新體制GNSS信號(hào)應(yīng)用性能分析

韓明明，侯光華，劉寧勝，楊文津

(1.中國(guó)人民解放軍61773部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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新體制GNSS信號(hào)應(yīng)用性能分析

韓明明1，侯光華1，劉寧勝1，楊文津2

(1.中國(guó)人民解放軍61773部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對(duì)以二進(jìn)制偏置載波調(diào)制(Binary Offset Carrier，BOC)信號(hào)為代表的新體制全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)下行信號(hào)在空間信號(hào)中所占比例逐漸增大的現(xiàn)狀，結(jié)合應(yīng)用需求，通過介紹新體制信號(hào)的常用基帶同步方法，分析了單邊帶策略和聯(lián)合邊帶策略對(duì)BOC信號(hào)偽距精度的影響，并對(duì)BOC信號(hào)調(diào)制階數(shù)與其跟蹤精度和基帶處理資源的關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，得出聯(lián)合邊帶處理法比單邊帶處理法具有更優(yōu)測(cè)距精度但需消耗更多硬件資源的結(jié)論。在通用接收機(jī)硬件平臺(tái)上對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，聯(lián)合邊帶策略在獲得較高同步精度的同時(shí)對(duì)硬件資源提出了更高的需求。該研究結(jié)果為各類具有新體制信號(hào)處理需求的GNSS接收機(jī)提供設(shè)計(jì)依據(jù)和優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞GNSS；BOC；BPSK-like；資源需求；VNELP

0引言

BOC類調(diào)制信號(hào)[1]作為新體制GNSS信號(hào)在各大系統(tǒng)中使用率劇增。導(dǎo)航信號(hào)基帶同步性能與通道資源占用作為GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)過程[2]中的兩大重點(diǎn)，在整機(jī)策略中占有極為重要的位置。因此，研究BOC類信號(hào)的相關(guān)應(yīng)用性能對(duì)接收機(jī)同步性能和資源占用的影響將在不同類型的新體制導(dǎo)航終端設(shè)計(jì)過程中起到關(guān)鍵性指導(dǎo)作用。

針對(duì)這一問題，本文從接收機(jī)基帶同步方式出發(fā)，分析不同的基帶策略對(duì)BOC類信號(hào)的測(cè)距精度、資源需求和應(yīng)用方向帶來的影響，并在通用化硬件接收機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)[3]上進(jìn)行驗(yàn)證，得出新信號(hào)體制在不同信號(hào)特性、不同處理方式和不同應(yīng)用環(huán)境下的精度和需求關(guān)系，彌補(bǔ)信號(hào)體制擴(kuò)展階段接收機(jī)方案選擇方面的空白。

1BOC信號(hào)基帶同步原理

1.1PSK調(diào)制與BOC調(diào)制

傳統(tǒng)GNSS系統(tǒng)下行應(yīng)用信號(hào)主要為相移鍵控(Phase Shift Keying，PSK)信號(hào)，該類信號(hào)是用導(dǎo)航信息與二值偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼做異或運(yùn)算后得到的基帶擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制高頻發(fā)射載波而生成的一類空間發(fā)射信號(hào)。BOC調(diào)制信號(hào)則是PSK信號(hào)基帶導(dǎo)航信息和偽隨機(jī)碼異或運(yùn)算的基礎(chǔ)上外加了一個(gè)二值副載波調(diào)制，再將這個(gè)基帶擴(kuò)頻信號(hào)與載波信號(hào)做混頻運(yùn)算得到的，可表示為：

(1)

式中，akμnTs(t)為持續(xù)時(shí)間為nTs的矩形脈沖，可看作PSK信號(hào)；CTs(t)為以2Ts為周期的副載波信號(hào)?；镜腂OC類調(diào)制信號(hào)常用BOC(fs,fc)表示，其中fs和fc分別表示生成信號(hào)中副載波頻率和擴(kuò)頻碼速率相對(duì)于基準(zhǔn)頻率的倍數(shù)，n定義為n=2fs/fc，稱作BOC信號(hào)調(diào)制階數(shù)[4]。

