趙海波，李 欣

（海軍研究院空中所，上海 200436）

0 引 言

所謂導(dǎo)航信號相關(guān)損耗，指的是在導(dǎo)航信號接收的相關(guān)處理中有用信號功率相對于接收信號的全部可用功率的損耗[1-2]。相關(guān)損耗反映了導(dǎo)航信號生成過程中信道帶限和失真的影響，是衛(wèi)星導(dǎo)航信號的一個關(guān)鍵指標(biāo)。例如，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星地接口文件，對導(dǎo)航信號的相關(guān)損失都有明確的指標(biāo)要求[3-4]。日本的QZSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星地接口文件也規(guī)定Ll頻點(diǎn)導(dǎo)航信號相關(guān)損失小于0.6 dB[5]?？梢姡搮?shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量評估和測試過程中一個重要的測試和測試項目[6]。

根據(jù)相關(guān)損失的定義，相關(guān)損失過程中必須首先確定所測試信號的偽隨機(jī)碼序列，通過已知的偽隨機(jī)碼序列計算理論的相關(guān)峰值和衛(wèi)星輸出實際信號的相關(guān)峰值得到相關(guān)損失。因為長碼導(dǎo)航信號的偽隨機(jī)碼周期非常長且生成方式復(fù)雜，所以測試過程生成完整的長序列偽隨機(jī)碼是非常困難的事情。長碼導(dǎo)航信號的相關(guān)損失，成為衛(wèi)星導(dǎo)航信號性能中測試的一個難點(diǎn)。此外，傳統(tǒng)的導(dǎo)航信號相關(guān)損失測試方法是先將衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行下變頻到中頻，然后進(jìn)行相關(guān)處理獲得測試結(jié)果。這種處理過程由于模擬變頻器帶來的非理想因素而引入了測試誤差，降低了測試精度。為了解決長碼導(dǎo)航信號相關(guān)損失的測試和提高導(dǎo)航信號相關(guān)損失的測試精度，提出了一種對導(dǎo)航信號的射頻信號進(jìn)行直接微波采樣，在數(shù)字域進(jìn)行長碼偽隨機(jī)碼再生的方法。

1 算法提出

提出長碼導(dǎo)航信號評估方法實現(xiàn)基本原理，如圖1所示。

圖1 長碼導(dǎo)航信號相關(guān)損失評估原理

用高速A/D采樣器對導(dǎo)航信號進(jìn)行采樣，采樣頻率高于導(dǎo)航信號最高頻譜的2倍以上，采樣持續(xù)時間長度為兩個短偽隨機(jī)碼周期。按照采樣頻率生成一個周期的本地短偽隨機(jī)碼樣本數(shù)據(jù)。對采樣的擴(kuò)頻測距信號進(jìn)行短碼信號的載波頻率和碼相位捕獲，確定擴(kuò)頻測距信號的載波中心頻率fc和短偽隨機(jī)碼起始樣本點(diǎn)序號n0。從采樣導(dǎo)航信號數(shù)據(jù)的第n0個樣本點(diǎn)開始，截取起始的一個短隨機(jī)碼周期的數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同的初始相位值，生成時長為一個短偽隨機(jī)周期中心頻率為fc的一系列載波相位數(shù)據(jù)組：

式中fs為采樣頻率，i為樣本點(diǎn)序號，i=1,2,…,N，這里N為一個短碼周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)總數(shù)。φ0(j)為第j種載波初始相位。這里載波的初始相位值是在0～π范圍內(nèi)均勻取M個值，初始相位值的所有取值為：

式中j=1,2,…,M。

針對每一個載波相位數(shù)據(jù)組，計算各樣本點(diǎn)余弦值，對數(shù)據(jù)D?進(jìn)行數(shù)字下變頻，然后與本地短偽隨機(jī)碼樣本數(shù)據(jù)優(yōu)相關(guān)，計算各初始相位值對應(yīng)的相關(guān)值峰值：

式中Pj表示第j種載波初始相位值情況下，導(dǎo)航信號數(shù)字下變頻后與本地短碼相關(guān)處理的相關(guān)幅度峰值。在所有情形的相位捕獲峰值中，最大值對應(yīng)的初始相位值是短碼的載波初始相位值φC。導(dǎo)航信號為QPSK調(diào)制，其中I支路為短碼信號，長碼信號為Q支路，超前I支路90°，可以估計長碼的載波初始相位值為：

