一種導(dǎo)航衛(wèi)星信號的相關(guān)特性快速評估方法

申洋赫 張曉松 劉彬 閆金棟

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

地面接收機對衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行捕獲、跟蹤、解調(diào)，從而完成對用戶的定位、測速、授時。信號處理過程均是利用接收信號與本地參考信號的相關(guān)特性來實現(xiàn)的。相關(guān)特性是衡量接收信號與本地信號在時間軸上偏移一段時長之后的相似程度，是基帶信號處理的基礎(chǔ)，決定著導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、測速、授時等關(guān)鍵性能和指標[1-2]。相關(guān)特性的優(yōu)劣可用相關(guān)曲線來衡量，偽碼跟蹤性能和測距精度分別與相關(guān)曲線的對稱性和尖銳程度直接相關(guān)。如果導(dǎo)航信號發(fā)生異常，會導(dǎo)致其相關(guān)曲線出現(xiàn)“變形”、“多峰”等異?，F(xiàn)象，通過觀察相關(guān)曲線的特征可以對信號進行監(jiān)測。

開展導(dǎo)航信號相關(guān)特性評估，可提高導(dǎo)航衛(wèi)星載荷測試的全面性，暴露出傳統(tǒng)測試方法所不能挖掘的細節(jié)問題，最終可優(yōu)化導(dǎo)航信號體制設(shè)計。導(dǎo)航信號相關(guān)特性的實際應(yīng)用面臨信號種類繁多，多星并行等復(fù)雜測試工況，在信號采集設(shè)備工作模式、采集信號特征估計算法方面尚未形成統(tǒng)一標準，進而影響了測試效率不能滿足多種信號、多星并行的需求[3-6]。目前利用信號采集設(shè)備采集信號時，采樣時鐘通常利用內(nèi)部的高穩(wěn)晶振，將增加信號頻率估計的搜索運算量；另外，為防止模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)在信號采樣過程中發(fā)生混疊，采樣頻率遠大于數(shù)字基帶信號的帶寬，因此捕獲和跟蹤算法的運算量增加，從而導(dǎo)致相關(guān)特性評估方法耗時較長[7-8]，無法滿足對其高效快速評估的需求。

針對上述問題，本文提出一種快速評估導(dǎo)航信號相關(guān)特性的方法。與傳統(tǒng)方法相比，本文方法利用星地同源的采集模式，對信號捕獲跟蹤環(huán)節(jié)增加了抗混疊濾波和抽取處理，并對生成的相關(guān)曲線進行內(nèi)插，從而有效提高評估速度，解決傳統(tǒng)相關(guān)特性評估方法耗時較長的問題。

1 閉環(huán)相關(guān)特性分析

對導(dǎo)航信號進行評估，往往需要評估一段時間內(nèi)的信號。閉環(huán)相關(guān)特性分析一方面可利用前一時刻的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行跟蹤，實時估計導(dǎo)航信號載波頻率和載波相位，對其進行載波剝離產(chǎn)生基帶信號，繼而進行相關(guān)特性分析；另一方面在捕獲的碼相位的基礎(chǔ)上進一步提高其估計精度，有助于信號質(zhì)量的評估。

閉環(huán)相關(guān)特性的分析主要包括以下步驟：①首先將采集數(shù)據(jù)送入到軟件接收機，進行信號捕獲和跟蹤處理；②根據(jù)跟蹤環(huán)路結(jié)果，將接收信號進行載波剝離，可復(fù)現(xiàn)接收信號的測距碼片；③與本地測距碼的互相關(guān)，可以產(chǎn)生導(dǎo)航信號的相關(guān)曲線；④通過觀察相關(guān)曲線的特征可對信號進行監(jiān)測。

信號的捕獲和跟蹤是閉環(huán)相關(guān)特性分析的基礎(chǔ)，若這兩個環(huán)節(jié)運行緩慢，則會嚴重制約信號評估的速度，因此本文重點對信號的捕獲和跟蹤環(huán)節(jié)進行改進，從而提高導(dǎo)航信號評估的效率。

