基于CBOC信号的导航接收机设计与实现 接收机, GPS系统

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摘要：对BOC及其衍生信号CBOC(6，1，1／11)的时域频域特性进行分析和在Matlab环境下进行了仿真。根据仿真的信号特性，对已有的跟踪算法进行的分析和比较。基于工程实现和算法性能，选择了多相关器结构的算法(S—curveshaping方法)，并根据此算法设计在原有接收机结构上进行改进，设计出了基于CBOC(6，1，1／11)接收机结构。最终时设计的接收机结构进行了硬件上的实现，完成了原理样机的制作。
关键词：导航；CBOC；多相关器算法；接收机

    近年来，随着美国的GPS系统在军用和民用领域的成功应用，卫星导航系统受到了世界多个主要国家和组织的普遍关注。除了美国正在进行的GPS现代化计划以外，欧盟正在建设Galileo系统，俄罗斯正在对其GLONASS系统进行恢复和现代化改进，我国的北斗系统也在积极建设中。多个导航系统并存，一个首要的问题是导航信号的兼容共存。在无线电频率资源非常紧张的情况下，欧盟提出了新的信号结构BOC(Bina ry Offset Carrier)调制，通过改变信号的频谱，达到与传统导航的BPSK(Binary Phase Shift Keying)调制信号共享频率的目的，从而最大限度地利用有限的频谱资源。而后，美国和欧盟就GPS系统和Galileo系统共用民用信号体制达成协议，GES系统和Galileo系统将分别使用MBOC调制方式的两种实现，其中Galileo系统将在E1频点使用CBOC调制。
    由于BOC信号的相关函数存在多个相关峰值，用于BPSK信号体制的接收方法不能直接用于接收BOC信号体制，近年来人们提出了很多种适用于BOC信号体制的接收技术：文献和文献提出的BPSK—like(单边带)方法将BOC信号的频谱简化成类似BESK信号的形式后处理，该方法相对易于实现。文献提出的bump-jump方法，文献提出的ASPeCT方法占用的硬件资源都比较多，文献提出的DE方法占用的硬件资源适中，也不会损失接收机的灵敏度和测距精度等性能，但是增加副载波环路实现复杂，本文研究的多相关器算法嘲硬件资源虽然多，但是实现简单，理论清晰，可修正性和兼容性很好。但是国内对CBOC信号的研究还多处于理论分析阶段，工程实现比较薄弱。由于CBOC信号是两个BOC信号的时域叠加，笔者以Galileo系统拟采用的CBOC(6，1，1／11)信号着手，分析CBOC的时域特性，自相关函数以及功率谱密度函数。通过分析多相关器的算法，在现有的导航接收机的基础上完成CBOC导航接收机工程样机的实现。

1 CBOC信号特性分析
1．1 CBOC信号生成仿真
    CBOC(Composite BOC)通过PN码相同、副载波不同的两种BOC信号进行加权求和实现。本文研究的是Galileo系统提出的CBOC(6，1，1／11)信号采用BOC(6，1)和BOC(1，1)两种副载波加权实现，加权是对功率的分配。BOC(1，1)信号所占的功率百分比为a，BOC(6，1)信号所占功率百分比为b。通过这种加权之后，信号成为4电平信号。
    CBOC信号表达式为：
   
    采用Matlab仿真CBOC(6，1，1／11)信号如图1所示。

    接收机设计的一个关键就是在本地端复制一个和发射端匹配的信号，而根据Matlab的仿真分析可知，CBOC信号是四电平的信号，因此采用在接收端直接复制信号的方式会极大的增加了接收机设计的复杂度和实现的难度，这就要求必须寻找其他的方法恢复信号。
1．2 CBOC自相关和功率谱密度
    信号的自相关特性是信号捕获和跟踪算法选择的依据，BPSK信号的自相关函数只有一个峰值，采用典型的E—L相关器架构可以很容易的锁住主峰，但是CBOC信号(如图3所示)除了主峰以外还有两个副峰，这样简单的采用BPSK的跟踪算法容易错锁，因此影响取得的观测量的值，进而影响定位结果。CBOC信号的自相关函数和功率谱密度函数的Matlab仿真图如图2所示。

