李榮冰，周 穎，韓志鳳，劉建業(yè)

（1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京211106；2.山東科技大學(xué)交通學(xué)院，青島266590）

0 引言

在城市峽谷等復(fù)雜的環(huán)境中,接收到的北斗衛(wèi)星信號強度相對微弱［1］,一般的北斗導(dǎo)航接收機難以滿足定位需求［2-3］。因此,針對弱信號情況下的北斗導(dǎo)航接收機跟蹤技術(shù)研究具有非常重要的意義和相當廣闊的前景［4-6］。

加長相干積分時間可以提高環(huán)路信噪比,從而增加信號捕獲與跟蹤的靈敏度,這也是高靈敏度接收機的基本工作原理［7］。越長的相干積分時間通常等同于越高的相干積分增益［8］,但這并不意味著相干積分時間可以無限加長,其增益會受到導(dǎo)航電文比特跳變的影響［9］。因此,要想實現(xiàn)長相干積分,首先必須要完成位同步［10］。而在弱信號環(huán)境下,比特錯誤率變高,一般的位同步方法的錯誤率也相應(yīng)變高［11-12］。文獻［13］提出了一種基于最大似然估計的位同步方法,該方法可以有效實現(xiàn)對GPS弱信號的位同步。但是,北斗D1導(dǎo)航電文上調(diào)制有Neumann-Hoffman碼（NH碼）,在不去除NH碼的情況下,數(shù)據(jù)電平時刻可能發(fā)生跳變,位同步也會受到影響［14］。

本文在此基礎(chǔ)上提出了一種改進的基于最大似然估計的北斗信號位同步方法,將位同步與剝離NH碼相結(jié)合,可以快速有效地實現(xiàn)對北斗弱信號的位同步。在完成位同步后,再采用先猜后檢的方法來實現(xiàn)跨越導(dǎo)航電文信息位寬度的長相干積分,從而跟蹤到更弱的信號,提高北斗導(dǎo)航接收機的靈敏度。

1 相干積分影響因素分析

北斗的空間星座包括地球靜止衛(wèi)星（GEO）、中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO）和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）,MEO/IGSO衛(wèi)星播發(fā)D1導(dǎo)航電文,GEO衛(wèi)星播發(fā)D2導(dǎo)航電文。

D1導(dǎo)航電文上調(diào)制有 Neumann-Hoffman碼（NH碼）,NH碼的速率為1kbps,周期為20ms。如圖1所示,D1導(dǎo)航電文中一個信息位寬度為20ms,與NH碼周期相等,而擴頻碼周期為1ms,與NH碼1比特寬度相同。因此,采用20bit的NH碼與導(dǎo)航信息碼和擴頻碼同步調(diào)制。

NH碼可以提高信號抗窄帶干擾能力,加快位同步［15］,但同時它也會使得導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)電平時刻可能跳變,D1導(dǎo)航電文的相干積分時間被限定為1ms。因此,為了加長相干積分時間,必須要剝離NH碼。

圖1 北斗D1導(dǎo)航電文二次編碼示意圖Fig.1 Schematic diagram of secondary coding of Beidou D1 navigation message

當接收機處于室內(nèi)等其他復(fù)雜環(huán)境中時,接收到的北斗衛(wèi)星信號強度相對微弱,此時加長相干積分時間是常用的手段。但北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特位極易發(fā)生翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致相干積分時的相關(guān)峰會在累加的過程中正負相抵,減弱相干積分的效果。比特跳變發(fā)生在相干積分頭尾對功率衰減的影響程度較??；比特跳變發(fā)生在數(shù)據(jù)中段,功率衰減程度較大,相干積分的效果也會大打折扣。

D1導(dǎo)航電文的速率為50bps,一個信息位寬度為20ms,在剝離NH碼的情況下,其相干積分時間最長為20ms。而D2導(dǎo)航電文每隔2ms比特位就有可能發(fā)生翻轉(zhuǎn),這就限制了其相干積分時間最長為2ms。因此,要進行長相干積分,完成對弱信號的跟蹤,必須要消除導(dǎo)航電文比特跳變。

