基于CBOC信號的導(dǎo)航接收機設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：對BOC及其衍生信號CBOC(6，1，1／11)的時域頻域特性進(jìn)行分析和在Matlab環(huán)境下進(jìn)行了仿真。根據(jù)仿真的信號特性，對已有的跟蹤算法進(jìn)行的分析和比較。基于工程實現(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)計在原有接收機結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計出了基于CBOC(6，1，1／11)接收機結(jié)構(gòu)。最終時設(shè)計的接收機結(jié)構(gòu)進(jìn)行了硬件上的實現(xiàn)，完成了原理樣機的制作。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)航；CBOC；多相關(guān)器算法；接收機

近年來，隨著美國的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)受到了世界多個主要國家和組織的普遍關(guān)注。除了美國正在進(jìn)行的GPS現(xiàn)代化計劃以外，歐盟正在建設(shè)Galileo系統(tǒng)，俄羅斯正在對其GLONASS系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)和現(xiàn)代化改進(jìn)，我國的北斗系統(tǒng)也在積極建設(shè)中。多個導(dǎo)航系統(tǒng)并存，一個首要的問題是導(dǎo)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(jié)構(gòu)BOC(Bina ry Offset Carrier)調(diào)制，通過改變信號的頻譜，達(dá)到與傳統(tǒng)導(dǎo)航的BPSK(Binary Phase Shift Keying)調(diào)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(tǒng)和Galileo系統(tǒng)共用民用信號體制達(dá)成協(xié)議，GES系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)將分別使用MBOC調(diào)制方式的兩種實現(xiàn)，其中Galileo系統(tǒng)將在E1頻點使用CBOC調(diào)制。
由于BOC信號的相關(guān)函數(shù)存在多個相關(guān)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(shù)：文獻(xiàn)和文獻(xiàn)提出的BPSK—like(單邊帶)方法將BOC信號的頻譜簡化成類似BESK信號的形式后處理，該方法相對易于實現(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(huán)路實現(xiàn)復(fù)雜，本文研究的多相關(guān)器算法嘲硬件資源雖然多，但是實現(xiàn)簡單，理論清晰，可修正性和兼容性很好。但是國內(nèi)對CBOC信號的研究還多處于理論分析階段，工程實現(xiàn)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(tǒng)擬采用的CBOC(6，1，1／11)信號著手，分析CBOC的時域特性，自相關(guān)函數(shù)以及功率譜密度函數(shù)。通過分析多相關(guān)器的算法，在現(xiàn)有的導(dǎo)航接收機的基礎(chǔ)上完成CBOC導(dǎo)航接收機工程樣機的實現(xiàn)。

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(jìn)行加權(quán)求和實現(xiàn)。本文研究的是Galileo系統(tǒng)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(quán)實現(xiàn)，加權(quán)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(quán)之后，信號成為4電平信號。
CBOC信號表達(dá)式為：

采用Matlab仿真CBOC(6，1，1／11)信號如圖1所示。

接收機設(shè)計的一個關(guān)鍵就是在本地端復(fù)制一個和發(fā)射端匹配的信號，而根據(jù)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(fù)制信號的方式會極大的增加了接收機設(shè)計的復(fù)雜度和實現(xiàn)的難度，這就要求必須尋找其他的方法恢復(fù)信號。
1．2 CBOC自相關(guān)和功率譜密度
信號的自相關(guān)特性是信號捕獲和跟蹤算法選擇的依據(jù)，BPSK信號的自相關(guān)函數(shù)只有一個峰值，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(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(jìn)而影響定位結(jié)果。CBOC信號的自相關(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(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，因此可以根據(jù)射頻帶寬的大小選擇適合的接收算法。