以φM為初始相位，生成時長為一個短偽隨機(jī)周期中心頻率為fc的載波數(shù)據(jù)，對所截取的導(dǎo)航信號數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字混頻。對混頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，然后根據(jù)長偽隨機(jī)碼速率，在長偽隨機(jī)碼各碼片中心時刻，對低通濾波器輸出的基帶信號數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取并判決。如果抽取值大于0，則判斷取值為+1；如果抽取值小于0，則判斷取值-1。這樣再生出截取導(dǎo)航信號數(shù)據(jù)中所包含的長碼碼片。

根據(jù)采樣率、載波中心頻率、已知的短碼碼片和再生的長碼碼片，按QPSK調(diào)制方式，生成一個短偽隨機(jī)碼周期的理論導(dǎo)航信號。信號的功率與所截取的實際導(dǎo)航信號一致。用再生的長碼碼片分別與理論導(dǎo)航信號和所截取的實際導(dǎo)航信號進(jìn)行相關(guān)處理，得到各自的相關(guān)峰值，最后計算長碼的相關(guān)損失。

式中Pco和Pau分別表示長碼碼片與理論信號和實際信號相關(guān)的相關(guān)峰值。

2 計算機(jī)仿真驗證

導(dǎo)航信號中心頻率為1 267.84 MHz，長短偽隨機(jī)碼碼速率均為10.23 Mcps，其中短偽隨機(jī)碼周期T為1 ms。采用QPSK調(diào)制方式，I和Q支路分別為短碼信號和長碼信號。為了實現(xiàn)對算法的驗證，仿真過程中長碼也用周期毫秒的短偽隨機(jī)碼代替。I、Q所使用的偽隨機(jī)瑪不同。用5 GHz采樣率生成2 ms的擴(kuò)頻測距信號。導(dǎo)航信號模擬長碼信號相關(guān)損失計算算法驗證的原理如圖2所示，生成并加載模擬噪聲數(shù)據(jù)，使得模擬導(dǎo)航信號載噪比為38.4 dBHz[7J。信道模擬帶通濾波器器用于模擬導(dǎo)航信號傳輸過程中的信號失真；功率歸一化處理保證QPSK調(diào)制的理論信號和加載了噪聲且信道失真后的模擬信號在相同時間段內(nèi)信號功率相同。

圖2 信號模擬及算法驗證原理

仿真的QPSK調(diào)制的視頻載波導(dǎo)航信號的功率頻譜如圖3所示。

提出的算法對信道模擬帶通濾波器后輸出的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行1支路捕獲，捕獲的相關(guān)曲線如圖4所示。

圖3 導(dǎo)航信號功率譜

圖4 短碼相關(guān)捕獲曲線

模擬的導(dǎo)航信號數(shù)據(jù)樣本值通過算法處理后，低通濾波器輸出的長碼基帶波形以及長碼碼片理論電平點(diǎn)如圖5所示。在理論電平點(diǎn)對應(yīng)時刻，對長碼碼片基帶波形進(jìn)行抽樣判決，得到的電平值與理論電平值完全相同?？梢?，采用提出的算法再生的長碼碼片與仿真設(shè)置長碼偽隨機(jī)碼碼片完全一致，證實了提出算法的正確性。

算法完成再生的Q支路長碼對理論信號和失真模擬信號的相關(guān)處理，相關(guān)曲線結(jié)果如圖6所示。改變信道模擬帶通濾波器的參數(shù)，信號失真越大，實際模擬信號相關(guān)曲線幅度越低，驗證了相關(guān)損失定義的正確性，也驗證了可以通過提出算法對未知長碼進(jìn)行相關(guān)損失的計算。

圖5 恢復(fù)的長碼基帶波形

圖6 再生碼對理論和實際模擬信號的相關(guān)曲線

3 結(jié) 語

詳細(xì)描述了長碼導(dǎo)航信號相關(guān)損失評估算法方法，通過計算機(jī)仿真對提出算法進(jìn)行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明：

（1）利用已知短碼公開的偽隨機(jī)發(fā)生結(jié)構(gòu)，通過高速采樣，在數(shù)字域利用提出算法可以實現(xiàn)長碼的相關(guān)損失評估，解決了導(dǎo)航衛(wèi)星長碼相關(guān)損失無法評估的難題；

（2）通過高速采樣后，測試結(jié)果的獲取依靠數(shù)字信號處理的算法來完成，測試過程靈活，降低了測試設(shè)備復(fù)雜度和成本。

（3）對擴(kuò)頻測距信號高速直接A/D采樣，避免傳統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星擴(kuò)頻測距信號質(zhì)量評估和導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)測試過程中將信號下變頻低通濾波后采樣數(shù)字處理，避免了模擬下變頻和低通濾波帶來的惡化而引入額外的測試誤差。