基于CBOC信號(hào)的導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[圖]

近年來(lái)，隨著美國(guó)的GPS系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域的成功應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受到了世界多個(gè)主要國(guó)家和組織的普遍關(guān)注。除了美國(guó)正在進(jìn)行的GPS現(xiàn)代化計(jì)劃以外，歐盟正在建設(shè)Galileo系統(tǒng)，俄羅斯正在對(duì)其GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)和現(xiàn)代化改進(jìn)，我國(guó)的北斗系統(tǒng)也在積極建設(shè)中。多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)并存，一個(gè)首要的問題是導(dǎo)航信號(hào)的兼容共存。在無(wú)線電頻率資源非常緊張的情況下，歐盟提出了新的信號(hào)結(jié)構(gòu)BOC(Bina ry Offset Carrier)調(diào)制，通過改變信號(hào)的頻譜，達(dá)到與傳統(tǒng)導(dǎo)航的BPSK(Binary Phase Shift Keying)調(diào)制信號(hào)共享頻率的目的，從而最大限度地利用有限的頻譜資源。而后，美國(guó)和歐盟就GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)共用民用信號(hào)體制達(dá)成協(xié)議，GES系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)將分別使用MBOC調(diào)制方式的兩種實(shí)現(xiàn)，其中Galileo系統(tǒng)將在E1頻點(diǎn)使用CBOC調(diào)制。

由于BOC信號(hào)的相關(guān)函數(shù)存在多個(gè)相關(guān)峰值，用于BPSK信號(hào)體制的接收方法不能直接用于接收BOC信號(hào)體制，近年來(lái)人們提出了很多種適用于BOC信號(hào)體制的接收技術(shù)：文獻(xiàn)和文獻(xiàn)提出的BPSK—like(單邊帶)方法將BOC信號(hào)的頻譜簡(jiǎn)化成類似BESK信號(hào)的形式后處理，該方法相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)提出的bump-jump方法，文獻(xiàn)提出的ASPeCT方法占用的硬件資源都比較多，文獻(xiàn)提出的DE方法占用的硬件資源適中，也不會(huì)損失接收機(jī)的靈敏度和測(cè)距精度等性能，但是增加副載波環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，本文研究的多相關(guān)器算法嘲硬件資源雖然多，但是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，理論清晰，可修正性和兼容性很好。但是國(guó)內(nèi)對(duì)CBOC信號(hào)的研究還多處于理論分析階段，工程實(shí)現(xiàn)比較薄弱。由于CBOC信號(hào)是兩個(gè)BOC信號(hào)的時(shí)域疊加，筆者以Galileo系統(tǒng)擬采用的CBOC(6，1，1／11)信號(hào)著手，分析CBOC的時(shí)域特性，自相關(guān)函數(shù)以及功率譜密度函數(shù)。通過分析多相關(guān)器的算法，在現(xiàn)有的導(dǎo)航接收機(jī)的基礎(chǔ)上完成CBOC導(dǎo)航接收機(jī)工程樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

1 CBOC信號(hào)特性分析

1．1 CBOC信號(hào)生成仿真

CBOC(Composite BOC)通過PN碼相同、副載波不同的兩種BOC信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和實(shí)現(xiàn)。本文研究的是Galileo系統(tǒng)提出的CBOC(6，1，1／11)信號(hào)采用BOC(6，1)和BOC(1，1)兩種副載波加權(quán)實(shí)現(xiàn)，加權(quán)是對(duì)功率的分配。BOC(1，1)信號(hào)所占的功率百分比為a，BOC(6，1)信號(hào)所占功率百分比為b。通過這種加權(quán)之后，信號(hào)成為4電平信號(hào)。

CBOC信號(hào)表達(dá)式為：

　　采用Matlab仿真CBOC(6，1，1／11)信號(hào)如圖1所示。

接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵就是在本地端復(fù)制一個(gè)和發(fā)射端匹配的信號(hào)，而根據(jù)Matlab的仿真分析可知，CBOC信號(hào)是四電平的信號(hào)，因此采用在接收端直接復(fù)制信號(hào)的方式會(huì)極大的增加了接收機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)的難度，這就要求必須尋找其他的方法恢復(fù)信號(hào)。

1．2 CBOC自相關(guān)和功率譜密度

信號(hào)的自相關(guān)特性是信號(hào)捕獲和跟蹤算法選擇的依據(jù)，BPSK信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)只有一個(gè)峰值，采用典型的E—L相關(guān)器架構(gòu)可以很容易的鎖住主峰，但是CBOC信號(hào)(如圖3所示)除了主峰以外還有兩個(gè)副峰，這樣簡(jiǎn)單的采用BPSK的跟蹤算法容易錯(cuò)鎖，因此影響取得的觀測(cè)量的值，進(jìn)而影響定位結(jié)果。CBOC信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)的Matlab仿真圖如圖2所示。

CBOC信號(hào)的自相關(guān)特性可以表示為：

由仿真分析可知，CBOC(6，1，1／11)存在兩個(gè)較大的副峰，且其與BOC(1，1)信號(hào)類似，因此在選擇跟蹤算法時(shí)可以仿照BOC的算法進(jìn)行改進(jìn)。在圖2中，BOC(1，1)和BOC(6，1)的頻率譜峰清晰可見，因此可以根據(jù)射頻帶寬的大小選擇適合的接收算法。

