基于CBOC信號的導航接收機設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：對BOC及其衍生信號CBOC(6，1，1／11)的時域頻域特性進行分析和在Matlab環(huán)境下進行了仿真。根據(jù)仿真的信號特性，對已有的跟蹤算法進行的分析和比較?；诠こ虒崿F(xiàn)和算法性能，選擇了多相關(guān)器結(jié)構(gòu)的算法(S—curveshaping方法)，并根據(jù)此算法設(shè)計在原有接收機結(jié)構(gòu)上進行改進，設(shè)計出了基于CBOC(6，1，1／11)接收機結(jié)構(gòu)。最終時設(shè)計的接收機結(jié)構(gòu)進行了硬件上的實現(xiàn)，完成了原理樣機的制作。
關(guān)鍵詞：導航；CBOC；多相關(guān)器算法；接收機

    近年來，隨著美國的GPS系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域的成功應用，衛(wèi)星導航系統(tǒng)受到了世界多個主要國家和組織的普遍關(guān)注。除了美國正在進行的GPS現(xiàn)代化計劃以外，歐盟正在建設(shè)Galileo系統(tǒng)，俄羅斯正在對其GLONASS系統(tǒng)進行恢復和現(xiàn)代化改進，我國的北斗系統(tǒng)也在積極建設(shè)中。多個導航系統(tǒng)并存，一個首要的問題是導航信號的兼容共存。在無線電頻率資源非常緊張的情況下，歐盟提出了新的信號結(jié)構(gòu)BOC(Bina ry Offset Carrier)調(diào)制，通過改變信號的頻譜，達到與傳統(tǒng)導航的BPSK(Binary Phase Shift Keying)調(diào)制信號共享頻率的目的，從而最大限度地利用有限的頻譜資源。而后，美國和歐盟就GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)共用民用信號體制達成協(xié)議，GES系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)將分別使用MBOC調(diào)制方式的兩種實現(xiàn)，其中Galileo系統(tǒng)將在E1頻點使用CBOC調(diào)制。
    由于BOC信號的相關(guān)函數(shù)存在多個相關(guān)峰值，用于BPSK信號體制的接收方法不能直接用于接收BOC信號體制，近年來人們提出了很多種適用于BOC信號體制的接收技術(shù)：文獻和文獻提出的BPSK—like(單邊帶)方法將BOC信號的頻譜簡化成類似BESK信號的形式后處理，該方法相對易于實現(xiàn)。文獻提出的bump-jump方法，文獻提出的ASPeCT方法占用的硬件資源都比較多，文獻提出的DE方法占用的硬件資源適中，也不會損失接收機的靈敏度和測距精度等性能，但是增加副載波環(huán)路實現(xiàn)復雜，本文研究的多相關(guān)器算法嘲硬件資源雖然多，但是實現(xiàn)簡單，理論清晰，可修正性和兼容性很好。但是國內(nèi)對CBOC信號的研究還多處于理論分析階段，工程實現(xiàn)比較薄弱。由于CBOC信號是兩個BOC信號的時域疊加，筆者以Galileo系統(tǒng)擬采用的CBOC(6，1，1／11)信號著手，分析CBOC的時域特性，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)有的導航接收機的基礎(chǔ)上完成CBOC導航接收機工程樣機的實現(xiàn)。

1 CBOC信號特性分析
1．1 CBOC信號生成仿真
    CBOC(Composite BOC)通過PN碼相同、副載波不同的兩種BOC信號進行加權(quán)求和實現(xiàn)。本文研究的是Galileo系統(tǒng)提出的CBOC(6，1，1／11)信號采用BOC(6，1)和BOC(1，1)兩種副載波加權(quán)實現(xiàn)，加權(quán)是對功率的分配。BOC(1，1)信號所占的功率百分比為a，BOC(6，1)信號所占功率百分比為b。通過這種加權(quán)之后，信號成為4電平信號。
    CBOC信號表達式為：
   
