑫, 張建華, 等. 基于半定松弛的長碼DSSS信號擴頻波形估計 [J]. 電子學報, 2016, 44(2): 334-339. ZHANG Huaguo, LI Xin, ZHANG Jianhua, et al. A semidefinite relaxation approach to spreading waveform estimation for long-code DSSS signals [J]. Acta Electronica Sinica, 2016, 44(2): 334-339.

[8] 陸建濤, 成瑋, 訾艷陽, 等. 結合改進粒子群的非線性盲源分離方法研究 [J]. 西安交通大學學報, 2016, 50(6): 15-22. LU Jiantao, CHENG Wei, ZI Yanyang, et al. Nonlinear blind source separation combining with improved particle swarm optimization [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50(6): 15-22.

[9] SHIVARAMAIAH N C, DEMPSTER A G, RIZOS C. Time-multiplexed offset-carrier QPSK for GNSS [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2013, 49(2): 1119-1138.

[10]MENG F, WANG S, ZHU B. GNSS reliability and positioning accuracy enhancement based on fast satellite selection algorithm and RAIM in multiconstellation [J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2015, 30(10): 14-27.

[11]European Space Agency. European GNSS (Galileo) open service signal in space interface control document issue 1.2 [S]. Paris, France: European Space Agency, 2015.

[12]TANG Zuping, ZHOU Hongwei, WEI Jiaolong, et al. TD-AltBOC: a new COMPASS B2 modulation [J]. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 2011, 54(6): 1014-1021.

[13]YANG Yikang, LI Jisheng, LI Hengnian, et al. A novel satellite-equipped receiver for autonomous monitoring of GNSS navigation signal quality [J]. Science China Technological Sciences, 2016, 59(7): 1-10.

[14]LESTARQUIT L, GREGOIRE Y, THEVENON P. Characterising the GNSS correlation function using a high gain antenna and long coherent integration: application to signal quality monitoring [C]∥Proceedings of the 2012 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2012: 877-885.

[本刊相關文獻鏈接]

張欣,黃普明,文珺,等.一種適用于中高軌合成孔徑雷達衛(wèi)星的分辨率分析方法.2016,50(8):70-76.[doi:10.7652/xjtuxb201608012]

唐成凱,廉保旺,張玲玲.衛(wèi)星通信系統(tǒng)雙向中繼轉發(fā)自干擾消除算法.2015,49(2):74-79.[doi:10.7652/xjtuxb201502 013]

趙建偉,賈維敏,姚敏立,等.移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)組合姿態(tài)估計算法.2014,48(8):36-41.[doi:10.7652/xjtuxb201408007]

蘇威,洪濤,徐川,等.紅外地球敏感器修正的衛(wèi)星姿態(tài)角動量反饋控制.2014,48(4):115-118.[doi:10.7652/xjtuxb2014 04020]

蘇威,洪濤,徐川,等.紅外地球敏感器修正的衛(wèi)星姿態(tài)角動量反饋控制.2014,48(4):115-118.[doi:10.7652/xjtuxb 201404020]

田方浩,姚敏立,周淑華,等.寬帶移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)低成本姿態(tài)估計算法.2013,47(6):44-49.[doi:10.7652/xjtuxb2013 06008]

伍宗偉,姚敏立,馬紅光,等.移動衛(wèi)星通信低成本多傳感器融合姿態(tài)估計方法.2012,46(12):55-61.[doi:10.7652/xjtuxb201212010]

(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。 作者簡介:盧虎(1975—),男,副教授,碩士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(61473308,61174194)。

時間:2016-10-26

10.7652/xjtuxb201612006

TN911.6;TN98

A

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

網絡出版地址:http: ∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20161026.1757.006.html