基于高增益GNSS信號的授權碼流解擴接收技術

葉紅軍，劉 亮，楊建雷

(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著衛星導航相應技術的迅猛發展，GNSS衛星導航系統已經廣泛應用于社會的各行各業，對于GPS，GALILEO，GLONASS導航系統，一般行業主要使用相應衛星系統播發的民用公開信號頻點完成相應的定位、導航與授時服務，但是針對調制方式本身來說，公開信號相比于授權信號在調制方式上存在著較多劣勢：在GPS導航系統中，具備BOC(10，5)的L1M和L2M信號頻點，這2個頻點在正負一個碼片的相關峰上會產生多個峰值[1]，而主峰相比于公開信號L1C/A和L2C具備更加陡峭的邊沿[2]，這樣就使得相關峰對于測距偏差的變化更為靈敏，在測距上具備更大的優勢。在GALILEO系統中，同樣具備BOC(15，2.5)的E1A信號，主峰的邊沿更加陡峭。而對于GLONASS系統，相比于公開信號L1F，L2F，授權信號L1P，L2P具備更高的碼速率，因此具備更窄的碼片寬度，在測量偽距同樣體現出較大的優勢。

目前在通用的民用場景授權碼接收技術上還沒有相關文獻針對高增益的授權碼流的解擴接收技術，主要原因是一般用戶導航接收機工作在較低的信噪比環境中[3]，無法完成對授權信號的觀測。但是在高增益場景下，可以完成相應碼流觀測量的測量提取。所以可以利用相應的大口徑天線地面站完成附近GNSS導航衛星的授權碼的解擴接收，并向附近導航接收機用戶播發相應偽距、載波相位觀測量的修正信息，從而提升附近用戶的GNSS導航系統的定位和授時精度。

本文根據不同GNSS系統授權信號的特點，將授權信號的高增益解擴分為3類：同頻點同頻帶授權信號解擴、同頻點異頻帶授權信號解擴和異頻點授權信號解擴，并提出了相應的高增益場景下授權碼流解擴方法。

1 同頻點同頻帶授權信號解擴方法

同頻點同頻帶授權信號是指，某一頻點的公開信號和授權信號占用同樣的中心頻率帶寬，僅在相位上存在區分。這種類型的典型信號是GLONASS系統的L1P，L2P信號，這2個信號與L1F，L2F信號使用同樣的頻點，和民用信號以QPSK的形式正交地分布在信號中，即授權信號與公開信號相差90°的相位[4]，此外，GPS系統的L1C/A，L1P(Y)信號、L2C，L2P(Y)信號也具備同樣的特點。一般這樣信號的處理思路為：利用相位的不同進行相應授權信號的恢復與判決，基本的處理算法流程如圖1所示。

圖1 同頻點同頻帶授權信號解擴算法

在高增益接收天線完成相應衛星的對準跟蹤后，完成相應民用信號的捕獲跟蹤。當完成載波跟蹤環路和碼相位跟蹤環路的穩定后，獲取零中頻信號的Q支路即為授權碼所在支路，由于授權碼和公開碼間具備統一的碼片起始位置，所以以每個公開信號的積分周期起始位置為開始。根據授權碼的碼速率對Q支路的零中頻信號進行均值判決，均值判決的思路是根據當前的授權碼碼速率和信號的采樣頻率，計算每個碼片的采樣點數，選取碼片中間區域的采樣點進行求和平均，根據平均結果的正負判定該位置的碼流是1還是0。具體選取的索引方式是：將一個積分周期的采樣點按順序排列，選擇的碼片中心區域對應的索引值為：

i=1…Lp，

式中，fsample為信號的采樣率；Tp為一個積分周期的時間長度，這里為1 ms；Lp為一個積分周期的碼片數目。選取得到的每個區間的采樣點的值求和平均，對最后的均值進行判決。