    CBOC信号的自相关特性可以表示为：
   
    由仿真分析可知，CBOC(6，1，1／11)存在两个较大的副峰，且其与BOC(1，1)信号类似，因此在选择跟踪算法时可以仿照BOC的算法进行改进。在图2中，BOC(1，1)和BOC(6，1)的频率谱峰清晰可见，因此可以根据射频带宽的大小选择适合的接收算法。2 CBOC信号接收算法
2．1 现有CBOC信号跟踪算法
    现有CBOC跟踪算法对比如表1所示。

2．2 多相关器算法
    随着卫星导航技术的发展，伪距的测量精度越来越高，人们发现多径误差对定位精度的影响在定位误差中所占的权重越来越大，因此，如果能够得到多径误差最优的码相位鉴别器，将能最大限度地抑制多径误差，从而显著提高定位精度。基于此点需求提出的多相关器方法是一种确定码相位鉴别器的方法，它在自相关函数的有效范围内放置许多相关器，并通过线性组合的方法，用这些自相关函数组合出最优的码相位鉴别曲线，从而达到减小多径误差的效果。这种抗多径的方法同样适用于CBOC信号，可以在基带只复制BOC(1，1)信号，然后通过相关值的线性组合实现最优的码相位鉴别。但是因为在设计中增加了相关器，因此增加了很多硬件资源，但是这些资源的增加还是可以通过诸如相关器复用等方式将硬件效率提升。
    采用多相关器方法的接收机结构如图3所示。

    每一个相关器的自相关函数可以表示如下：
   
    其中sμ表示卫星信号，pμ表示本地载波信号，表示第i个相位的本地复制码，这样就定义了一组相关器的自相关函数。定义自相关函数的线性组合为：
   
    最后，为使自相关函数的线性组合给出的鉴相曲线无限逼近理想的码鉴相曲线，可以使用最小二乘方法来完成最后的步骤：
   
    通过最小二乘方法求得的即为最优的自相关函数权值，从而构造出了与理想的码鉴相曲线无限接近的码鉴相曲线。3 CBOC信号导航接收机设计实现
3．1 导航接收机硬件平台
    实现基于多相关器方法的接收机硬件平台如图4所示，硬件平台选用FPGA作为实现相关器的模块，利用FPGA的可编程特性，可以不改变硬件平台，而只修改FPGA和DSP软件实现对不同卫星导航系统的兼容接收。同时，FPGA的并行运算能力也能够很好地保证基带处理方法的实时性。
3．2 信号捕获
    由于CBOC信号中存在副载波，CBOC信号的相关函数存在±1码片内存在多个相关峰值，为避免误判，使用SCC(Sub—Carrier Cancellat ion)方法构造无模糊的相关函数，相关函数的计算方法如式(6)所示。


    该方法有效地消除了CBOC信号的副峰，从而将CBOC信号的捕获过程转化成类似于BPSK信号的无模糊形式。
3．3 信号跟踪
    环路设计方案如图5所示。

    跟踪采用双环路的策略，载波环和码环。由载波发生器，载波鉴相器，码发生器，码鉴别器和相关器组等构成。CBOC信号的跟踪采用多相关器的方式，只复制BOC(1，1)信号，然后根据计算的加权系数确定采用的鉴相方法。因此在硬件的设计中，码环鉴别器的参数和鉴相方式均留出接口利用DSP或者ARM软件配置。在确定了一组环路鉴相参数后，根据具体的应用场景，对环路参数进行微调。
    载波跟踪环路可以使用锁频环或者锁相环完成对载波相位和频率的跟踪。在采用方多相关器方法的接收机中，继承了BPSK接收机对载波跟踪环的跟踪方法，可以使用所有适用于BPSK接收机的鉴别器，在工程样机的实现中使用了三阶锁相环，鉴相采用四象限反正切的方式，三阶锁相环的实现在这里不做讨论。
3．4 接收机测试结果
    在性能分析和算法仿真的基础上，使用FPGA和DSP处理器的基带处理架构实现S—SUrve shaping方法，经过对接Galileo信号模拟器，完成了对S—surve shaping方法的功能验证，实现的跟踪环路可以稳定地完成对载波、副载波和码相位的跟踪。

4 结论
    文中通过分析CBOC的时域特性，自相关特性以及功率谱密度函数，主要论述了一种基于S—surve shaping跟踪方法的Galieo E1频点CBOC信号接收机的工程实现，在明确CBOC信号结构的情况下，充分利用Galileo信号在系统设计上的兼容性以及成熟的硬件平台，并分析了使用简化的CBOC信号接收方法所带来的性能损失，在理论仿真的基础上，完成了接收机的工程实现，实际运行的结果验证了该方法的可行性。