一種低軌衛(wèi)星高靈敏度輔助定位服務系統(tǒng)

王 康，梁晟溟，董啟甲，范廣騰

(1.航天恒星科技有限公司，北京 100095；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301；3.軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071)

0 引 言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為時空信息傳遞的重要手段，在國防安全建設領域發(fā)揮了極其重要的作用。隨著中國北斗系統(tǒng)的全面部署完成，衛(wèi)星導航定位功能已被大范圍應用于軍事裝備中，作為搜救、制導、指揮作戰(zhàn)等作戰(zhàn)能力的核心科技手段。然而，衛(wèi)星導航系統(tǒng)因其落地電平低的特點，在電子對抗過程中極易受到外部干擾而造成定位性能驟降的問題。在復雜電磁環(huán)境或遮擋環(huán)境下，衛(wèi)星導航系統(tǒng)呈現(xiàn)出信號功率進一步降低、背景噪聲抬高等特征，導致導航接收機因信噪比惡化而在預定捕獲門限下無法捕獲導航信號，因此，提升衛(wèi)星導航系統(tǒng)的抗干擾和高靈敏度等核心技術指標是當前衛(wèi)星導航領域技術研究的熱點。

鑒于導航信號多為碼分多址體制(Code division multiple access,CDMA)，增加相干積分時長，是解決極弱電平、極低信噪比等問題的一種行之有效的手段。但由于電文跳變問題、多普勒效應、捕獲效率等因素影響，不能無限度增加積分時長以獲取信噪比提升，尤其在快速定位或高動態(tài)場景需求下，長時間相干積分往往會帶來盲捕速度慢、捕獲成功率低等突出問題。在此情況下，通常需要增加先驗知識(星歷獲取、授時、多普勒)輔助，方可達到預期捕獲效率。如：文獻[17]通過慣導輔助二階鎖相環(huán)的方式實現(xiàn)了高動態(tài)、弱信號條件下的高精度頻率估計；北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)也通過增加導頻通道實現(xiàn)了弱信號高靈敏度捕獲效能；Giorgi等深入研究了導航系統(tǒng)對授時、守時能力的客觀需求，給出了光頻率基準和光通信系統(tǒng)輔助導航定位的應用等。在低軌導航增強系統(tǒng)論證中，研究者們將衛(wèi)星導航與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相結合，在某種程度上有效利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道傳輸能力實現(xiàn)星歷傳輸。

本文針對低信噪比環(huán)境下的快速定位需求，設計了一種可用于低軌衛(wèi)星的高靈敏度輔助定位服務系統(tǒng)，結合低軌衛(wèi)星信號落地電平高、多普勒變化速度快、過境位置變化速度快等突出特點，播發(fā)快速粗定位信標信號以實現(xiàn)地面終端在衛(wèi)導靜默條件下的初步時間獲取，并通過低軌衛(wèi)星長周期導航星座監(jiān)測實現(xiàn)高準確率選星預報以輔助地面終端高效率捕獲，進而達到快速高靈敏度定位的效能。

1 快速高靈敏度捕獲關鍵要素分析

擴頻信號捕獲的核心思想是利用擴頻偽碼的自相關特性，將輸入信號與本地產(chǎn)生的相互正交(相位相差90°)的兩路載頻信號(后文用I、Q表示)進行相關運算后，設置峰值判決門限以實現(xiàn)本地信號與接收信號的相位同步。在不考慮載波頻差的情況下，偽碼相關運算可抽象為如下公式：

(1)

1.1 積分時長對弱信號捕獲靈敏度的影響

針對弱GNSS信號而言，單個偽碼周期的相關運算峰值極低，無法滿足捕獲判決門限，極易出現(xiàn)誤捕現(xiàn)象。因此，還需要通過相干積分和非相干積分等運算進一步提升信噪比以獲得更高捕獲成功率。相干積分和非相干積分表示如下：

(2)

(3)

=10lg()+10lg()-

(4)

式中，=2 MHz為擴頻偽碼帶寬;=002 s,為GPS一個比特電文跳變以內(nèi)的最大時長;定義為非相干積分次數(shù);為平方損耗，根據(jù)經(jīng)驗,當輸入弱信號載噪比為15 dB-Hz時，取11 dB。

1.2 長時間積分對捕獲效率的影響

如前文所述，增加相干積分和非相干積分時長能夠有效提升處理增益以提高捕獲概率。在輸入信號載噪比極低的情況下，由于非相干積分也引入了較大的平方損耗而對處理增益提升效果不明顯,此時必須通過增加相干積分時長的方式實現(xiàn)。而電文比特翻轉問題，是制約相干積分時長的最直接影響因素。在此進一步分析電文比特翻轉問題如圖1。

