BOC(10,5)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)捕獲算法研究及軟件仿真

肖玉林，梁康貴，李鵬程

BOC(10,5)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)捕獲算法研究及軟件仿真

肖玉林，梁康貴，李鵬程

（電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610036）

二進(jìn)制偏移載波（BOC）調(diào)制是一種新的導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜分離并能夠充分利用整個(gè)頻帶，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。詳細(xì)分析了BOC(10,5)調(diào)制信號(hào)的特性，并對(duì)功率譜密度函數(shù)、自相關(guān)特性等進(jìn)行了分析和仿真。提出了一種基于快速傅里葉變換（FFT）的分段迭代快速捕獲算法，旨在提高信號(hào)快速捕獲的準(zhǔn)確性。通過仿真驗(yàn)證表明，軟件接收機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)BOC(10,5)調(diào)制信號(hào)的捕獲，可以為導(dǎo)航信號(hào)處理算法研究以及導(dǎo)航接收機(jī)開發(fā)提供良好的技術(shù)支撐。

二進(jìn)制偏移載波信號(hào)；衛(wèi)星導(dǎo)航；捕獲算法；軟件仿真

0 引言

隨著GPS現(xiàn)代化發(fā)展計(jì)劃的逐步推進(jìn)，二進(jìn)制偏移載波（Binary Offset Carrier，BOC）調(diào)制方式得到了廣泛應(yīng)用。BOC調(diào)制是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種創(chuàng)造性信號(hào)體制設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調(diào)制方式相比，BOC調(diào)制具有頻譜分離的特點(diǎn)，通過將衛(wèi)星信號(hào)的主要能量從信號(hào)頻帶中央搬移到頻帶邊緣處，實(shí)現(xiàn)軍用和民用導(dǎo)航信號(hào)的頻譜分離，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)頻帶有效資源的最大利用，避免在同一頻帶上不同信號(hào)的頻譜出現(xiàn)混疊和相互干擾的情況[1-2]。BOC調(diào)制技術(shù)在GPS、Galileo、北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)中都有重要應(yīng)用。

雖然BOC調(diào)制技術(shù)具有導(dǎo)航頻段重用、抗多徑性能、跟蹤精度更高等眾多特點(diǎn)，但是由于BOC信號(hào)的基帶自相關(guān)具有多個(gè)相關(guān)峰特性，所以給捕獲過程增加了峰值鎖定的難度，使得捕獲到副峰上的概率大大增加，從而使得捕獲得到的多普勒頻移和碼相位誤差增大。

為了避免副峰錯(cuò)鎖和降低信號(hào)處理難度，通常采用常規(guī)的單邊帶BPSK-LIKE捕獲算法[3-4]，即利用BOC信號(hào)上下兩個(gè)邊帶的等效特性，只取信號(hào)上（或下）邊帶進(jìn)行解調(diào)，捕獲和跟蹤都是在單邊帶內(nèi)完成。但單邊帶BPSK-LIKE捕獲算法由于濾出了主峰，信號(hào)能量有所減少，捕獲靈敏度降低[5]。

本文針對(duì)典型的BOC(10,5)導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制方式進(jìn)行了研究，分析了信號(hào)特征，提出了一種基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）的分段迭代快速捕獲算法，兼顧了運(yùn)算速度和捕獲靈敏度，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)能夠準(zhǔn)確捕獲BOC調(diào)制信號(hào)；并從軟件接收機(jī)的角度出發(fā)對(duì)BOC(10,5)信號(hào)的捕獲算法進(jìn)行了信號(hào)級(jí)仿真，驗(yàn)證了捕獲算法在導(dǎo)航信號(hào)接收處理中的可行性。

1 BOC調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)分析

BOC調(diào)制信號(hào)可以視為BPSK-R信號(hào)和一個(gè)方波副載波的乘積，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示

BOC常用表達(dá)形式為BOC(,)，其中，、分別表示相對(duì)于方波副載波頻率f和偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼速率f與基準(zhǔn)頻率（f=1.023 MHz）的比值；與之比稱為BOC調(diào)制系數(shù)[6]。BOC(10,5)信號(hào)調(diào)制示意圖如圖1所示。

圖1 基帶BOC(10,5)信號(hào)調(diào)制示意圖

基帶BOC(,)信號(hào)可以表示為

BOC(10,5)信號(hào)的功率譜密度如圖2所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖3 BOC(10,5)信號(hào)的自相關(guān)特性

BOC信號(hào)的多相關(guān)峰特性給捕獲過程增加了峰值鎖定的難度，使得捕獲到副峰上的概率增加，從而使得捕獲得到的多普勒頻移和碼相位誤差較大。因此研究BOC信號(hào)的無模糊捕獲成為了國內(nèi)外導(dǎo)航信號(hào)處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