在恢復該積分周期的授權碼碼流之后，利用恢復的碼流與相應的Q支路零中頻信號進行相關運算，即可完成授權信號的跟蹤和測距。

同頻點同頻帶授權信號解擴方法是3種方法中最為簡單的處理方法，只需要保留相干解調中的Q支路授權信號，并加入相應判決處理模塊，便可得到授權碼的解擴碼流。

2 同頻點異頻帶授權信號解擴方法

同頻點異頻帶授權信號是指，某一頻點的公開信號和授權信號占用同樣的中心頻率，但是在分布的頻帶內，卻處于不同頻帶，在頻率分布上即可完成區分。這種類型的典型信號是GPS系統的L1M，L2M信號以及GALILEO系統的E1A信號。GPS的L1M信號與公開信號L1C/A的中心頻點均為1 575.42 MHz，但是由于L1M信號采用BOC(10，5)調制方式，使得L1M信號主要能量集中在1 575.42±10.23 MHz頻帶內[5]；而L2M與公開信號L2C的中心頻點均為1 227.6 MHz，但是由于L2M信號也采用BOC(10，5)調制方式，使得L2M信號主要能量集中在1 227.6±10.23 MHz頻帶內；GALILEO系統的E1A信號與同頻點的E1B和E1C信號都分布在1 575.42 MHz頻帶，E1A采用BOC(15，2.5)調制方式使其分布在1 575.42±15.345 MHz的頻內[6]。

考慮到BOC調制信號本身的性質，在對應上下邊帶的所處中心頻點處也可以利用BPSK的方式完成解調[7]，相反在授權信號的解擴上，可以在上下邊帶所處的信號中心頻點處，按照BPSK的分布情況完成授權碼流的判決解擴，基本的處理算法流程如圖2所示。

圖2 同頻點異頻帶授權信號解擴算法

與之前介紹的方法一致，首先完成高增益接收天線對準跟蹤相應衛星，并完成相應民用信號的捕獲跟蹤，當載波跟蹤環路和碼相位跟蹤環路的穩定后，根據頻點與多普勒的線性關系計算對應信號中心頻點內的多普勒[7]，公式如下：

式中，v為衛星相對于地面站的運動速度；c為光速；f1和f2對應同一個衛星的不同中心頻率；而fd1和fd2對應2個頻率的多普勒，因此，在已知公開信號的每個積分周期的多普勒測量結果后，就可以計算同一顆衛星其他頻率的多普勒值[8]，在指定多普勒測量結果后，就可以完成相應頻點的載波剝離，從而得到零中頻信號。載波剝離使用的公式為：

S0(n)=Sc(n)·e-j·2π·(fc+fdoppler)n·ejφ0，

式中，Sc(n)為高增益采集信號對應積分周期起始時刻的經過一定帶寬濾波后的數字離散信號；fc為對應的信號中心頻點；fdoppler為授權信號對應頻點的多普勒值；φ0為載波相位環路得到的載波初相。

在得到零中頻信號后，根據BOC上下邊帶各自對應的信號主瓣帶寬進行濾波處理，濾波器通帶的帶寬只需保留完整的主瓣帶寬即可，對最終輸出的IQ支路的能量進行計算。

當信噪比狀況較好時，由于信號此時可以等效為BPSK調制，只需選取IQ支路中能量較大的完成判決即可[9]，而不需要完成殘余相位的旋轉恢復，判決的流程與上面介紹的方法一致，根據碼速率和采樣率計算每個碼片的采樣點數，并選取中間位置進行加和判決，最終得到授權碼流的解擴結果。

當信噪比狀況不好時，噪聲會影響信號的判決，此時需要使用相應的聚類分析手段[10]，繪制相應的零中頻信號的星座圖，利用C均值聚類的方法獲取信號調制的聚類中心點[11]，基本思路是將I、Q支路電平值組成的坐標(I，Q)映射到直角坐標系中，利用聚類分析的手段完成進一步的處理，聚類分析的流程為，按照時間順序選取一個點計算與其距離小于0.3的其他采樣點的個數，距離計算為：

如果個數大于某一門限，則作為第一個聚類中心，選取第2個點計算與其距離小于0.3的其他采樣點的個數，如果與已經確定的聚類中心距離小于0.3，則歸屬于對應的聚類中心[12]，如果與已經確定的聚類中心距離大于0.3且周邊采樣點距離小于0.3的采樣點個數大于某一門限，則設定為下一個聚類中心，2個聚類中心(c1,d1)和(c2,d2)，選取2個聚類中心連線與橫軸的交角即為殘余的碼相位：

利用下式完成殘余碼相位的剝離：

式中，I(n)和Q(n)為去除旋轉相位前的復信號的實部和虛部；I(n)和Q(n)為去除旋轉相位后的復信號的實部和虛部，完成對數據的旋轉相位的去除后，最后利用信噪比狀況好的場景下的方法完成對數據的判決。