圖1 相干積分受偽碼時延影響情況Fig.1 Time delay effects of PN code on the coherent integration

當本地偽碼與接收信號偽碼保持完全同步的情況下，相干積分增益呈線性增加趨勢，相干積分時間越長，積分增益越大。而當本地偽碼與接收信號偽碼無法保持完全同步的情況下，由于存在積分結果符號位取反問題，會造成積分增益惡化。最極端的情況下，如本地偽碼與收到信號偽碼存在50%以上反相，相干積分完全無法生效。

因此，本地電文正確性是決定跨比特電文相干積分是否生效的直接因素。

此外，即便電文翻轉同步情況下，當本地電文與接收信號電文存在延遲時，相干積分增益也會存在較為明顯的波動。當初始延時較大時，滑動本地偽碼所產(chǎn)生的時延可計算為：

=×Δ

(5)

式中:為單次相干積分時長;Δ為偽碼滑動速率,通常取小于0.5碼片。初始偽碼延遲越大，捕獲次數(shù)越多。假設弱信號捕獲增益需要4個電文長度(80 ms)相干積分時長，則1 μs的延時所帶來的捕獲次數(shù)將達到2048次，產(chǎn)生捕獲時長約2.7分鐘。在導航衛(wèi)星未知的情況下，60顆導航衛(wèi)星串行捕獲最壞情況需要2.7小時，接收機將無法定位。

綜上，想要在低信噪比下實現(xiàn)接收機正常工作，必須設法實現(xiàn)獲取以下3方面先驗輔助信息：

(1)在有電文情況下獲取電文數(shù)據(jù)內(nèi)容(可通過其他信息傳輸手段獲得)；

(2)電文跳變沿高精度時標信息(可通過其他授時手段獲得)；

(3)當前位置可視的導航星號(可通過其他信息傳輸手段獲得)。

2 低軌衛(wèi)星輔助高靈敏度定位系統(tǒng)

2.1 空間載荷設計

結合前文所述，低軌衛(wèi)星輔助高靈敏度定位系統(tǒng)空間段主要實現(xiàn)以下功能：

(1)播發(fā)高精度信標信號，通過單星過境過程中多次多普勒測距原理，實現(xiàn)終端初始位置獲取及時標生成，確?？缮膳c導航星座低相位誤差的本地偽碼；

(2)根據(jù)低軌長期導航衛(wèi)星監(jiān)視結果實現(xiàn)地面終端可視衛(wèi)星預報，解決終端盲搜情況下長時間相干積分帶來的時間消耗問題。

系統(tǒng)空間段設計如圖2所示，運行于低軌衛(wèi)星上的導航接收機通過低軌衛(wèi)星全球化運動，實現(xiàn)GNSS全星座衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)快速搜集，并將高時效性星歷數(shù)據(jù)及低軌衛(wèi)星自身定位/定軌數(shù)據(jù)傳輸至下行播發(fā)電文生成系統(tǒng)，同時產(chǎn)生與GNSS衛(wèi)星一致的UTC秒脈沖信號，傳輸至衛(wèi)星時統(tǒng)系統(tǒng)；下行播發(fā)電文生成系統(tǒng)基于軌道動力學模型完成低軌衛(wèi)星高精度軌道擬合預報及下行信號覆蓋區(qū)域可見衛(wèi)星參數(shù)預報，用于地面終端定位解算及快速針對性導航衛(wèi)星輔助捕獲；衛(wèi)星時統(tǒng)分系統(tǒng)生成長時間、與導航星座相位同步的本地參考時鐘信號；輔助導航服務信號發(fā)射機生成初始相位對準的信號電文(含低軌衛(wèi)星自身星歷信息、可見衛(wèi)星預報信息)、擴頻偽碼序列，并完成載波調制后，通過下行天線對地播發(fā)。

圖2 低軌衛(wèi)星輔助高靈敏度定位系統(tǒng)空間段設計Fig.2 Space segment design of LEO satellite auxiliary high sensitivity positioning system

整個空間段設計實現(xiàn)了地面快速、高靈敏度捕獲所需的關鍵核心參數(shù)的輔助播發(fā)功能，具有如下優(yōu)勢特征：

(1)利用低軌衛(wèi)星軌道高度低的特點，實現(xiàn)強落地信號功率電平；

(2)利用確定的信號頻點、擴頻序列及過境期間快速多普勒變化特征，實現(xiàn)快速粗定位信標播發(fā)及時標傳遞；

(3)通過電文預報生成功能，實現(xiàn)可見GNSS衛(wèi)星選星預報參數(shù)傳遞。

2.2 終端設計

終端部分實現(xiàn)原理如圖3所示，其核心功能可分為兩個部分：

圖3 低軌衛(wèi)星輔助高靈敏度定位系統(tǒng)終端設計Fig.3 Terminal design of LEO satellite auxiliary high sensitivity positioning system

