新體制GNSS信號應用性能分析

韓明明，侯光華，劉寧勝，楊文津

(1.中國人民解放軍61773部隊，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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新體制GNSS信號應用性能分析

韓明明1，侯光華1，劉寧勝1，楊文津2

(1.中國人民解放軍61773部隊，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對以二進制偏置載波調制(Binary Offset Carrier，BOC)信號為代表的新體制全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)下行信號在空間信號中所占比例逐漸增大的現狀，結合應用需求，通過介紹新體制信號的常用基帶同步方法，分析了單邊帶策略和聯合邊帶策略對BOC信號偽距精度的影響，并對BOC信號調制階數與其跟蹤精度和基帶處理資源的關系進行了推導，得出聯合邊帶處理法比單邊帶處理法具有更優測距精度但需消耗更多硬件資源的結論。在通用接收機硬件平臺上對上述結論進行驗證，聯合邊帶策略在獲得較高同步精度的同時對硬件資源提出了更高的需求。該研究結果為各類具有新體制信號處理需求的GNSS接收機提供設計依據和優化方案。

關鍵詞GNSS；BOC；BPSK-like；資源需求；VNELP

0引言

BOC類調制信號[1]作為新體制GNSS信號在各大系統中使用率劇增。導航信號基帶同步性能與通道資源占用作為GNSS接收機設計過程[2]中的兩大重點，在整機策略中占有極為重要的位置。因此，研究BOC類信號的相關應用性能對接收機同步性能和資源占用的影響將在不同類型的新體制導航終端設計過程中起到關鍵性指導作用。

針對這一問題，本文從接收機基帶同步方式出發，分析不同的基帶策略對BOC類信號的測距精度、資源需求和應用方向帶來的影響，并在通用化硬件接收機設計平臺[3]上進行驗證，得出新信號體制在不同信號特性、不同處理方式和不同應用環境下的精度和需求關系，彌補信號體制擴展階段接收機方案選擇方面的空白。

1BOC信號基帶同步原理

1.1PSK調制與BOC調制

傳統GNSS系統下行應用信號主要為相移鍵控(Phase Shift Keying，PSK)信號，該類信號是用導航信息與二值偽隨機擴頻碼做異或運算后得到的基帶擴頻信號調制高頻發射載波而生成的一類空間發射信號。BOC調制信號則是PSK信號基帶導航信息和偽隨機碼異或運算的基礎上外加了一個二值副載波調制，再將這個基帶擴頻信號與載波信號做混頻運算得到的，可表示為：

(1)

式中，akμnTs(t)為持續時間為nTs的矩形脈沖，可看作PSK信號；CTs(t)為以2Ts為周期的副載波信號。基本的BOC類調制信號常用BOC(fs,fc)表示，其中fs和fc分別表示生成信號中副載波頻率和擴頻碼速率相對于基準頻率的倍數，n定義為n=2fs/fc，稱作BOC信號調制階數[4]。

1.2單邊帶同步策略

BOC信號具有自相關峰多值特性和功率譜對稱分離特性[5]。這兩大特性在為該類信號帶來優異的跟蹤精度和抗干擾性能的同時，也使得在全邊帶處理時，針對PSK信號的非相干超前滯后(Non-correlation Early Late Processing，NELP)同步策略因峰值鎖定相位模糊度[6]的問題。因此，衍生出針對BOC信號的單邊帶BPSK-like同步策略[7]和聯合邊帶非相干過超前滯后[8](Non-correlation Very Early Late Processing，VNELP)同步策略這2種通用基帶處理方式，其中BPSK-like策略分為對上下單一邊帶的同步和上下兩邊帶疊加同步2種情況。

基于NELP同步策略的單邊帶處理的變頻和鑒相過程如圖1所示。

圖1　單邊帶同步策略鑒相和變頻過程

單邊帶BPSK-like同步策略的基本思想是將對稱分離后的BOC功率譜的單邊包絡進行基帶變頻處理，將其轉化為無副載波調制影響的PSK信號，并用傳統的VNELP鑒相方式來完成其環路設計。現將經過BOC調制的信號表示為：

(2)

