基于CBOC信號的導航接收機設計與實現

孫忠秋，張春澤

（北京衛星信息工程研究所 北京 100081）

近年來，隨著美國的GPS系統在軍用和民用領域的成功應用，衛星導航系統受到了世界多個主要國家和組織的普遍關注。除了美國正在進行的GPS現代化計劃以外，歐盟正在建設Galileo系統，俄羅斯正在對其GLONASS系統進行恢復和現代化改進，我國的北斗系統也在積極建設中。多個導航系統并存，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構 BOC（Binary Offset Carrier）調制，通過改變信號的頻譜，達到與傳統導航的 BPSK（Binary Phase Shift Keying）調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系統和Galileo系統共用民用信號體制達成協議，GPS系統和Galileo系統將分別使用MBOC調制方式的兩種實現，其中Galileo系統將在E1頻點使用CBOC調制。

由于BOC信號的相關函數存在多個相關峰值，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：文獻[1]和文獻[2]提出的 BPSK-like（單邊帶）方法將BOC信號的頻譜簡化成類似BPSK信號的形式后處理，該方法相對易于實現。文獻[3]提出的bump-jump方法，文獻[4]提出的ASPeCT方法占用的硬件資源都比較多，文獻[5]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，但是增加副載波環路實現復雜，本文研究的多相關器算法[6]硬件資源雖然多，但是實現簡單，理論清晰，可修正性和兼容性很好。但是國內對CBOC信號的研究還多處于理論分析階段，工程實現比較薄弱。由于CBOC信號是兩個BOC信號的時域疊加，筆者以Galileo系統擬采用的 CBOC（6，1，1/11）信號著手，分析 CBOC 的時域特性，自相關函數以及功率譜密度函數。通過分析多相關器的算法，在現有的導航接收機的基礎上完成CBOC導航接收機工程樣機的實現。

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信號進行加權求和實現。本文研究的是Galileo系統提出的 CBOC（6，1，1/11）信號采用 BOC（6，1）和 BOC（1，1）兩種副載波加權實現，加權是對功率的分配。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。

接收機設計的一個關鍵就是在本地端復制一個和發射端匹配的信號，而根據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計的復雜度和實現的難度，這就要求必須尋找其他的方法恢復信號。

圖1 CBOC信號時域波形Fig.1 Time-domain waveform of CBOC signal

1.2 CBOC自相關和功率譜密度

信號的自相關特性是信號捕獲和跟蹤算法選擇的依據，BPSK信號的自相關函數只有一個峰值，采用典型的E-L相關器架構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，進而影響定位結果。CBOC信號的自相關函數和功率譜密度函數的Matlab仿真圖如圖2所示。

CBOC信號的自相關特性可以表示為：

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 3 中，BOC（1，1）和 BOC（6，1）的頻率譜峰清晰可見，因此可以根據射頻帶寬的大小選擇適合的接收算法。

圖2 CBOC（6，1，1/11）的自相關函數和功率譜密度函數Fig.2 Autocorrelation function and power spectral density of CBOC（6，1，1/11）

2 CBOC信號接收算法

2.1 現有CBOC信號跟蹤算法

現有CBOC跟蹤算法對比如表1所示。

2.2 多相關器算法

隨著衛星導航技術的發展，偽距的測量精度越來越高，人們發現多徑誤差對定位精度的影響在定位誤差中所占的權重越來越大，因此，如果能夠得到多徑誤差最優的碼相位鑒別器，將能最大限度地抑制多徑誤差，從而顯著提高定位精度?；诖它c需求提出的多相關器方法是一種確定碼相位鑒別器的方法，它在自相關函數的有效范圍內放置許多相關器，并通過線性組合的方法，用這些自相關函數組合出最優的碼相位鑒別曲線，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，然后通過相關值的線性組合實現最優的碼相位鑒別。但是因為在設計中增加了相關器，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器復用等方式將硬件效率提升。

表1 CBOC跟蹤算法對比Tab.1 Composition of methods in CBOC

采用多相關器方法的接收機結構如圖3所示。

圖5 S-surve shaping接收機實現方案Fig.5 Structure diagram of the CBOC receiver

每一個相關器的自相關函數可以表示如下：

其中sμ表示衛星信號，pμ表示本地載波信號，riμ表示第i個相位的本地復制碼，這樣就定義了一組相關器的自相關函數。定義自相關函數的線性組合為：

最后，為使自相關函數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的自相關函數權值，從而構造出了與理想的碼鑒相曲線無限接近的碼鑒相曲線。

3 CBOC信號導航接收機設計實現

3.1 導航接收機硬件平臺

實現基于多相關器方法的接收機硬件平臺如圖4所示，硬件平臺選用FPGA作為實現相關器的模塊，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軟件實現對不同衛星導航系統的兼容接收。同時，FPGA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

圖4 S-surve shaping接收機硬件平臺Fig.4 Hardware platform of S-curve shaping receiver

由于CBOC信號中存在副載波，CBOC信號的相關函數存在±1碼片內存在多個相關峰值，為避免誤判，使用SCC（Sub-Carrier Cancellation）[7]方法構造無模糊的相關函數，相關函數的計算方法如式（6）所示。

該方法有效地消除了CBOC信號的副峰，從而將CBOC信號的捕獲過程轉化成類似于BPSK信號的無模糊形式。

3.3 信號跟蹤

環路設計方案如圖5所示。

圖5 S-curve shaping方法的接收機結構Fig.5 Structure diagram of the receiver adopted S-curve shaping method

跟蹤采用雙環路的策略，載波環和碼環。由載波發生器，載波鑒相器，碼發生器，碼鑒別器和相關器組等構成。CBOC信號的跟蹤采用多相關器的方式，只復制BOC（1，1）信號，然后根據計算的加權系數確定采用的鑒相方法。因此在硬件的設計中，碼環鑒別器的參數和鑒相方式均留出接口利用DSP或者ARM軟件配置。在確定了一組環路鑒相參數后，根據具體的應用場景，對環路參數進行微調。

載波跟蹤環路可以使用鎖頻環或者鎖相環完成對載波相位和頻率的跟蹤。在采用方多相關器方法的接收機中，繼承了BPSK接收機對載波跟蹤環的跟蹤方法，可以使用所有適用于BPSK接收機的鑒別器，在工程樣機的實現中使用了三階鎖相環，鑒相采用四象限反正切的方式，三階鎖相環[8]的實現在這里不做討論。

3.4 接收機測試結果

在性能分析和算法仿真的基礎上，使用FPGA和DSP處理器的基帶處理架構實現S-surve shaping方法，經過對接Galileo信號模擬器，完成了對S-surve shaping方法的功能驗證，實現的跟蹤環路可以穩定地完成對載波、副載波和碼相位的跟蹤。

4 結 論

文中通過分析CBOC的時域特性，自相關特性以及功率譜密度函數，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，在明確CBOC信號結構的情況下，充分利用Galileo信號在系統設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，在理論仿真的基礎上，完成了接收機的工程實現，實際運行的結果驗證了該方法的可行性。

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