(1)低軌衛(wèi)星輔助定位模塊：用于接收捕獲低軌衛(wèi)星輔助信號，通過多次偽距及載波多普勒測量，實現(xiàn)終端粗定位，獲取與GNSS粗同步的秒脈沖(1pps)信號及當前時段可見的GNSS衛(wèi)星星歷，并傳輸至高靈敏度定位模塊；

(2)高靈敏度定位模塊：接收輔助定位模塊的1pps和可見衛(wèi)星星歷，跳過信號盲捕過程，直接生成可見的本地高同步偽碼進行GNSS衛(wèi)星信號捕獲，通過長時間相干積分實現(xiàn)高靈敏度信號接收并完成基于GNSS的高精度定位解算，對外提供位置服務。

在引入低軌衛(wèi)星輔助定位功能后，很方便地實現(xiàn)了本地偽碼與可見衛(wèi)星偽碼的高精度同步，規(guī)避了長時間相干積分枚舉式盲捕帶來的時間及資源消耗，在實現(xiàn)高靈敏度的同時提升了捕獲效率。

3 低相噪信號生成設計

為保證下行信號可為終端提供高精度定位及授時服務，以便終端能夠通過信標信號獲取足夠精確的本地偽碼相位及期望捕獲的GNSS衛(wèi)星，空間段需提供低相噪擴頻調制信號，現(xiàn)對相關核心技術設計原理及精度影響進行分析。

3.1 技術機理

擴頻正交相移鍵控調制信號的相位噪聲直接決定了信號偽碼測量及同步的精度，無相位噪聲的理想發(fā)射射頻信號可以表示如下：

()=()()cos+

()()sin+()

(6)

式中:為信號幅度，在不考慮功率平衡度影響的情況下，令I、Q兩支路功率平衡且不出現(xiàn)非線性失真;(),()分別為正交基帶電文;(),()分別為正交擴頻偽碼;sin(),cos()分別為正交載波;()為加性高斯白噪聲。

當發(fā)射機時鐘樹設計存在多次分頻、倍頻等頻率綜合處理時，時鐘抖動是導致相位噪聲惡化的直接因素。傳統(tǒng)的發(fā)射機時鐘樹設計如圖4。

圖4 傳統(tǒng)發(fā)射機時鐘樹設計Fig.4 Design of clock tree for traditional transmittesr

可以看出，在不考慮數(shù)字振蕩器(Numerically controlled oscillator，NCO)生成引入微小相位誤差的情況下，時鐘抖動誤差引入最為嚴重的部分為偽碼時鐘綜合和載波時鐘綜合兩部分，其抖動指標直接影響中頻信號生成質量。

3.2 精度影響分析

考慮圖4所示的信號發(fā)射機系統(tǒng)，其產(chǎn)生的實際信號可表示為：

′()=()(+Δ)cos[(+Δ)]+

()(+Δ)sin[(+Δ)]+()

(7)

式中:′()為一般發(fā)射機實際播發(fā)信號;(+Δ),(+Δ)分別為考慮了偽碼參考時鐘抖動Δ后的偽碼;cos[(+Δ)],sin[(+Δ)]分別為考慮了載波參考時鐘抖動Δ后的本地中頻載波。對式(7)進行簡化得：

′()=()+()+()

(8)

式中:()為偽碼相位抖動;()為載波相位抖動。

進而，偽碼相位抖動在接收系統(tǒng)中體現(xiàn)為偽碼相位非對準情況，其產(chǎn)生的相干積分增益將出現(xiàn)惡化情況，如圖1中第(c)種情況所示。在不考慮離散采樣的情況下，發(fā)射機偽碼相位隨機抖動對標準接收端產(chǎn)生的相干積分損耗為近似線性遞增關系，且結合式(8)可知，如果偽碼存在相位隨機抖動1 ns以上時，接收端相干積分增益存在1.6 dB以上損耗，即接收端靈敏度將存在1.6 dB以上惡化。

當僅考慮載波存在相位隨機誤差時，可將信號EVM與發(fā)射信號信噪比關系表示為：

(9)

圖5 信號誤差向量幅度與發(fā)射信號信噪比損耗關系Fig.5 Relation between EVM and SNR loss of transmitted signal