2 捕獲算法

BOC信號(hào)的捕獲算法主要是完成導(dǎo)航信號(hào)的粗同步，檢測(cè)和提取接收衛(wèi)星信號(hào)的偽碼相位和載波頻率，然后將這些信號(hào)參數(shù)傳遞至后續(xù)跟蹤環(huán)路，以幫助接收通道對(duì)信號(hào)的跟蹤和導(dǎo)航解算。本文針對(duì)BOC(10,5)長(zhǎng)碼信號(hào)，可以認(rèn)為其偽隨即碼片序列為非周期的，對(duì)長(zhǎng)碼進(jìn)行捕獲時(shí)，不可能一次搜索完全部的區(qū)域，只能分段來處理。采用基于FFT的分段迭代快速捕獲算法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)碼相位域和載波相位域的并行搜索，有利于提高捕獲速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)碼信號(hào)的直接捕獲[9-10]。并且該算法還是一種BOC信號(hào)全帶捕獲的處理方法，兼顧了捕獲靈敏度和運(yùn)算速度?；贔FT的BOC信號(hào)分段迭代快速捕獲算法處理流程如圖4所示。

圖4 BOC信號(hào)捕獲算法流程圖

由PRN碼的偽隨機(jī)特性可知，當(dāng)本地偽碼與輸入信號(hào)的偽碼不匹配時(shí)，表示本地信號(hào)與輸入信號(hào)不相關(guān)，相關(guān)值較??；當(dāng)本地偽碼與輸入信號(hào)匹配時(shí)，表示本地信號(hào)與輸入信號(hào)匹配相關(guān)，只有當(dāng)多普勒頻率維和碼相位維同時(shí)匹配時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)最大相關(guān)峰值，且峰值超過捕獲的判決門限，由此可判決捕獲到BOC導(dǎo)航信號(hào)，并且輸出真實(shí)的載波頻率和碼初始相位。

3 仿真驗(yàn)證

圖5 信號(hào)頻譜圖

導(dǎo)航軟件接收機(jī)采用基于FFT的BOC信號(hào)分段迭代快速捕獲算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲，得到大概的多普勒和碼相位信息，實(shí)現(xiàn)初同步過程。信號(hào)捕獲結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 BOC(10,5)信號(hào)捕獲結(jié)果

圖7 對(duì)BOC(10,5)信號(hào)捕獲結(jié)果進(jìn)行局部放大

圖8 BOC(10,5)信號(hào)捕獲結(jié)果在時(shí)間維的剖面圖

從圖7和圖8可以看出：BOC(10,5)信號(hào)的相關(guān)峰具有多相關(guān)峰特性，副峰較明顯。在圖8所示的信號(hào)捕獲結(jié)果時(shí)間維剖面圖中，仿真輸出的相關(guān)峰主峰所在的碼相位為2 115 chips，與仿真設(shè)定的信號(hào)初始碼相位2 115 chips吻合，即信號(hào)捕獲仿真結(jié)果與輸入信號(hào)相符合，證明了基于FFT分段迭代捕獲算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)BOC(10,5)信號(hào)的準(zhǔn)確捕獲。

4 結(jié)語

基于BOC調(diào)制的信號(hào)捕獲算法是衛(wèi)星導(dǎo)航接收處理技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本文針對(duì)BOC(10,5)調(diào)制的典型衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，進(jìn)行了對(duì)象分析，研究了一種基于FFT的分段迭代快速捕獲算法，該算法是一種針對(duì)BOC信號(hào)的全帶捕獲處理方法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)碼相位域和載波相位域的并行搜索，有利于提高捕獲速度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)碼信號(hào)的直接捕獲。信號(hào)級(jí)仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)BOC(10,5)信號(hào)的準(zhǔn)確捕獲，對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)研發(fā)以及信號(hào)處理算法研究都具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

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Acquisition Algorithm Research and Soft Simulation for BOC(10,5) Satellite Navigation Signal

XIAO Yulin, LIANG Kanggui, LI Pengcheng

Binary Offset Carrier (BOC) modulation is a type of new modulation method, which realizes the split of spectrum to make full use of the available frequency bands, and has important application value and development prospect. The signal characteristic of BOC(10,5) is analyzed in detail, the power spectral density function and correlation function is analyzed and stimulated. A segmented interative fast acquisition algorithm based on Fast Fourier Transform (FFT) is proposed, aiming to improve accuracy of fast signal acquisition. The simulation and experimental results are given to demonstrate that the software receiver can perform BOC(10,5) modulation signal acquisition successfully, which can provide a good technical support for navigation signal processing algorithm research and navigation receiver development.

Binary Offset Carrier Signal; Satellite Navigation; Acquisition Algorithm; Soft Simulation

TN911.3

A

1674-7976-(2023)-03-157-05

2022-09-30。

肖玉林（1990.01—），重慶云陽人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息系統(tǒng)處理等。