2 長相干積分算法

2.1 弱信號位同步方法

直方圖法是一種基本的位同步算法,它是通過統(tǒng)計相鄰兩個毫秒之間的數(shù)據(jù)跳變情況來判斷比特邊沿的［16］。但是,由于北斗D1導(dǎo)航電文上調(diào)制有NH碼,在未剝離NH碼的情況下,導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)電平跳變頻繁,故直方圖法不再適用于北斗信號位同步。文獻［17］提出了一種改進的直方圖位同步法,設(shè)計了多個統(tǒng)計結(jié)果的上限和下限,并且可以同時兼容北斗和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。但是在弱信號環(huán)境下,比特錯誤率變高,該位同步方法的錯誤率也相對變高。文獻［13］提出了一種基于最大似然估計的位同步方法,該方法可以有效實現(xiàn)對GPS弱信號的位同步。但北斗D1導(dǎo)航電文上調(diào)制有NH碼,使得其數(shù)據(jù)電平時刻可能跳變,因此必須要剝離NH碼,才能減小導(dǎo)航電文跳變對相干積分的影響。

為了解決上述問題,本文提出了一種改進的基于最大似然估計的北斗信號位同步方法,將位同步與剝離NH碼相結(jié)合,計算20種可能的位邊界,并分別與NH碼相關(guān),其中最優(yōu)結(jié)果便是真正的位邊界所在,同時還完成了NH碼的剝離,該方法的設(shè)計思想如圖2所示。

圖2 北斗D1導(dǎo)航電文最大似然位同步結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Maximum likelihood synchronous histogram method of Beidou D1 navigation message

在弱信號環(huán)境下,比特錯誤率相對較高,相鄰兩毫秒之間的數(shù)據(jù)發(fā)生跳變不再能夠成為判斷位邊界的標準。這時將每20ms數(shù)據(jù)分為1組,利用多組數(shù)據(jù)累加的結(jié)果來判斷位邊界會更為準確,具體步驟如下：

1）任意選取載波環(huán)輸出的1ms寬數(shù)據(jù)比特流中的一個為起點,每20個數(shù)據(jù)為1組,共選取N組。將每組數(shù)據(jù)分別與NH碼相關(guān)后累加并取絕對值,再將每組數(shù)據(jù)所得結(jié)果累加,便可得到第一個估計結(jié)果

式（1）中,Rk為每1ms數(shù)據(jù)與NH碼相關(guān)后的結(jié)果。

2）數(shù)據(jù)向后移動1位,重復(fù)上述操作,得到第二個估計結(jié)果

3）以此類推,共可得到20個估計結(jié)果

這20個估計結(jié)果中最大值的邊界就是真正的位邊界,到此位同步完成,NH碼剝離也同時完成。位同步的精度與選取的組數(shù)N有關(guān),N越大,位同步越精確,但同時耗費的時間也越多。因此,需要正確選擇N的大小,使得接收機性能最優(yōu)。

北斗D2導(dǎo)航電文沒有調(diào)制NH碼,但是其一個信息位寬度為2ms,即每2ms導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)比特就可能跳變。針對D2導(dǎo)航電文的位同步方法與針對D1導(dǎo)航電文的位同步方法類似,只是除去了剝離NH碼的步驟,其設(shè)計思想如圖3所示。

圖3 北斗D2導(dǎo)航電文最大似然位同步結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Maximum likelihood synchronous histogram method of Beidou D2 navigation message

2.2 長相干積分算法

在完成位同步后,針對非GEO衛(wèi)星信號可以完成20ms的相干積分,針對GEO衛(wèi)星信號可以完成2ms的相干積分,然后再利用先猜后檢法便可以實現(xiàn)跨越導(dǎo)航電文信息位寬度的長相干積分算法。以40ms長相干積分為例,其設(shè)計思想如圖4所示。

先緩存40個1ms相干積分結(jié)果P1～P40,P1為當前1ms的相干積分結(jié)果。在完成位同步后,可以知道可能存在比特跳變的位置,對這些可能的位置采用先猜后檢的方法進行相干積分。每一個數(shù)據(jù)比特的值只有0和1兩種可能,在猜定當前比特值分別為0和1的兩種情況下,繼續(xù)前面的相干積分,其中一個相干積分進行加法運算,另一個進行減法運算,這兩個相干積分結(jié)果中絕對值較大的便是猜中的結(jié)果,由此便可以完成長相干積分,其跟蹤環(huán)路模型如圖5所示。