當信號=15時，信號信噪比損耗約0.25 dB，此損耗非常小,可忽略不計。

3.3 一種低相噪基帶信號生成設計

不失一般性且充分考慮頻譜資源限制，發(fā)射機配置偽碼速率為5.115 Mbps，工作頻段為1.2～1.6 GHz。設備內(nèi)部選擇10.23 MHz恒溫晶振為參考時鐘源，時鐘樹規(guī)劃如圖6所示。

圖6 發(fā)射機時鐘樹設計Fig.6 Clock tree design of transmitters

圖中，整個發(fā)射部分時鐘樹基于單一恒溫晶振，為保證數(shù)字部分FPGA內(nèi)部DCM輸入時鐘范圍(>25 MHz)，恒溫晶振參考時鐘源需首先進行倍頻處理，此處設置為4倍。數(shù)字部分生成3種工作時鐘,分別為電文處理時鐘，載波NCO參考時鐘和偽碼NCO參考時鐘，對應于數(shù)字電路部分參考時鐘的,,，其約束如下：

(10)

式中:為偽碼速率，本文取5.115 Mbps。從式(10)可以看出，一方面倍頻后的各參考時鐘均實現(xiàn)了整數(shù)倍設計，同時載波環(huán)需滿足最小3倍采樣，碼環(huán)需滿足最小碼片寬度2倍的一般要求。在模擬部分，根據(jù)發(fā)射頻點需求，同樣選擇整數(shù)倍頻策略，限制倍頻系數(shù)∈即可。

為進一步改善晶振參考頻率數(shù)字4倍頻過程中出現(xiàn)相位抖動問題，本文設計一種基于模擬倍頻分量提取技術的時鐘倍頻電路設計，具體如圖7。

圖7 倍頻分量提取技術方案Fig.7 Technical scheme of frequency doubling component extraction

借助放大器深度壓縮非線性諧波特性，提取晶振4倍頻分量并濾波后，實現(xiàn)對參考頻率源倍頻諧波提取，其相噪特性完全取決于恒溫晶振自身特性及放大器相噪特性，相噪引入的頻率抖動相比一般數(shù)字頻率綜合器大幅優(yōu)化。

4 系統(tǒng)效能測試驗證

4.1 發(fā)射信號EVM測試

結合前文所用晶振倍頻分量提取技術，將采用數(shù)字頻率綜合(DFS)與倍頻分量提取(FDC)，兩種方式所產(chǎn)生的信號EVM進行對比，固定發(fā)射信號頻點為1600.995 MHz，并選用5組,,及參數(shù)組合測試，其中3組滿足設計約束，3組不滿足設計約束，測試結果如表1所示。

表1 不同條件下基帶信號EVM測試結果Table 1 EVM test results of baseband signal under different conditions

從測試結果橫向對比可以看出，采用FDC方式進行頻率源獲取，由于不引入數(shù)字化抖動誤差，其所產(chǎn)生的調制信號EVM明顯好于DFS方式約2%左右。結合3.2中分析結果，當>15時，信噪比開始引入損耗，因此，采用DFS方式必然引入發(fā)射信號信噪比損耗。

從縱向對比可以看出，組合1和組合2滿足3.3節(jié)設計約束，其所得的信號指標均維持在1.5%以內(nèi)，其中，組合2將,,翻倍時，EVM指標進一步優(yōu)化，但由于FPGA器件工作頻率限制，不能通過無限擴大倍數(shù)的方式更大程度實現(xiàn)優(yōu)化效果；組合3為偽碼NCO非整數(shù)倍設計的情況，可以看出其對調制信號影響最為嚴重(約2%);而組合4為射頻混頻非整數(shù)倍優(yōu)化，但由于其倍頻系數(shù)較大且為模擬頻率合成方式實現(xiàn)，故其對EVM惡化程度相對較小(約0.5%～0.6%);組合5為載波NCO非整數(shù)倍情況，其惡化程度在0.8%左右。

值得一提的是，上述組合實驗均為長期觀測結果，可代表不同參數(shù)配置下的平均水平。

4.2 在軌輔助導航定位性能測試

本文所設計的低軌衛(wèi)星高靈敏度輔助定位服務系統(tǒng)搭載于某低軌衛(wèi)星于2019年11月發(fā)射，在軌過程中分別對北京、天津兩熱點區(qū)域進行輔助定位功能測試，搭建環(huán)境如圖8所示。