1.2單邊帶同步策略

BOC信號(hào)具有自相關(guān)峰多值特性和功率譜對(duì)稱分離特性[5]。這兩大特性在為該類信號(hào)帶來優(yōu)異的跟蹤精度和抗干擾性能的同時(shí)，也使得在全邊帶處理時(shí)，針對(duì)PSK信號(hào)的非相干超前滯后(Non-correlation Early Late Processing，NELP)同步策略因峰值鎖定相位模糊度[6]的問題。因此，衍生出針對(duì)BOC信號(hào)的單邊帶BPSK-like同步策略[7]和聯(lián)合邊帶非相干過超前滯后[8](Non-correlation Very Early Late Processing，VNELP)同步策略這2種通用基帶處理方式，其中BPSK-like策略分為對(duì)上下單一邊帶的同步和上下兩邊帶疊加同步2種情況。

基于NELP同步策略的單邊帶處理的變頻和鑒相過程如圖1所示。

圖1　單邊帶同步策略鑒相和變頻過程

單邊帶BPSK-like同步策略的基本思想是將對(duì)稱分離后的BOC功率譜的單邊包絡(luò)進(jìn)行基帶變頻處理，將其轉(zhuǎn)化為無副載波調(diào)制影響的PSK信號(hào)，并用傳統(tǒng)的VNELP鑒相方式來完成其環(huán)路設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將經(jīng)過BOC調(diào)制的信號(hào)表示為：

(2)

式中，a(t)為經(jīng)偽碼擴(kuò)頻后的基帶信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過頻率為ω1的二值副載波調(diào)制和頻率為ω2的載波調(diào)制后生成最終的空間下行信號(hào)。單邊帶同步策略即對(duì)S(t)信號(hào)進(jìn)行頻率變化量為ω2+ω1或ω2-ω1的基帶變頻處理，并通過基帶低通濾波的方式濾除另一邊帶的信號(hào)，將副載波調(diào)制帶來的影響消去，以解決多峰值效應(yīng)帶來的碼相位鎖定模糊度問題。

1.3聯(lián)合邊帶同步策略

與單邊帶策略相比，聯(lián)合邊帶策略的核心任務(wù)是解決由副載波調(diào)制帶來的信號(hào)自相關(guān)函數(shù)跟蹤過程中的鎖定模糊度問題。對(duì)于式(2)中的信號(hào)，聯(lián)合邊帶同步策略頻率變化量為ω2，其處理頻帶中心為副載波調(diào)制前的擴(kuò)頻信號(hào)頻帶中心。

聯(lián)合邊帶策略基本思想是在單邊帶NELP同步策略中即時(shí)(P)、超前(E)和延遲(L)支路的基礎(chǔ)上增加了過超前(VE)和過延遲(VL)2條支路，其中P、E和L支路組成類似于單邊帶策略中NELP的鑒相環(huán)路，用于自相關(guān)函數(shù)峰值的鎖定；VE和VL支路則用于判定整個(gè)環(huán)路的主峰(即碼相位偏移量為0的點(diǎn))鎖定情況。聯(lián)合邊帶處理的變頻和鑒相過程如圖2所示。

圖2　聯(lián)合邊帶同步策略鑒相和變頻過程

2BOC信號(hào)基帶性能分析

2.1跟蹤精度分析

GNSS基帶跟蹤誤差定義如下：

(3)

式中，Tc為擴(kuò)頻碼碼片長(zhǎng)度；BL為環(huán)路帶寬；α為相關(guān)峰斜率；R(d)為τ=d時(shí)刻的自相關(guān)函數(shù)值；C/N0為信號(hào)載噪比；TP為環(huán)路積分時(shí)間。

對(duì)于BOC(fs,fc)信號(hào)而言，當(dāng)采用單邊帶寬相關(guān)同步策略且積分時(shí)間為1個(gè)碼周期時(shí)，可將其等同為BPSK(fc)信號(hào)，則其同步誤差為：

(4)

當(dāng)對(duì)上下邊帶進(jìn)行疊加BPSK-like同步策略時(shí)，C/N0相比式(4)中單邊帶處理增加3 dB，可得其同步誤差為：

(5)

(6)

通過式(4)、式(5)和式(6)可知，對(duì)于BOC類調(diào)制信號(hào)，當(dāng)采用邊帶同步策略時(shí)，信號(hào)體制本身對(duì)基帶同步精度影響最大的參數(shù)為基帶擴(kuò)頻碼速率，且與基帶同步誤差成反比；而當(dāng)采用聯(lián)合邊帶同步策略時(shí)，除基帶擴(kuò)頻碼速率外，二值副載波頻率也成為影響基帶同步精度的重要因素，該精度隨著調(diào)制階數(shù)n的增加而提升，優(yōu)于BPSK-like精度。