1.1 一種改進的基于FFT的捕獲算法

基于時域相關(guān)器的捕獲算法是一種常用方法，它從多普勒頻率和偽碼兩個維度對信號進行串行搜索，運算量巨大。作為信號相關(guān)特性分析的第一步，若信號捕獲耗時較長，勢必也會限制整個系統(tǒng)運行的速度。鑒于工廠階段對衛(wèi)星相關(guān)特性進行分析，可采取星地同源(即使用衛(wèi)星輸出的10 MHz原子鐘信號作為采集設(shè)備的外源時鐘)，可使多普勒頻移范圍相對較小，即加快其在頻率上的搜索時間。因此，本節(jié)重點尋找一種可在偽碼維度實現(xiàn)并行搜索的算法。由于基于快速傅里葉變換(FFT)的捕獲可實現(xiàn)在偽碼維度的并行搜索，本文擬采用基于FFT的算法對信號捕獲。

在導(dǎo)航接收機射頻前端，為防止ADC在信號采樣過程中發(fā)生混疊，采樣頻率經(jīng)常大于奈奎斯特定理所要求的采樣頻率(即過采樣)。然而，過采樣一般遠大于數(shù)字基帶信號的帶寬，導(dǎo)致捕獲采樣點數(shù)增多，對基于FFT變換的捕獲算法來講，將會涉及到大點數(shù)的FFT變換，因此增加了捕獲的計算量。

為了既擁有過采樣的優(yōu)點而又盡量減少捕獲處理的運算量，本文擬對上述算法中的基帶信號進行整數(shù)倍抽取。若基帶信號的頻譜函數(shù)為X(ejω)，對其進行M倍抽取，則根據(jù)信號處理理論可知[9]

(1)

式中：ω為信號的角頻率；M為抽取的整數(shù)倍數(shù)；k為序號，取值范圍為0至M-1；Y(eiω)是M倍抽取后序列的頻譜函數(shù)。首先將原序列的X(ejω)擴展M倍，接著將其右移2π的整數(shù)倍，最后將M個擴展移位的頻譜函數(shù)進行平均，這個過程容易造成頻譜混疊。

根據(jù)序列抽取頻譜不混疊的奈奎斯特條件，如圖1所示，本文先對基帶信號進行抗混疊低通濾波，將序列的有效頻帶限制在折疊頻率fs/(2M)以內(nèi)，然后再對其進行M倍抽取，最終計算其同相和正交支路的相關(guān)值，如下

(2)

(3)

式中：r(ω)，lI(ω)，lQ(ω)，sL(ω)分別為r(Mk)，lI(Mk)，h(Mk)，lQ(Mk)的頻域形式；H(ω)為抗混疊濾波器的傳輸函數(shù)，呈低通特性。

不斷改變本地偽碼信號的角頻率(本文采用星地同源，可有效減少角頻率的改變次數(shù)，加速相關(guān)結(jié)果出現(xiàn)最大值)，直至式(4)中相關(guān)結(jié)果R出現(xiàn)最大值。

(4)