2 CBOC信號(hào)接收算法

2．1 現(xiàn)有CBOC信號(hào)跟蹤算法

現(xiàn)有CBOC跟蹤算法對(duì)比如表1所示。

2．2 多相關(guān)器算法

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，偽距的測(cè)量精度越來(lái)越高，人們發(fā)現(xiàn)多徑誤差對(duì)定位精度的影響在定位誤差中所占的權(quán)重越來(lái)越大，因此，如果能夠得到多徑誤差最優(yōu)的碼相位鑒別器，將能最大限度地抑制多徑誤差，從而顯著提高定位精度�；�于此點(diǎn)需求提出的多相關(guān)器方法是一種確定碼相位鑒別器的方法，它在自相關(guān)函數(shù)的有效范圍內(nèi)放置許多相關(guān)器，并通過線性組合的方法，用這些自相關(guān)函數(shù)組合出最優(yōu)的碼相位鑒別曲線，從而達(dá)到減小多徑誤差的效果。這種抗多徑的方法同樣適用于CBOC信號(hào)，可以在基帶只復(fù)制BOC(1，1)信號(hào)，然后通過相關(guān)值的線性組合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的碼相位鑒別。但是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中增加了相關(guān)器，因此增加了很多硬件資源，但是這些資源的增加還是可以通過諸如相關(guān)器復(fù)用等方式將硬件效率提升。

采用多相關(guān)器方法的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

每一個(gè)相關(guān)器的自相關(guān)函數(shù)可以表示如下：

其中sμ表示衛(wèi)星信號(hào)，pμ表示本地載波信號(hào)，表示第i個(gè)相位的本地復(fù)制碼，這樣就定義了一組相關(guān)器的自相關(guān)函數(shù)。定義自相關(guān)函數(shù)的線性組合為：

最后，為使自相關(guān)函數(shù)的線性組合給出的鑒相曲線無(wú)限逼近理想的碼鑒相曲線，可以使用最小二乘方法來(lái)完成最后的步驟：

通過最小二乘方法求得的即為最優(yōu)的自相關(guān)函數(shù)權(quán)值，從而構(gòu)造出了與理想的碼鑒相曲線無(wú)限接近的碼鑒相曲線。

3 CBOC信號(hào)導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3．1 導(dǎo)航接收機(jī)硬件平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)基于多相關(guān)器方法的接收機(jī)硬件平臺(tái)如圖4所示，硬件平臺(tái)選用FPGA作為實(shí)現(xiàn)相關(guān)器的模塊，利用FPGA的可編程特性，可以不改變硬件平臺(tái)，而只修改FPGA和DSP軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容接收。同時(shí)，F(xiàn)PGA的并行運(yùn)算能力也能夠很好地保證基帶處理方法的實(shí)時(shí)性。

3．2 信號(hào)捕獲

由于CBOC信號(hào)中存在副載波，CBOC信號(hào)的相關(guān)函數(shù)存在±1碼片內(nèi)存在多個(gè)相關(guān)峰值，為避免誤判，使用SCC(Sub—Carrier Cancellat ion)方法構(gòu)造無(wú)模糊的相關(guān)函數(shù)，相關(guān)函數(shù)的計(jì)算方法如式(6)所示。

該方法有效地消除了CBOC信號(hào)的副峰，從而將CBOC信號(hào)的捕獲過程轉(zhuǎn)化成類似于BPSK信號(hào)的無(wú)模糊形式。

3．3 信號(hào)跟蹤

環(huán)路設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

跟蹤采用雙環(huán)路的策略，載波環(huán)和碼環(huán)。由載波發(fā)生器，載波鑒相器，碼發(fā)生器，碼鑒別器和相關(guān)器組等構(gòu)成。CBOC信號(hào)的跟蹤采用多相關(guān)器的方式，只復(fù)制BOC(1，1)信號(hào)，然后根據(jù)計(jì)算的加權(quán)系數(shù)確定采用的鑒相方法。因此在硬件的設(shè)計(jì)中，碼環(huán)鑒別器的參數(shù)和鑒相方式均留出接口利用DSP或者ARM軟件配置。在確定了一組環(huán)路鑒相參數(shù)后，根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)環(huán)路參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

載波跟蹤環(huán)路可以使用鎖頻環(huán)或者鎖相環(huán)完成對(duì)載波相位和頻率的跟蹤。在采用方多相關(guān)器方法的接收機(jī)中，繼承了BPSK接收機(jī)對(duì)載波跟蹤環(huán)的跟蹤方法，可以使用所有適用于BPSK接收機(jī)的鑒別器，在工程樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)中使用了三階鎖相環(huán)，鑒相采用四象限反正切的方式，三階鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)在這里不做討論。

3．4 接收機(jī)測(cè)試結(jié)果

在性能分析和算法仿真的基礎(chǔ)上，使用FPGA和DSP處理器的基帶處理架構(gòu)實(shí)現(xiàn)S—SUrve shaping方法，經(jīng)過對(duì)接Galileo信號(hào)模擬器，完成了對(duì)S—surve shaping方法的功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)的跟蹤環(huán)路可以穩(wěn)定地完成對(duì)載波、副載波和碼相位的跟蹤。

4 結(jié)論

文中通過分析CBOC的時(shí)域特性，自相關(guān)特性以及功率譜密度函數(shù)，主要論述了一種基于S—surve shaping跟蹤方法的Galieo E1頻點(diǎn)CBOC信號(hào)接收機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)，在明確CBOC信號(hào)結(jié)構(gòu)的情況下，充分利用Galileo信號(hào)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的兼容性以及成熟的硬件平臺(tái)，并分析了使用簡(jiǎn)化的CBOC信號(hào)接收方法所帶來(lái)的性能損失，在理論仿真的基礎(chǔ)上，完成了接收機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

作者：孫忠秋 張春澤 來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù)