基于預檢測通道的新體制GNSS信號捕獲方法

蓋世豪，劉應剛，孟海濤，楊文津

(1.中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000；2.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

基于預檢測通道的新體制GNSS信號捕獲方法

蓋世豪1，劉應剛1，孟海濤1，楊文津2

(1.中國人民解放軍61711部隊，新疆 喀什 844000；2.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

以二進制偏置載波調制(Binary Offset Carrier，BOC)信號為主體的新體制全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)信號接收基帶處理技術已成為未來衛星導航接收機設計的重要內容。針對該類信號由頻譜主瓣分離特性與自相關函數多峰特性引發的信號捕獲過程平均搜索時間長、捕獲精度低的問題，將基于單邊帶的BPSK-like信號檢測技術與傳統聯合邊帶信號檢測技術相結合，提出一種適用于工程設計的基于預檢測通道的雙通道捕獲方法，給出了該方法的設計思想與運行原理，從檢測概率與平均捕獲時間兩方面對該方法進行了使用性能分析。并通過硬件接收機測試平臺對該方法進行測試，證明了所提方法的有效性。

全球衛星導航系統；捕獲；二進制偏置載波調制；BPSK-like；聯合邊帶

0 引言

GNSS信號捕獲[1]過程即為擴頻信號能量檢測過程，常用方法可分為時域串行搜索和頻域并行搜索2類。對于導航新體制信號中的BOC類調制信號[2]而言，由于其特殊的頻譜主瓣分離特性和自相關函數多峰特性，隨著BOC信號調制階數的增加，在運用傳統相移鍵控(Phase Shift Keying，PSK)調制信號的捕獲方式時會出現平均捕獲時間過長或漏捕概率過高等問題。工程中通常使用的等效邊帶[3]處理法，將BOC信號分離的頻譜進行單邊帶處理，該方法簡化了捕獲流程，卻因自相關函數主峰判定模糊度問題導致捕獲精度的降低[4]。

針對這一現狀，本文提出了一種基于預檢測通道的雙通道捕獲方式，利用預檢測通道獲取輔助性先驗信息的思想，大幅縮小了傳統聯合邊帶捕獲方法的搜索范圍，著重解決調制階數較高的BOC類信號捕獲過程中碼相位捕獲精度與平均搜索時間之間的矛盾，優化了該類信號的基帶處理性能[5]。

1 BOC類信號捕獲性能

1.1 BOC類信號特性

BOC調制信號是通過導航電文信息、二值偽隨機擴頻碼、方波副載波做異或運算后，與載波信號做混頻運算得到的，可表示為：

(1)

式中，akμnTs(t)為nTs時長的脈沖信號；CTs(t)為以2Ts為周期的副載波信號；n表示一個擴頻符號內存在副載波周期數目的2倍，若將基本BOC信號表示為BOC(fs，fc)，其中，fs和fc表示生成信號中副載波頻率和擴頻碼速率的與基準頻率(1.023 MHz)的比值，則n=2fs/fc，為BOC信號調制階數。

二值副載波對信號生成的根本影響在于由等效載波混頻導致的信號功率譜相對中心頻點的頻譜主瓣偏置式分離[6]，且偏置頻率隨著調制階數的增加而增加。與此同時，受基帶信號中副載波的影響，原本的擴頻碼自相關函數由正值單峰值轉變為正負值交替的多峰值函數，且峰值數目為2n-1，即隨著調制階數n的增加，BOC信號自相關函數峰值數目也隨之增加[7]。調制階數n=14的高階BOC信號功率譜分離現象和自相關函數多峰值現象如圖1所示。

圖1 高階BOC信號功率譜和自相關函數特性

1.2 基帶捕獲特性

傳統GNSS基帶信號捕獲策略可分為串行搜索與并行搜索兩大類，該兩種方法以不同的形式對導航信號中的解擴能量進行檢測，應用到BOC類調制信號層面，由于該類信號頻譜與自相關函數的特殊性，導致信號捕獲過程存在下述兩類問題：

① 對以串行策略為主的雙邊帶聯合類捕獲法[8]，由于BOC信號自相關函數多過零點特性，為避免能量漏檢，必須使碼相位搜索步長Cstep滿足：

Cstep≥2 046×(2n-1)，

(2)

式中，n為調制階數。該特性致調制階數較大時，BOC類信號使捕獲過程平均搜索時間遠大于PSK信號，并且隨調制階數上升大幅增加；

② 對以并行策略為主的等效單邊帶捕獲法，雖然減少了平均捕獲時間，卻由于檢測閾值難以精確設定，極易導致對高階BOC信號的碼相位估算值與其主峰所在位置的碼相位值之間存在一定偏差，降低捕獲精度。

由于碼相位搜索步長過大問題或檢測閾值錯誤設定問題引起的信號漏檢或鎖定偏差如圖2所示。

圖2 BOC信號捕獲過程中的漏檢與鎖定偏差問題

2 基于預檢測通道的雙通道捕獲法

2.1 基本原理與工作流程

為解決上述BOC信號基帶捕獲處理過程中平均搜索時間與捕獲精度之間的矛盾，以短時間內解決偽碼相位的精確檢測為目的，本文在原有通用捕獲策略的基礎上提出一種基于預檢測通道的雙通道捕獲方法。

該方法設置2個獨立工作的捕獲通道，由基于并行搜索的預檢測通道快速生成輔助性先驗信息，并運用該先驗信息作為低搜索步長串行捕獲通道的搜索范圍輸入條件，大幅減少串行捕獲的碼相位搜索歷元數目，以減少整體捕獲時間。該方法基本架構如圖3所示。

圖3 基于粗/精捕模塊并行捕獲法架構

基于預檢測通道的雙通道捕獲運行過程中，并行預檢測通道與串行捕獲通道均獨立開展工作，二者唯一聯系在于串行捕獲通道載波與偽碼搜索范圍由實時上報的并行預檢測通道多普勒估計值與碼相位估計值決定。整個雙通道基帶捕獲模塊運行流程如下：

① 經過數字采樣與的中頻GNSS信號同步輸入至2個捕獲通道，并行預檢測通道單邊帶在載波NCO的驅動下，通過BPSK-like的方式對BOC信號的單個邊帶進行數字混頻處理，并在數據補償平均的基礎上對數據進行分段FFT處理；

② 與此同時，對本地生成的擴頻碼進行分段FFT處理，并與上一步中經FFT處理后的采樣信號進行共軛相乘運算和IFFT運算，完成數據重構后，進行解擴能量值判定；

③ 若并行預檢測通道解擴能量值高于判定門限，則認為信號預檢測成功，將本地多普勒估計值與碼相位估計值作為先驗信息輸出至串行捕獲通道，反之則改變載波NCO輸出，繼續上述判定過程；

④ 串行捕獲通道通過聯合邊帶的方式對BOC信號的上下雙邊帶進行數字混頻處理，并根據上報的多普勒估計值與碼相位估計值調整本地載波與偽碼的生成狀態，通過相關運算與Tang氏累計時間判別[8]的方式完成能量檢測，同時，為避免峰值錯鎖，采用自相關峰值包絡檢測的方式對信號檢測結果進行判定；

⑤ 檢測結果經自相關峰包絡檢測鑒定無誤后，串行捕獲通道根據當前載波與偽碼狀態將導航信號的多普勒測量值與碼相位測量值輸出至后續跟蹤環路，完成信號捕獲。

捕獲模塊設計過程中，可根據當前信號環境和使用場景設定各類門限判定值與Tang氏判別過程中的初始累計常量值，從而達到捕獲時間與檢測概率的最佳配比。

2.2 捕獲性能分析

下面以檢測概率和平均捕獲時間為參數評估基于預檢測通道的雙通道捕獲法捕獲性能。

2.2.1 檢測概率

到達信號載噪比一定時，并行預檢測通道非相干幅值在不同信號存在條件下服從Rayleigh分布和Ricean分布；串行捕獲通道在并行預檢測通道的基礎上完成最終捕獲，其檢測概率取決于預檢測通道精度和Tang氏判別常量設置。

圖4分別描述了并行預檢測通道在不同相干積分時間條件下信號監測概率隨載噪比的變化以及固定積分時間時串行捕獲通道檢測概率(即雙通道捕獲法的最終捕獲概率)隨Tang氏判別起始累計量的變化情況。

圖4 雙路并行捕獲法檢測概率

通過圖4可知，環境噪聲條件下，該算法在支路相干積分時間[9]達到4 ms時，采用不小于6的Tang氏判別累計量，即可以完成對天線口面電平不小于-139 dBm信號的檢測，符合一般條件下接收機工作環境的信號捕獲需求。

2.2.2 平均搜索時間

對于基于預檢測通道的雙通道捕獲法而言，其平均搜索時間為并行預檢測通道與串行捕獲通道平均搜索時間相加，主要與到達天線口面信號載噪比和雙通道相干積分時間有關；另外，為保證信號檢測有效性，通常選擇串行捕獲通道Tang氏判別累計量≥5。圖5(a)顯示了當串行捕獲通道相干積分時間為2 ms，Tang氏判別累計量為5時，預檢測通道不同相干積分時間測量平均捕獲時間受載噪比的影響；圖5(b)顯示了并行預檢測通道相干積分時間為2 ms，串行捕獲通道Tang氏判別累計量為5時，串行捕獲通道不同相干積分時間受載噪比的影響。

由圖5可知,當串行捕獲通道參數固定時，平均捕獲時間主要受接收信號載噪比的影響，而受相干積分時間影響較小；但當并行預檢測通道相干積分時間固定時，平均捕獲時間受串行捕獲通道相干積分時間影響較大，即串行捕獲通道相干積分時間對整體捕獲模塊平均捕獲時間起到決定性作用。其主要原因是當積分時間較短且信號載噪比較低時，較低的初檢概率會使Tang氏判過程受到影響，使信號檢測概率大幅降低，從而使平均捕獲時間急劇增加。

圖5 雙路并行捕獲平均捕獲時間

因此，在捕獲通道設計過程中，為防止因信號太弱而引起的捕獲時間過長與漏捕獲等問題，應盡量保持串行捕獲通道積分時間在4 ms以上，以保證整體捕獲效率。對于Tang氏判別累計量而言，當此值大于一定數值后，對整體捕獲概率的收斂情況影響不大，因此其選值能夠保證捕獲概率收斂即可。

3 接收機平臺測試

3.1 測試平臺和測試內容

測試平臺是以FPGA和DSP處理板為核心的通用GNSS信號接收處理平臺[10]。

測試內容分為高階BOC信號首次檢測概率和開機捕獲時間兩部分，以評估上述捕獲方法的實際捕獲性能。

3.2 測試信號

本試驗中接收信號由可配置導航信號模擬源[11]生成，為驗證雙通道捕獲法的廣泛高階BOC信號適用性，設定信號參數如下：

① 信號采用BOC(14，2)調制方式；

② 基帶擴頻碼選取長度為2 046的Gold碼；

③ 導航電文速率為50 bps，電文內容為僅存幀頭的無意義數據；

④ 發射信號中心頻點為1 575.42 MHz；

⑤ 設到達信號載噪比為41 dB·Hz。

3.3 測試方法與結果

3.3.1 首次檢測概率

接收機采取雙路相干積分時間為4 ms的設計方式，在模擬源正常發射信號的條件下，對接收機發出單通道搜索指令，若一次完整搜索后捕獲模塊可以輸出與模擬源信號碼相位和載波頻率相匹配的觀測量，則判定捕獲成功。按照該方法對捕獲模塊進行100次配置測定，得出不同載噪比下信號捕獲概率如表1所示。

表1 信號首次檢測概率測試結果

信噪比/dB·Hz檢測概率/%34363840424489979810099100

通過表1中對信號捕獲的測試結果可知，在一般接收機要求的35 ·載噪比的工作條件下，該雙路捕獲方式可以達到90%以上的檢測概率，與理論分析值基本一致，具有較高的檢測性能。

3.3.2 開機捕獲時間

由于虛警事件的存在，接收機通常采取測定開機至全通道幀同步所需時間的方式來檢測其捕獲速度，該時間定義為開機捕獲時間。對于接收機采取5組開機測試，得出開機捕獲時間結果如表2所示。

表2 開機捕獲時間測試結果

試驗序號開機捕獲時間/s123454852576451

從試驗結果可知，在無任何先驗信息的條件下，基于預檢測通道的雙通道捕獲方法基本可以在1 min之內完成對BOC(14，2)信號的初次捕獲，符合現階段高性能接收機的設計[12]要求。

4 結束語

針對新體制GNSS信號中BOC類信號捕獲過程中存在的平均搜索時間和捕獲精度的矛盾，運用快速大范圍搜索測量與高精度小范圍搜索策略相結合的思想，設計出一種基于預檢測通道的雙通道捕獲方法，實現了該類信號的快速高精度捕獲。介紹了該方法的基本原理和工作流程，對該方法進行了理論性能分析，并通過接收機硬件測試平臺對其檢測性能進行了測試評估。測試結果表明，該方法能夠在無任何先驗信息輔助的條件下達到較好的高階BOC信號捕獲效果，具備一定的實際應用價值，對未來廣泛應用的新體制GNSS信號接收機設計提供參考。

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[3] 楊力.基于BOC調制的導航信號同步接收關鍵技術研究[D].南京:南京理工大學博士學位論文,2009.

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AcquisitionMethodofNewSystemGNSSSignalsBasedonthePre-detectionChannel

GAI Shi-hao1,LIU Ying-gang1,MENG Hai-tao1,YANG Wen-jin2

(1.Unit61711,PLA,KashiXinjiang844000,China; 2.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

The receiving-baseband processing technology of new system Global Navigation Satellite System (GNSS) signals mainly based on the Binary Offset Carrier (BOC) signals has already been one of the most important parts of designing GNSS receivers in the future.For this kind of signals,long mean search and low acquisition performance are caused by separating spectrum mainlobe and multi-peaks autocorrelation.In view of these problems,this paper puts forward a kind of parallel-channel acquisition method based on pre-detection channel by combining the joint sideband detection with the BPSK-like acquisition technologies,which is applicable to engineer design.It introduces the design idea and operation principle of the proposed method,and analyzes the performance of acquisition module in terms of probability and average time of acquisition process.This method is tested by using GNSS receiver hardware test platform,and the test results show that the proposed method is available.

GNSS;acquisition;BOC;BPSK-like;joint sideband

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.09

蓋世豪，劉應剛，孟海濤，等.基于預檢測通道的新體制GNSS信號捕獲方法[J].無線電工程,2017,47(12):38-42.[GAI Shihao,LIU Yinggang,MENG Haitao,et al.Acquisition Method of New System GNSS Signals Based on the Pre-detection Channel[J].Radio Engineering,2017,47(12):38-42.]

TN911.3

A

1003-3106(2017)12-0038-05

2017-02-14

蓋世豪男，(1987—)，助理工程師。主要研究方向：衛星導航、導航運控。

劉應剛男，(1976—)，工程師。主要研究方向：衛星導航、導航運控。