此時所對應(yīng)的偽碼相位值以及設(shè)置的本地載波角頻率即為信號偽碼相位和載波角頻率的粗略估計。

圖1 改進的基于FFT的捕獲算法Fig.1 Modified acquisition method based on FFT

1.2 基于抽取的導(dǎo)航信號跟蹤環(huán)路

導(dǎo)航信號跟蹤環(huán)路是閉環(huán)信號相關(guān)域系統(tǒng)的重要模塊，可對偽碼和載波進行精確地實時跟蹤[9-10]。擴頻碼和載波的跟蹤是一個相互耦合并且很復(fù)雜的問題。如圖2所示，中頻信號sIF(n)首先與載波環(huán)所復(fù)制的載波混頻，產(chǎn)生I、Q兩路混頻結(jié)果i和q，它們分別與碼環(huán)所復(fù)制的超前、即時和滯后三份偽隨機碼進行相關(guān)；即時路的相關(guān)值被當做載波環(huán)鑒別器的輸入，其他兩條支路上的相關(guān)值作為碼環(huán)鑒別器的輸入；最終，載波環(huán)和碼環(huán)分別對它們的鑒別器輸出值進行濾波，將濾波結(jié)果用來調(diào)節(jié)各自的載波數(shù)控振蕩器和碼數(shù)控振蕩器的輸出相位和頻率等狀態(tài)，使載波環(huán)所復(fù)制的載波與接收載波保持一致，同時又使碼環(huán)所復(fù)制的即時碼與接收偽隨機碼保持一致，以保證下一時刻接收信號的載波和偽隨機碼被徹底剝離；最終載波環(huán)鑒別器可以解調(diào)出導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)比特。

圖2 改進的跟蹤環(huán)路Fig.2 Modified tracking loop

跟蹤環(huán)路一般采用二階環(huán)路濾波器，其能夠很好地跟蹤相位階躍和頻率階躍信號，可處理絕大多數(shù)時間內(nèi)導(dǎo)航接收機收到的導(dǎo)航信號，另外在環(huán)路復(fù)雜性和穩(wěn)定性方面也比較理想。

整個跟蹤環(huán)路的傳輸函數(shù)為

(5)

式中：ωn和ζ分別為特征頻率和阻尼系數(shù)；s為拉普拉斯變換參數(shù)。

根據(jù)1.1節(jié)的分析，跟蹤環(huán)路中也存在過采樣的問題，無疑會增加中頻信號處理的運算量因此本文同樣對圖2中的I、Q兩路混頻結(jié)果采取先抗混疊濾波再N倍抽取的措施，從而提高跟蹤環(huán)路處理速度。

跟蹤環(huán)路中的3條支路相關(guān)積分值可表示為

(6)

(7)

1.3 載波剝離和相關(guān)特性分析

利用跟蹤環(huán)路輸出的采集信號偽碼相位和載波角頻率的精確估計，將采集信號進行載波剝離，復(fù)現(xiàn)測距偽碼信號，便可進行相關(guān)特性分析。理論分析如下。

若p(k)表示復(fù)現(xiàn)偽碼信號，l(k)表示生成的本地測距碼，為便于分析，其相關(guān)函數(shù)R(τi)可寫為傅里葉逆轉(zhuǎn)換形式

(8)

式中：P(ejω)，L(ejω)分別表示復(fù)現(xiàn)偽碼信號和本地測距碼信號的頻譜函數(shù)；τi表示偽碼信號與測距碼信號的相位差。

由于1.2節(jié)信號跟蹤環(huán)中對基帶信號進行了N倍抽取，復(fù)現(xiàn)的偽碼信號以及生成的本地測距碼信號也均被N倍降采樣，它們的頻譜函數(shù)分別用Pdown(ejω)和Ldown(ejω)，根據(jù)信號處理理論，其可寫為

(9)

由式(9)可知，降采樣后復(fù)現(xiàn)的偽碼信號和生成的本地測距信號的頻譜容易發(fā)生混疊，經(jīng)過離散傅里葉逆轉(zhuǎn)換后，其時域信號(即相關(guān)曲線)將會失真，不能真實地分析其相關(guān)特性。

文獻[11]研究了利用二次曲線插值法對相關(guān)曲線進行插值，但由于已知數(shù)據(jù)點通常存在誤差，從而使插值曲線逼近效果不理想。本文利用文獻[12]中構(gòu)造最小二乘插值函數(shù)的方法對相關(guān)曲線進行插值，從而可真實地分析其相關(guān)特性。

