基于CBOC信號(hào)的導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：對(duì)BOC及其衍生信號(hào)CBOC(6，1，1／11)的時(shí)域頻域特性進(jìn)行分析和在Matlab環(huán)境下進(jìn)行了仿真。根據(jù)仿真的信號(hào)特性，對(duì)已有的跟蹤算法進(jìn)行的分析和比較。基于工程實(shí)現(xiàn)和算法性能，選擇了多相關(guān)器結(jié)構(gòu)的算法(S—curveshaping方法)，并根據(jù)此算法設(shè)計(jì)在原有接收機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了基于CBOC(6，1，1／11)接收機(jī)結(jié)構(gòu)。最終時(shí)設(shè)計(jì)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了硬件上的實(shí)現(xiàn)，完成了原理樣機(jī)的制作。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)航；CBOC；多相關(guān)器算法；接收機(jī)

近年來(lái)，隨著美國(guó)的GPS系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域的成功應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)受到了世界多個(gè)主要國(guó)家和組織的普遍關(guān)注。除了美國(guó)正在進(jìn)行的GPS現(xiàn)代化計(jì)劃以外，歐盟正在建設(shè)Galileo系統(tǒng)，俄羅斯正在對(duì)其GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)和現(xiàn)代化改進(jìn)，我國(guó)的北斗系統(tǒng)也在積極建設(shè)中。多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)并存，一個(gè)首要的問(wèn)題是導(dǎo)航信號(hào)的兼容共存。在無(wú)線電頻率資源非常緊張的情況下，歐盟提出了新的信號(hào)結(jié)構(gòu)BOC(Bina ry Offset Carrier)調(diào)制，通過(guò)改變信號(hào)的頻譜，達(dá)到與傳統(tǒng)導(dǎo)航的BPSK(Binary Phase Shift Keying)調(diào)制信號(hào)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(guó)和歐盟就GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)共用民用信號(hào)體制達(dá)成協(xié)議，GES系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)將分別使用MBOC調(diào)制方式的兩種實(shí)現(xiàn)，其中Galileo系統(tǒng)將在E1頻點(diǎn)使用CBOC調(diào)制。
由于BOC信號(hào)的相關(guān)函數(shù)存在多個(gè)相關(guān)峰值，用于BPSK信號(hào)體制的接收方法不能直接用于接收BOC信號(hào)體制，近年來(lái)人們提出了很多種適用于BOC信號(hào)體制的接收技術(shù)：文獻(xiàn)和文獻(xiàn)提出的BPSK—like(單邊帶)方法將BOC信號(hào)的頻譜簡(jiǎn)化成類似BESK信號(hào)的形式后處理，該方法相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)提出的bump-jump方法，文獻(xiàn)提出的ASPeCT方法占用的硬件資源都比較多，文獻(xiàn)提出的DE方法占用的硬件資源適中，也不會(huì)損失接收機(jī)的靈敏度和測(cè)距精度等性能，但是增加副載波環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，本文研究的多相關(guān)器算法嘲硬件資源雖然多，但是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，理論清晰，可修正性和兼容性很好。但是國(guó)內(nèi)對(duì)CBOC信號(hào)的研究還多處于理論分析階段，工程實(shí)現(xiàn)比較薄弱。由于CBOC信號(hào)是兩個(gè)BOC信號(hào)的時(shí)域疊加，筆者以Galileo系統(tǒng)擬采用的CBOC(6，1，1／11)信號(hào)著手，分析CBOC的時(shí)域特性，自相關(guān)函數(shù)以及功率譜密度函數(shù)。通過(guò)分析多相關(guān)器的算法，在現(xiàn)有的導(dǎo)航接收機(jī)的基礎(chǔ)上完成CBOC導(dǎo)航接收機(jī)工程樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

1 CBOC信號(hào)特性分析
1．1 CBOC信號(hào)生成仿真
CBOC(Composite BOC)通過(guò)PN碼相同、副載波不同的兩種BOC信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和實(shí)現(xiàn)。本文研究的是Galileo系統(tǒng)提出的CBOC(6，1，1／11)信號(hào)采用BOC(6，1)和BOC(1，1)兩種副載波加權(quán)實(shí)現(xiàn)，加權(quán)是對(duì)功率的分配。BOC(1，1)信號(hào)所占的功率百分比為a，BOC(6，1)信號(hào)所占功率百分比為b。通過(guò)這種加權(quán)之后，信號(hào)成為4電平信號(hào)。
CBOC信號(hào)表達(dá)式為：

采用Matlab仿真CBOC(6，1，1／11)信號(hào)如圖1所示。

接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵就是在本地端復(fù)制一個(gè)和發(fā)射端匹配的信號(hào)，而根據(jù)Matlab的仿真分析可知，CBOC信號(hào)是四電平的信號(hào)，因此采用在接收端直接復(fù)制信號(hào)的方式會(huì)極大的增加了接收機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)的難度，這就要求必須尋找其他的方法恢復(fù)信號(hào)。
1．2 CBOC自相關(guān)和功率譜密度
信號(hào)的自相關(guān)特性是信號(hào)捕獲和跟蹤算法選擇的依據(jù)，BPSK信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)只有一個(gè)峰值，采用典型的E—L相關(guān)器架構(gòu)可以很容易的鎖住主峰，但是CBOC信號(hào)(如圖3所示)除了主峰以外還有兩個(gè)副峰，這樣簡(jiǎn)單的采用BPSK的跟蹤算法容易錯(cuò)鎖，因此影響取得的觀測(cè)量的值，進(jìn)而影響定位結(jié)果。CBOC信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)的Matlab仿真圖如圖2所示。

CBOC信號(hào)的自相關(guān)特性可以表示為：

由仿真分析可知，CBOC(6，1，1／11)存在兩個(gè)較大的副峰，且其與BOC(1，1)信號(hào)類似，因此在選擇跟蹤算法時(shí)可以仿照BOC的算法進(jìn)行改進(jìn)。在圖2中，BOC(1，1)和BOC(6，1)的頻率譜峰清晰可見(jiàn)，因此可以根據(jù)射頻帶寬的大小選擇適合的接收算法。