    采用Matlab仿真CBOC(6，1，1／11)信號如圖1所示。

    接收機設(shè)計的一個關(guān)鍵就是在本地端復制一個和發(fā)射端匹配的信號，而根據(jù)Matlab的仿真分析可知，CBOC信號是四電平的信號，因此采用在接收端直接復制信號的方式會極大的增加了接收機設(shè)計的復雜度和實現(xiàn)的難度，這就要求必須尋找其他的方法恢復信號。
1．2 CBOC自相關(guān)和功率譜密度
    信號的自相關(guān)特性是信號捕獲和跟蹤算法選擇的依據(jù)，BPSK信號的自相關(guān)函數(shù)只有一個峰值，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(如圖3所示)除了主峰以外還有兩個副峰，這樣簡單的采用BPSK的跟蹤算法容易錯鎖，因此影響取得的觀測量的值，進而影響定位結(jié)果。CBOC信號的自相關(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)存在兩個較大的副峰，且其與BOC(1，1)信號類似，因此在選擇跟蹤算法時可以仿照BOC的算法進行改進。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信號接收算法
2．1 現(xiàn)有CBOC信號跟蹤算法
    現(xiàn)有CBOC跟蹤算法對比如表1所示。

2．2 多相關(guān)器算法
    隨著衛(wèi)星導航技術(shù)的發(fā)展，偽距的測量精度越來越高，人們發(fā)現(xiàn)多徑誤差對定位精度的影響在定位誤差中所占的權(quán)重越來越大，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。基于此點需求提出的多相關(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，可以在基帶只復制BOC(1，1)信號，然后通過相關(guān)值的線性組合實現(xiàn)最優(yōu)的碼相位鑒別。但是因為在設(shè)計中增加了相關(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)器復用等方式將硬件效率提升。
    采用多相關(guān)器方法的接收機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    每一個相關(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，pμ表示本地載波信號，表示第i個相位的本地復制碼，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限逼近理想的碼鑒相曲線，可以使用最小二乘方法來完成最后的步驟：
   
    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限接近的碼鑒相曲線。

3 CBOC信號導航接收機設(shè)計實現(xiàn)
3．1 導航接收機硬件平臺
    實現(xiàn)基于多相關(guān)器方法的接收機硬件平臺如圖4所示，硬件平臺選用FPGA作為實現(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，而只修改FPGA和DSP軟件實現(xiàn)對不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容接收。同時，F(xiàn)PGA的并行運算能力也能夠很好地保證基帶處理方法的實時性。
3．2 信號捕獲
    由于CBOC信號中存在副載波，CBOC信號的相關(guān)函數(shù)存在±1碼片內(nèi)存在多個相關(guān)峰值，為避免誤判，使用SCC(Sub—Carrier Cancellat ion)方法構(gòu)造無模糊的相關(guān)函數(shù)，相關(guān)函數(shù)的計算方法如式(6)所示。
   
    該方法有效地消除了CBOC信號的副峰，從而將CBOC信號的捕獲過程轉(zhuǎn)化成類似于BPSK信號的無模糊形式。
3．3 信號跟蹤
    環(huán)路設(shè)計方案如圖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信號的跟蹤采用多相關(guān)器的方式，只復制BOC(1，1)信號，然后根據(jù)計算的加權(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)具體的應用場景，對環(huán)路參數(shù)進行微調(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)器方法的接收機中，繼承了BPSK接收機對載波跟蹤環(huán)的跟蹤方法，可以使用所有適用于BPSK接收機的鑒別器，在工程樣機的實現(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)的實現(xiàn)在這里不做討論。
3．4 接收機測試結(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)實現(xiàn)S—SUrve shaping方法，經(jīng)過對接Galileo信號模擬器，完成了對S—surve shaping方法的功能驗證，實現(xiàn)的跟蹤環(huán)路可以穩(wěn)定地完成對載波、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CBOC信號接收機的工程實現(xiàn)，在明確CBOC信號結(jié)構(gòu)的情況下，充分利用Galileo信號在系統(tǒng)設(shè)計上的兼容性以及成熟的硬件平臺，并分析了使用簡化的CBOC信號接收方法所帶來的性能損失，在理論仿真的基礎(chǔ)上，完成了接收機的工程實現(xiàn)，實際運行的結(jié)果驗證了該方法的可行性。