已知上述相關(guān)函數(shù)R(τi)產(chǎn)生的離散數(shù)據(jù)(τi,R(τi))，i=0,1,…,n，且n+1個互異插值節(jié)點存在如下關(guān)系τ0<τ1<τ2<…<τn，形成插值區(qū)間[τ0,τn]，在插值區(qū)間中尋找一個插值函數(shù)C(τi)，使C(τi)與R(τi)的誤差平方和在最小二乘條件下最小，確定的函數(shù)即為插值函數(shù)，從而形成逼近真實的相關(guān)曲線，具體步驟可見圖3。本文方法還可分析任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的模擬信號，觀察不同干擾對相關(guān)曲線的畸變影響，可為干擾信號的優(yōu)化積累數(shù)據(jù)。

圖3 閉環(huán)信號相關(guān)特性分析流程Fig.3 Analysis process of closed-loop signal correlation characteristics

2 實測數(shù)據(jù)分析

為驗證本文提出的方法，利用某系列信號采集設(shè)備對工廠階段某導(dǎo)航衛(wèi)星的下行信號進行采集，采樣率為650 MS/s，參考時鐘輸入為衛(wèi)星原子鐘的10 MHz信號，前面已提及，這樣做的好處為盡可能地實現(xiàn)星地同源。對捕獲來講，減少頻域搜索范圍，充分利用偽碼相位并行搜索的優(yōu)點。本節(jié)主要分析頻率為1 561.098 MHz、帶寬為±2.046 MHz的信號，將傳統(tǒng)分析方法(基于FFT的捕獲以及常規(guī)跟蹤環(huán)路)作為參照，分析本文提出的改進方法所帶來的優(yōu)勢。

首先分析傳統(tǒng)方法和改進方法(捕獲130倍抽取、跟蹤50倍抽取)捕獲跟蹤的細節(jié)。分別對導(dǎo)航衛(wèi)星在衛(wèi)星號、載波頻率、偽碼相位3個維度進行捕獲。經(jīng)過對37顆導(dǎo)航衛(wèi)星的搜索后，可獲得衛(wèi)星的信號特征。對比可知，2種方法除了對偽碼相位的估計不同之外，其他參數(shù)完全一致，由于改進方法對基帶信號進行了抽取，估計的碼相位自然不同。前文已介紹，捕獲對碼相位只要求粗略估計，650 MS/s的采樣頻率對于碼速率為2.046 MS/s的信號來講過于浪費，因此改進方法對基帶信號進行了130倍抽取，降采樣為5 MS/s，對碼相位的估計精度依然可以達到0.5個碼片之內(nèi)，完全可滿足捕獲對碼相位粗略跟蹤的要求；這種方法帶來的優(yōu)勢確是顯而易見的，將捕獲時間由原來的103.18 s減少到15.58 s。

信號跟蹤環(huán)路經(jīng)過反饋回路的動態(tài)調(diào)整，環(huán)路的鑒相器以及濾波器均達到穩(wěn)態(tài)，信號被成功跟蹤，可得到即時、超前、滯后三路相關(guān)值，并且即時路的I路(同相)可輸出數(shù)據(jù)比特，即時路的Q路(正交)輸出噪聲。為了保證跟蹤環(huán)路對碼相位的高精度估計，改進方法對基帶信號進行了50倍抽取，處理時間由傳統(tǒng)方法的87.92 s減少到72.76 s。

碼環(huán)鑒相器初始值來自于捕獲算法碼相位的粗略估計，本文捕獲算法對基帶信號進行了抽取，犧牲估計精度換取速度(但可滿足對碼相位粗略跟蹤的要求)，如圖4和圖5所示，與傳統(tǒng)方法碼環(huán)鑒相器相比，改進方法碼環(huán)鑒相器在初始時刻的輸出幅度較大，但是經(jīng)過碼環(huán)的反饋調(diào)節(jié)，輸出數(shù)值越來越小，最終碼相位數(shù)據(jù)得到收斂。

圖4 傳統(tǒng)方法碼環(huán)鑒相器結(jié)果Fig.4 Phase discriminator result of the traditional tracking loop