3 異頻點授權信號解擴方法

異頻點授權信號是指某一頻點的授權信號完全不包含任何的民用公開信號，無法按照上述的方法完成同頻點的公開信號的處理輔助完成解擴，但是在該顆導航衛星上存在同時發送且碼片起始時刻一致的其他頻點民用公開信號[13]，此時可以利用相應處理方法完成對異頻點授權信號的解擴，這種信號的典型案例是GALIELO系統的E6頻點信號，E6頻點信號包括E6A，E6B，E6C信號[14]，其中E6B，E6C同頻點同相位[15]，可以整體上作為一個授權信號進行處理，E6A采用BOC(15，2.5)調制方式，與E6B，E6C信號中心頻率相同，頻帶分布在1 278.75±5.115 MHz的頻帶范圍內[16]，根據同頻點異頻帶授權信號解擴方法，只要能夠完成E6B+E6C的解擴和跟蹤，就可以完成E6A的解擴，下面介紹異頻點授權信號的解擴方法。

異頻點授權信號的解擴思路是利用其他頻點的公開信號完成捕獲跟蹤，利用相應的多普勒測量結果計算其他頻點多普勒結果[17]，并計算對應頻點與跟蹤的公開信號頻點的電離層延遲誤差，從而完成異頻授權信號的獲取與判決，最終得到異頻授權信號碼流的解擴[18]，基本的處理算法流程如圖3所示。

圖3 異頻點授權信號解擴算法

利用高增益天線完成相應衛星的對準跟蹤后，選取該衛星另一頻點的公開信號進行捕獲跟蹤，在跟蹤穩定后，計算對應頻點的多普勒大小，并在對應頻點的射頻前端處接收并剝離相應頻點的授權信號的載波多普勒[19]，并完成本地民用接收信號向對應授權信號頻點進行變頻，變頻的計算方法如下：

S1(n)=S0(n)·e-j·2π·(f2+fd2-f1-fd1)n，

式中，S1(n)為民用信號頻點經過信號發射帶寬濾波后得到的原始信號；f2為授權信號所在頻點；fd2為授權信號的多普勒值，利用多普勒的計算公式完成計算；f1為民用信號所在頻點；fd1為公開信號的多普勒值，利用接收機的跟蹤環路跟蹤得到[20]。

然后進行相應的濾波處理后，計算相應授權信號頻點與公開信號頻點的電離層延遲差值，從而完成信號碼片起始位置的修正[21]，最后完成對零中頻信號的判決，判決原理與前文所述一致，最終得到異頻授權信號的偽碼碼流。

4 仿真與驗證

針對口徑為15 m的高增益定向天線采集的GPS，GALILEO，GLONASS信號進行接收分析，利用上述方法[22-23]，完成了針對GPS系統L1M，L2M，L1P(Y)，L2P(Y)信號，GALILEO系統E1A，E6B+E6C，E6A信號以及GLONASS系統的L1P，L2P信號的碼流的解擴與接收。不同的授權信號頻點使用的方法如表1所示。

表1 不同頻點的授權碼流解擴方式

解擴得到的碼流與信號相關得到的相關峰與理想仿真相關峰比較圖如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 GPS系統授權信號解擴測試結果

圖5 GALILEO系統授權信號解擴測試結果

通過對各授權信號的接收結果分析，可以充分驗證提出的高增益授權信號解擴的方法是可行的。利用提出的方法，可以在信噪比大于15 dB的高增益接收場景下達到GNSS授權碼可靠判決接收，利用相應仿真數據進行驗證，信噪比為15 dB的接收場景，授權碼判決誤碼率為1×10-5，在某些大天線接收場景下，完全可以完成對GNSS授權信號的跟蹤接收，并播發相應的授權信號觀測量信息，用戶接收機利用民用信號的電文信息和授權信號的測距信息完成對位置的解算。

圖6 GLONASS系統授權信號解擴測試結果

5 結束語

通過對GPS，GALILEO，GLONASS系統不同調制方式的授權信號進行分析，針對不同授權信號提出相應的高增益解擴方法，并經過實際工程的充分驗證，得出提出的方法可以完成相應授權碼流的解擴輸出。未來可以考慮在相應大口徑地面站采取相應授權信號解擴技術，獲取授權碼信號測距結果，并向周邊用戶提供相應公開信號的測距修正結果，從而提升GNSS系統的服務性能。