式中，a(t)為經偽碼擴頻后的基帶信號，該信號經過頻率為ω1的二值副載波調制和頻率為ω2的載波調制后生成最終的空間下行信號。單邊帶同步策略即對S(t)信號進行頻率變化量為ω2+ω1或ω2-ω1的基帶變頻處理，并通過基帶低通濾波的方式濾除另一邊帶的信號，將副載波調制帶來的影響消去，以解決多峰值效應帶來的碼相位鎖定模糊度問題。

1.3聯合邊帶同步策略

與單邊帶策略相比，聯合邊帶策略的核心任務是解決由副載波調制帶來的信號自相關函數跟蹤過程中的鎖定模糊度問題。對于式(2)中的信號，聯合邊帶同步策略頻率變化量為ω2，其處理頻帶中心為副載波調制前的擴頻信號頻帶中心。

聯合邊帶策略基本思想是在單邊帶NELP同步策略中即時(P)、超前(E)和延遲(L)支路的基礎上增加了過超前(VE)和過延遲(VL)2條支路，其中P、E和L支路組成類似于單邊帶策略中NELP的鑒相環路，用于自相關函數峰值的鎖定；VE和VL支路則用于判定整個環路的主峰(即碼相位偏移量為0的點)鎖定情況。聯合邊帶處理的變頻和鑒相過程如圖2所示。

圖2　聯合邊帶同步策略鑒相和變頻過程

2BOC信號基帶性能分析

2.1跟蹤精度分析

GNSS基帶跟蹤誤差定義如下：

(3)

式中，Tc為擴頻碼碼片長度；BL為環路帶寬；α為相關峰斜率；R(d)為τ=d時刻的自相關函數值；C/N0為信號載噪比；TP為環路積分時間。

對于BOC(fs,fc)信號而言，當采用單邊帶寬相關同步策略且積分時間為1個碼周期時，可將其等同為BPSK(fc)信號，則其同步誤差為：

(4)

當對上下邊帶進行疊加BPSK-like同步策略時，C/N0相比式(4)中單邊帶處理增加3 dB，可得其同步誤差為：

(5)

(6)

通過式(4)、式(5)和式(6)可知，對于BOC類調制信號，當采用邊帶同步策略時，信號體制本身對基帶同步精度影響最大的參數為基帶擴頻碼速率，且與基帶同步誤差成反比；而當采用聯合邊帶同步策略時，除基帶擴頻碼速率外，二值副載波頻率也成為影響基帶同步精度的重要因素，該精度隨著調制階數n的增加而提升，優于BPSK-like精度。

2.2資源需求分析

在特定的GNSS接收機設計架構下[9-10]，信號體制和基帶算法成為影響硬件設計資源的最主要因素。在傳統的基于現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的接收機基帶設計架構下，硬件資源需求主要體現在FPGA邏輯單元(Logic Elements，LE)占用量和單板功耗兩方面。

在固定硬件平臺下，LE占用量主要與接收機基帶架構設計有關。對于BOC(fs,fc)信號，在捕獲策略和通信接口相同時，單邊帶同步策略和聯合邊帶同步策略的LE占用量主要受基帶跟蹤環路數量的影響，由于單邊帶策略存在E、L和P共3條跟蹤支路，上下邊帶疊加同步策略為兩個單邊帶策略的疊加，共6條跟蹤支路，聯合邊帶策略存在VE、VL、E、L和P共5條跟蹤支路，因此3種方式間在基帶同步設計方面LE占用量理論值之間的關系可表示為：

(7)

即在基帶LE占用方面，針對單個邊帶的BPSK-like策略最具優勢，上下邊帶疊加策略和聯合邊帶策略的邏輯資源占有量均為單個邊帶策略的2倍左右。

單板功耗指基帶接收機處理平臺的整體功耗，分為數模轉換、基帶同步和信息處理3部分，主要受板卡采樣時鐘速率和基帶算法LE占用量的影響。

依照帶通采樣定理，采樣頻率必須是被采信號帶寬的2倍。對于基于單邊帶的BPSK-like同步策略，以每個峰值采樣點數為4來計算，PSK(fc)信號的基帶最小采樣頻率為：

Rs(fc)=4×1.023×106fc。

(8)

聯合邊帶同步策略因BOC信號自相關函數多峰值特性，其基帶最小采樣頻率為：

RBOC(fs,fc)=8×1.023×106(fs+fc)。

(9)