圖5 改進方法碼環(huán)鑒相器結(jié)果Fig.5 Phase discriminator result of modified tracking loop

如圖6所示，驗證了1.3節(jié)中對相關(guān)曲線進行插值的效果。由于射頻前端的帶寬是受限的，導(dǎo)航信號的自相關(guān)函數(shù)不再具有尖銳的尖角，而是變得圓滑而平緩。圖6(a)中繪制的是未對相關(guān)曲線進行插值的情形?？梢娪捎诟櫗h(huán)路中對基帶信號進行抽取，復(fù)現(xiàn)的偽碼信號采樣率偏低，導(dǎo)致相關(guān)曲線變得失真，不能用于相關(guān)特性的分析；而對相關(guān)曲線進行插值后，圖6(b)中的相關(guān)曲線圓滑而平緩，可真實地反映導(dǎo)航信號的相關(guān)特性。圖7給出了傳統(tǒng)方法分析出的相關(guān)曲線，對圖6(b)和圖7相關(guān)曲線的形狀一致性進行評估[13]：設(shè)相關(guān)峰曲線的最大值為R0，距離最大值R0為0.05碼片、0.10碼片的相關(guān)曲線的取值記為R-0.05，R0.05，R-0.10，R0.10，通常相關(guān)曲線的評估參數(shù)可寫為

(10)

P1=P4-P3

式中：當i=3,4時，m取值分別為0.05，0.10；當i=7,8,9,10時，n取值分別為-0.05，0.05，-0.10，0.10。分別利用式(10)計算本文方法和傳統(tǒng)方法相關(guān)曲線的評估參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1的數(shù)據(jù)表明2條曲線的評估參數(shù)相同，其形狀完全一致，從而印證了改進算法的有效性。

圖6 本文方法相關(guān)曲線結(jié)果Fig.6 Correlation curve of this work

圖7 傳統(tǒng)方法相關(guān)曲線Fig.7 Correlation curve of the traditional method

表1 傳統(tǒng)方法與本文方法相關(guān)曲線參數(shù)對比

Table 1 Parameter comparison of correlation curves of traditional method and proposed method

曲線參數(shù)傳統(tǒng)方法本文方法P100P300P400P70.930.93P80.930.93P90.900.90P100.900.90

3 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)相干特性評估方法耗時較長的問題，進行了技術(shù)改進：

(1)針對信號捕獲算法，采用衛(wèi)星輸出的10 MHz原子鐘信號作為采集設(shè)備的輸入時鐘，可加快其在頻率維度的搜索；增加了抗混疊濾波及抽取模塊，可降低其在偽碼維度的搜索運算量。實測結(jié)果表明捕獲時間可由傳統(tǒng)方法的103.18 s減少至15.58 s。

(2)針對信號跟蹤算法，在輸入信號、本地載波發(fā)生器、偽碼發(fā)生器后端增加了抗混疊濾波及抽取模塊，可減少超前、即時、滯后多支路相關(guān)運算量，實測結(jié)果表明跟蹤時間可由傳統(tǒng)方法的87.92 s減少至72.76 s。

(3)針對新增抽取模塊導(dǎo)致相關(guān)曲線失真的問題，本文通過構(gòu)造插值函數(shù)，復(fù)現(xiàn)真實的相關(guān)曲線，并對本文方法和傳統(tǒng)方法的相關(guān)曲線參數(shù)進行評估，結(jié)果表明2條相關(guān)曲線的評估參數(shù)相同，形狀一致。

本文所提方法可應(yīng)用于導(dǎo)航衛(wèi)星工廠電測階段相關(guān)特性的高效評估。此外，具備干擾檢測功能的導(dǎo)航接收機有著較為可觀的市場前景，其為提高接收信號的載噪比，需額外增加相干積分時間，將嚴重影響接收機的實時性。本文方法不僅可有效檢測干擾信號，還可改善接收機的實時性，可應(yīng)用于上述技術(shù)領(lǐng)域。