圖8 性能測試系統(tǒng)Fig.8 Performance test system

通過對GNSS終端灌入高功率白噪聲信號的方式以降低接收GNSS信號信噪比，進而實現(xiàn)極弱信號環(huán)境模擬，實測接收機定位曲線如圖9所示。

圖9 單星過境過程定位曲線Fig.9 Positioning curve of single satellite transit process

可以看出，終端僅通過單星過境多次多普勒測量結果進行定位過程共分為3段時間，分別如下：

(1)衛(wèi)星入境前(信號未捕獲)，為非定位狀態(tài)；

(2)衛(wèi)星入境后但未過頂前(信號捕獲)，可定位，但由于測量值空間分布較差，定位精度約3.3～3.6 km，對應授時精度約11～12 μs；

(3)衛(wèi)星入境后且過頂后(信號捕獲)，可定位，由于累計測量值空間分布提升，定位精度約1.1～1.3 km，對應授時精度約3～4 μs。

因此，通過低軌衛(wèi)星輔助后，終端可以在未正常接收導航星(干擾/遮擋)的情況下，實現(xiàn)1.1～1.3 km 粗定位及3～4 μs時間獲取。

進一步，通過粗定位結果進行長相干積分的方式對被噪聲干擾的GNSS信號進行高靈敏度捕獲，結果如圖10所示。在低軌衛(wèi)星過境前，終端處于非定位狀態(tài)，在第61 s首次捕獲低軌衛(wèi)星信號，當單星定位達到1.609 km后，載荷基于輔助時標及星歷參數(shù)新捕獲北斗衛(wèi)星，在達到224 s時成功捕獲5顆北斗衛(wèi)星并完成基于北斗的定位解算，最終定位精度為5 m，引導GNSS捕獲時長約163 s，與1.2節(jié)中所分析的單星捕獲時長相近?？梢姡?jīng)過低軌衛(wèi)星輔助后，終端有效實現(xiàn)了針對性衛(wèi)星捕獲，相比逐個捕獲而言，僅用了單星理論捕獲時長即完成了弱信號狀態(tài)下的高靈敏度捕獲，引導功能生效。

圖10 低軌衛(wèi)星輔助定位過程曲線Fig.10 Process curve of LEO satellite auxiliary positioning

進一步分析終端抗干擾能力，在未加入干擾情況下，終端載噪比為34 dB，加入噪聲后，終端載噪比突變?yōu)?1 dB，證明通過輔助定位功能，終端靈敏度相對正常狀態(tài)提升13 dB。

為不失一般性，對載荷多次過境性能進行分析匯總如表2所示：

表2 載荷多次過境性能分析結果Table 2 Analysis results of multi-load performance

從表2可以看出，輔助定位精度越高，引導GNSS捕獲時長越小，即授時精度越高、引導捕獲越快，該結果驗證了1.2節(jié)中的理論分析。而從最終定位精度和靈敏度提升性能而言，上午時段相比晚上時段性能偏好，這是由于北斗系統(tǒng)在北京地區(qū)上午可見星數(shù)相比晚上時段偏多，造成可捕獲衛(wèi)星數(shù)量偏多，進而使得衛(wèi)星幾何精度因子分布較好的緣故?？紤]最差情況，該系統(tǒng)可實現(xiàn)的靈敏度提升水平為12 dB，引導捕獲時間優(yōu)于3.5分鐘。

4.3 在軌播發(fā)信號質量評估

經(jīng)對過境過程中實采信號分析，輔助導航信標信號在經(jīng)歷了空間信道影響、接收系統(tǒng)射頻放大鏈路影響及動態(tài)多普勒影響的情況下，信號仍可達到3.2%，眼圖開度(Open Factor)0.904，眼圖信噪比10.5 dB，可有效提供終端正常捕獲及解算。

5 結 論

本文針對導航接收機高靈敏度定位關鍵技術，設計了一種基于低軌衛(wèi)星信標引導的輔助定位方案，通過低軌信標播發(fā)的方式實現(xiàn)了先驗信息預報，進而提升了導航接收機長時間相干積分的精度和效率。同時，針對低軌衛(wèi)星空間段載荷，重點分析了內(nèi)部時鐘系統(tǒng)設計對最終信號播發(fā)質量的影響，并給出了基于倍頻分量提取技術的低相噪時鐘源生成方法。經(jīng)對比測試，該方法可實現(xiàn)最終發(fā)射信號EVM優(yōu)于1.5%，保證了信號載噪比無損失。

通過在軌系統(tǒng)測試及性能分析，所設計系統(tǒng)可應用于干擾工況、遮擋等特殊環(huán)境下的高靈敏度定位(>12 dB提升)，為未來導航增強、導航抗干擾、高軌GNSS漏信號導航等相關領域系統(tǒng)設計提供了新的解決方案。