圖4 40ms相干積分結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of 40ms coherent integration

圖5 接收機跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of receiver tracking loop

3 實驗驗證與分析

3.1 實驗平臺

利用中頻采樣器采取北斗信號模擬器輸出的北斗衛(wèi)星信號,采樣頻率為16.3676MHz,數(shù)據(jù)采集平臺如圖6所示。在數(shù)據(jù)采集過程中利用上位機界面控制,使得信號強度從-126dBmW下降到-142dBmW,得到一組信號強度不斷下降的衛(wèi)星模擬信號,采樣時間為110s,信號強度與對應(yīng)時間如表1所示,信號載噪比情況如圖7所示。通過軟件接收機平臺對信號進行處理,分析相干積分對信號跟蹤能力的影響以及其提升環(huán)路信噪比的能力。

圖6 數(shù)據(jù)采集平臺Fig.6 Diagram of data acquisition platform

表1 北斗衛(wèi)星模擬信號強度與對應(yīng)采樣時間關(guān)系Table 1 Relationship between signal strength and sampling time of Beidou satellite analog signal

圖7 北斗衛(wèi)星模擬信號載噪比變化情況Fig.7 SNR of Beidou satellite analog signal

3.2 仿真及結(jié)果分析

首先,跟蹤環(huán)路采用1ms相干積分,跟蹤效果如圖8所示。由圖8可以看出,大概在13s時GEO衛(wèi)星和非GEO衛(wèi)星的載波鑒相值均達到失鎖邊界,此時對應(yīng)的載噪比約為37dBHz。

圖8 1ms相干積分衛(wèi)星跟蹤載波鑒相值Fig.8 Phase discrimination value of 1ms coherent integration satellite tracking carrier

先采用1ms相干積分,10s后加長相干積分時間到40ms,其跟蹤結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出,采用40ms相干積分,接收機環(huán)路可以跟蹤上整段信號,表明加長相干積分時間能改善環(huán)路的跟蹤性能,可以跟蹤到更弱的信號。

圖9 40ms相干積分衛(wèi)星跟蹤載波鑒相值Fig.9 Phase discrimination value of 40ms coherent integration satellite tracking carrier

先采用1ms相干積分,10s后分別采用20ms、40ms以及80ms相干積分對環(huán)路進行跟蹤,同時對比不同相干積分時間提升信噪比的能力,結(jié)果如圖10、圖11所示。

由圖10和圖11可以看出,隨著相干積分時間的加長,信號信噪比有著明顯的提升。20ms相干積分環(huán)路信噪比約提升12dB,40ms相干積分環(huán)路信噪比約提升15dB,80ms相干積分環(huán)路信噪比約提升17dB,與理論值相符。綜上可以表明,該長相干積分算法能有效提升環(huán)路信噪比,提高弱信號跟蹤能力。

圖10 GEO衛(wèi)星不同相干積分時間信噪比提升情況Fig.10 SNR improvements of GEO satellite with different coherent integration times

圖11 非GEO衛(wèi)星不同相干積分時間信噪比提升情況Fig.11 SNR improvements of Non-GEO satellite with different coherent integration times

4 結(jié)論

通過分析NH碼和導(dǎo)航電文跳變對延長相干積分的限制,針對弱信號環(huán)境提出了一種基于最大似然估計的北斗信號位同步方法。在實現(xiàn)位同步的基礎(chǔ)上,利用先猜后檢的思想實現(xiàn)了長相干積分算法,并在北斗軟件接收機上進行仿真實驗,驗證了其可行性。綜合仿真結(jié)果,可以得到如下結(jié)論：

1）基于最大似然估計的北斗信號位同步方法可以實現(xiàn)對北斗弱信號的位同步,很好地消除了導(dǎo)航電文比特跳變對相干積分的影響。該方法對GEO衛(wèi)星和非GEO衛(wèi)星的處理略有不同,處理非GEO衛(wèi)星時需將剝離NH碼和位同步相結(jié)合,可以消除NH碼對相干積分延長的限制。

2）信號完成位同步后,采用先猜后檢的思想可以實現(xiàn)跨越導(dǎo)航電文信息位寬度的長相干積分算法。該算法可以提升環(huán)路信噪比,從而穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)對弱信號的跟蹤,提高北斗導(dǎo)航接收機的靈敏度。