楊建雷，范廣偉，葉紅軍，張 璞，張曉旭

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)是信息時代的國家重要基礎(chǔ)設(shè)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的GPS(Global Positioning System)、俄羅斯的GLONASS(Global Orbiting Navigation Satellite System)、歐洲的Galileo系統(tǒng)、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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。信號體制設(shè)計作為GNSS設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，在GPS現(xiàn)代化、Galileo和BDS設(shè)計過程中均處于重要地位。信號體制決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的先天性能，是系統(tǒng)設(shè)計和升級過程中必須考慮的關(guān)鍵因素之一[1]。

針對新型信號體制設(shè)計思想的提出，學(xué)者們進(jìn)行了多方面的研究工作，如文獻(xiàn)[2-3]研究了降低數(shù)據(jù)跳變對檢測性能影響的捕獲方法，文獻(xiàn)[4-5]研究了碼片時分導(dǎo)航信號的捕獲方法，文獻(xiàn)[6-7]研究了BOC和AltBOC等信號的跟蹤方法，文獻(xiàn)[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(fā)展，使得導(dǎo)航頻譜資源日益緊張，引入單頻波多信號分量的設(shè)計思想可提高頻帶利用率，節(jié)省發(fā)射功率，降低對衛(wèi)星載荷的要求，在GPS現(xiàn)代化、Galileo和BDS建設(shè)過程中均采用了單載波多信號分量的設(shè)計思想。信號體制的檢測/捕獲性能導(dǎo)航信號性能評估的關(guān)鍵指標(biāo)之一，單載波多信號分量的設(shè)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(dǎo)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(dǎo)航信號檢測性能進(jìn)行分析與評估方面的工作。

1 單載波多信號分量導(dǎo)航信號體制

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

表1 GPS現(xiàn)代化后的信號體制

中心頻率/MHz信號分量調(diào)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(diào)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(diào)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(xiàn)代化后L1頻點(diǎn)采用5個信號分量，L2頻點(diǎn)采用4個信號分量，L5頻點(diǎn)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(diǎn)采用4個信號分量，B3頻點(diǎn)采用6個信號分量，采用單載波多信號分量的設(shè)計思想已經(jīng)成為現(xiàn)階段信號體制設(shè)計必不可少的設(shè)計思想，因此研究多信號分量的聯(lián)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(lián)合捕獲方法

為了提高接收機(jī)的捕獲靈敏度，學(xué)者們提出眾多通道聯(lián)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(zhuǎn)對相關(guān)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(yù)先估計Pilot與Data通道的相對符號，即對兩通道的相關(guān)進(jìn)行相加或相減，從中選取大的相關(guān)值為最終的判決變量[16]，CCC方法要優(yōu)于NCH和DCC方法[17]。DCC方法可視為傳統(tǒng)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(tǒng)的通道相干組合方法Pilot和Data通道的符號翻轉(zhuǎn)對相關(guān)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(lián)合捕獲的情況，基于CCC方法，文獻(xiàn)[19]給出了時分AltBOC(Time Division AltBOC，TD-AltBOC)[20]采用4個信號分量進(jìn)行聯(lián)合捕獲的原理框圖、虛警概率與檢測概率數(shù)學(xué)模型，分別如圖1、式(1)和式(2)所示。

圖1 多信號分量聯(lián)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(dǎo)航信號的捕獲性能，以TD-AltBOC為例(文獻(xiàn)[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(lián)合捕獲時的檢測概率、接收機(jī)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(kuò)頻碼周期為1ms，碼長10 230chips，中頻44.795MHz，采樣率150MHz，仿真次數(shù)為105次，相干和非相干累加次數(shù)為1。Data和Pilot通道調(diào)制的電文比特和NH碼均為隨機(jī)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(lián)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(lián)合捕獲時具有更高的檢測概率，可提高捕獲靈敏度3～6dB，當(dāng)載噪比為37dB-Hz時，TD-AltBOC檢測概率可達(dá)90%。

3.2 ROC

采用不同的信號分量聯(lián)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(lián)合捕獲時ROC曲線對比

由圖3可以看出，采用多信號分量聯(lián)合捕獲時ROC曲線明顯優(yōu)于采用單信號分量捕獲性能，多信號聯(lián)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(lián)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(lián)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(biāo)，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(shù)；Ncode為碼相位搜索的數(shù)目；Nfd為Doppler搜索數(shù)目；kfa為虛警的代價系數(shù)，kfaTcNnc=1 s，此值與虛警處理時間有關(guān)。

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(lián)合捕獲可降低平均捕獲時間5～30%。

4 結(jié)束語

本文分析單載波多信號分量設(shè)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(lián)合捕獲是一種較好的單載波多信號分量導(dǎo)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(shè)計思想在提高導(dǎo)航信號捕獲性能方面的優(yōu)勢與合理性。

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

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