2.2資源需求分析

在特定的GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)架構(gòu)下[9-10]，信號(hào)體制和基帶算法成為影響硬件設(shè)計(jì)資源的最主要因素。在傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的接收機(jī)基帶設(shè)計(jì)架構(gòu)下，硬件資源需求主要體現(xiàn)在FPGA邏輯單元(Logic Elements，LE)占用量和單板功耗兩方面。

在固定硬件平臺(tái)下，LE占用量主要與接收機(jī)基帶架構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。對(duì)于BOC(fs,fc)信號(hào)，在捕獲策略和通信接口相同時(shí)，單邊帶同步策略和聯(lián)合邊帶同步策略的LE占用量主要受基帶跟蹤環(huán)路數(shù)量的影響，由于單邊帶策略存在E、L和P共3條跟蹤支路，上下邊帶疊加同步策略為兩個(gè)單邊帶策略的疊加，共6條跟蹤支路，聯(lián)合邊帶策略存在VE、VL、E、L和P共5條跟蹤支路，因此3種方式間在基帶同步設(shè)計(jì)方面LE占用量理論值之間的關(guān)系可表示為：

(7)

即在基帶LE占用方面，針對(duì)單個(gè)邊帶的BPSK-like策略最具優(yōu)勢(shì)，上下邊帶疊加策略和聯(lián)合邊帶策略的邏輯資源占有量均為單個(gè)邊帶策略的2倍左右。

單板功耗指基帶接收機(jī)處理平臺(tái)的整體功耗，分為數(shù)模轉(zhuǎn)換、基帶同步和信息處理3部分，主要受板卡采樣時(shí)鐘速率和基帶算法LE占用量的影響。

依照帶通采樣定理，采樣頻率必須是被采信號(hào)帶寬的2倍。對(duì)于基于單邊帶的BPSK-like同步策略，以每個(gè)峰值采樣點(diǎn)數(shù)為4來計(jì)算，PSK(fc)信號(hào)的基帶最小采樣頻率為：

Rs(fc)=4×1.023×106fc。

(8)

聯(lián)合邊帶同步策略因BOC信號(hào)自相關(guān)函數(shù)多峰值特性，其基帶最小采樣頻率為：

RBOC(fs,fc)=8×1.023×106(fs+fc)。

(9)

綜合式(7)、式(8)和式(9)可知，單個(gè)邊帶和上下邊帶疊加策略功耗相對(duì)固定，后者約為前者2倍左右；聯(lián)合邊帶策略因頻譜分離后產(chǎn)生較大的基帶處理帶寬，功耗也隨之增大，當(dāng)基帶擴(kuò)頻碼速率一定時(shí)，單板功耗隨BOC信號(hào)調(diào)制階數(shù)n的增加而增大。

3接收機(jī)平臺(tái)測(cè)試

3.1測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試信號(hào)

為了全面評(píng)估和驗(yàn)證BOC信號(hào)的基帶同步性能和設(shè)計(jì)資源需求，采用高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片配合邏輯資源量較大的Sratix V系列FPGA通用信號(hào)處理平臺(tái)[11]作為接收機(jī)開發(fā)環(huán)境，選取BOC(14，2)信號(hào)和BOC(1，1)作為接收機(jī)平臺(tái)的測(cè)試信號(hào)以驗(yàn)證調(diào)制階數(shù)對(duì)應(yīng)用性能的影響。

3.2跟蹤精度測(cè)試

調(diào)整衰減器控制到達(dá)信號(hào)載噪比為39～45 dB，對(duì)信號(hào)采取單邊帶BPSK-like同步處理和聯(lián)合邊帶同步處理，并將接收機(jī)測(cè)距值與模擬器原始觀測(cè)值進(jìn)行做差求標(biāo)準(zhǔn)差處理，單邊帶和聯(lián)合邊帶策略同步精度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3中由于相關(guān)函數(shù)主峰斜率的原因，BOC(1,1)聯(lián)合邊帶跟蹤精度優(yōu)于BOC(14,2)單邊帶處理精度。

測(cè)試結(jié)論：BOC信號(hào)聯(lián)合邊帶同步策略在基帶同步精度方面優(yōu)于單邊帶同步策略，且該精度隨著調(diào)制階數(shù)n的增加而提升。