綜合式(7)、式(8)和式(9)可知，單個邊帶和上下邊帶疊加策略功耗相對固定，后者約為前者2倍左右；聯合邊帶策略因頻譜分離后產生較大的基帶處理帶寬，功耗也隨之增大，當基帶擴頻碼速率一定時，單板功耗隨BOC信號調制階數n的增加而增大。

3接收機平臺測試

3.1測試平臺與測試信號

為了全面評估和驗證BOC信號的基帶同步性能和設計資源需求，采用高性能數模轉換芯片配合邏輯資源量較大的Sratix V系列FPGA通用信號處理平臺[11]作為接收機開發環境，選取BOC(14，2)信號和BOC(1，1)作為接收機平臺的測試信號以驗證調制階數對應用性能的影響。

3.2跟蹤精度測試

調整衰減器控制到達信號載噪比為39～45 dB，對信號采取單邊帶BPSK-like同步處理和聯合邊帶同步處理，并將接收機測距值與模擬器原始觀測值進行做差求標準差處理，單邊帶和聯合邊帶策略同步精度測試結果如圖3所示。

圖3中由于相關函數主峰斜率的原因，BOC(1,1)聯合邊帶跟蹤精度優于BOC(14,2)單邊帶處理精度。

測試結論：BOC信號聯合邊帶同步策略在基帶同步精度方面優于單邊帶同步策略，且該精度隨著調制階數n的增加而提升。

圖3　單邊帶和聯合邊帶策略同步精度測試結果

3.3硬件資源需求測試

通過直流穩壓電源輸入的方式監測接收機硬件處理平臺的整體電流，并通過FPGA編譯器得出基帶策略運行過程LE資源使用情況，得出LE占用量和整體平臺功耗信息。硬件資源需求測試結果如表1所示。

表1　硬件資源需求測試結果

測試結論：BOC信號聯合邊帶同步策略在硬件資源占用量方面明顯超出單邊帶同步策略。尤其當調制階數n較大時，較高的采樣率不僅使功耗大幅增加，也對數模轉換芯片等設備提出更高的要求。

綜上所述，聯合邊帶策略在獲得較高同步精度的同時對硬件資源提出了更高的需求。在未來以新體制信號為主的GNSS應用環境下，為偏重定位導航應用、高精度測量應用等對精度需求不同且有不同硬件資源容納能力的各類接收機提供設計參考。

4結束語

針對新體制GNSS應用日益廣泛的現狀，本文從基帶設計角度出發，以基帶跟蹤精度和硬件資源需求為立足點，著重分析了不同的基帶策略對新體制信號應用性能的影響。得出了隨著調制階數的增加，聯合邊帶策略為BOC信號帶來更優同步精度的同時也存在更高資源需求的結論。并在以FPGA為核心的通用接收機設計平臺上對該結論進行了驗證。該結論也給新體制信號下的各類不同需求、不同用途的GNSS接收機設計提供了總體思路，具有一定的實用性指導意義。

參考文獻

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.11

收稿日期：2016-03-30

基金項目：國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2012AA121802)。

中圖分類號TN911.3

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0042-03

作者簡介

韓明明男，(1990—)，助理工程師。主要研究方向：衛星導航、GNSS基帶信號處理。

侯光華男，(1982—)，工程師。主要研究方向：衛星導航、導航運控。

Analysis on Application Performance of New System GNSS Signals

HAN Ming-ming1,HOU Guang-hua1,LIU Ning-sheng1,YANG Wen-jin2

(1.Unit61773,PLA,UrumqiXinjiang830000,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe Binary Offset Carrier(BOC)signals have already been an important part of Global Navigation Satellite System(GNSS)space signals.In view of this present situation,combined with the requirements of application,this paper analyzes the influence of single-sideband and double-sideband strategies on measurement accuracy of BOC signals,and presents the derivation of relationship between BOC signal orders and their measurement accuracy and hardware resource.It is concluded that the double-sideband method has better ranging accuracy but takes more hardware resource compared with the single-sideband method.This conclusion is verified at common receiver hardware platform,and the results show that the double-sideband method brings higher synchronization precision with higher requirement for hardware resource.This research results can provide design basis and optimization scheme for various GNSS receiver with new system signal processing requirement.

Key wordsGNSS;BOC;BPSK-like;resource requirements;VNELP

引用格式：韓明明,侯光華,劉寧勝,等.新體制GNSS信號應用性能分析[J].無線電工程,2016,46(7):42-44,75.