圖3　單邊帶和聯(lián)合邊帶策略同步精度測(cè)試結(jié)果

3.3硬件資源需求測(cè)試

通過直流穩(wěn)壓電源輸入的方式監(jiān)測(cè)接收機(jī)硬件處理平臺(tái)的整體電流，并通過FPGA編譯器得出基帶策略運(yùn)行過程LE資源使用情況，得出LE占用量和整體平臺(tái)功耗信息。硬件資源需求測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　硬件資源需求測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)論：BOC信號(hào)聯(lián)合邊帶同步策略在硬件資源占用量方面明顯超出單邊帶同步策略。尤其當(dāng)調(diào)制階數(shù)n較大時(shí)，較高的采樣率不僅使功耗大幅增加，也對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片等設(shè)備提出更高的要求。

綜上所述，聯(lián)合邊帶策略在獲得較高同步精度的同時(shí)對(duì)硬件資源提出了更高的需求。在未來以新體制信號(hào)為主的GNSS應(yīng)用環(huán)境下，為偏重定位導(dǎo)航應(yīng)用、高精度測(cè)量應(yīng)用等對(duì)精度需求不同且有不同硬件資源容納能力的各類接收機(jī)提供設(shè)計(jì)參考。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)新體制GNSS應(yīng)用日益廣泛的現(xiàn)狀，本文從基帶設(shè)計(jì)角度出發(fā)，以基帶跟蹤精度和硬件資源需求為立足點(diǎn)，著重分析了不同的基帶策略對(duì)新體制信號(hào)應(yīng)用性能的影響。得出了隨著調(diào)制階數(shù)的增加，聯(lián)合邊帶策略為BOC信號(hào)帶來更優(yōu)同步精度的同時(shí)也存在更高資源需求的結(jié)論。并在以FPGA為核心的通用接收機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)上對(duì)該結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。該結(jié)論也給新體制信號(hào)下的各類不同需求、不同用途的GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)提供了總體思路，具有一定的實(shí)用性指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]寧鵬.BOC信號(hào)機(jī)理及其檢測(cè)技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2010.

[2]謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]馬英昌，謝松.GPS L5接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2013，39(6)：94-96.

[4]楊力.基于BOC調(diào)制的導(dǎo)航信號(hào)同步接收關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[5]楊再秀.GNSS信號(hào)性能評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2013.

[6]楊文津，趙勝，段召亮.一種改進(jìn)的BOC信號(hào)碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)方法[J].無線電工程，2014，44(2)：21-23，49.

[7]邵興權(quán).BOC信號(hào)捕獲技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[8]袁潤(rùn)平，翟建勇，王偉.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的BOC調(diào)制和接收技術(shù)分析[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2013(4)：252-257.

[9]管吉興，陳榮，高躍清，等.一種擴(kuò)頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)分析[J].無線電通信技術(shù)，2011，37(5)：58-61.

[10]余紅明,騰潢龍.一種基于超長(zhǎng)序列擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].移動(dòng)通信,2015,39(12):68-71.

[11]黃智偉.GPS接收機(jī)電路設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.11

收稿日期：2016-03-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2012AA121802)。

中圖分類號(hào)TN911.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)07-0042-03

作者簡(jiǎn)介

韓明明男，(1990—)，助理工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、GNSS基帶信號(hào)處理。

侯光華男，(1982—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)航運(yùn)控。

Analysis on Application Performance of New System GNSS Signals

HAN Ming-ming1,HOU Guang-hua1,LIU Ning-sheng1,YANG Wen-jin2

(1.Unit61773,PLA,UrumqiXinjiang830000,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe Binary Offset Carrier(BOC)signals have already been an important part of Global Navigation Satellite System(GNSS)space signals.In view of this present situation,combined with the requirements of application,this paper analyzes the influence of single-sideband and double-sideband strategies on measurement accuracy of BOC signals,and presents the derivation of relationship between BOC signal orders and their measurement accuracy and hardware resource.It is concluded that the double-sideband method has better ranging accuracy but takes more hardware resource compared with the single-sideband method.This conclusion is verified at common receiver hardware platform,and the results show that the double-sideband method brings higher synchronization precision with higher requirement for hardware resource.This research results can provide design basis and optimization scheme for various GNSS receiver with new system signal processing requirement.

Key wordsGNSS;BOC;BPSK-like;resource requirements;VNELP

引用格式：韓明明,侯光華,劉寧勝,等.新體制GNSS信號(hào)應(yīng)用性能分析[J].無線電工程,2016,46(7):42-44,75.