基于CBOC信號的導航接收機設計與實(shí)現

摘要：對BOC及其衍生信號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(shí)現和算法性能，選擇了多相關(guān)器結構的算法(S—curveshaping方法)，并根據此算法設計在原有接收機結構上進(jìn)行改進(jìn)，設計出了基于CBOC(6，1，1／11)接收機結構。最終時(shí)設計的接收機結構進(jìn)行了硬件上的實(shí)現，完成了原理樣機的制作。
關(guān)鍵詞：導航；CBOC；多相關(guān)器算法；接收機

近年來(lái)，隨著(zhù)美國的GPS系統在軍用和民用領(lǐng)域的成功應用，衛星導航系統受到了世界多個(gè)主要國家和組織的普遍關(guān)注。除了美國正在進(jìn)行的GPS現代化計劃以外，歐盟正在建設Galileo系統，俄羅斯正在對其GLONASS系統進(jìn)行恢復和現代化改進(jìn)，我國的北斗系統也在積極建設中。多個(gè)導航系統并存，一個(gè)首要的問(wèn)題是導航信號的兼容共存。在無(wú)線(xiàn)電頻率資源非常緊張的情況下，歐盟提出了新的信號結構BOC(Bina ry Offset Carrier)調制，通過(guò)改變信號的頻譜，達到與傳統導航的BPSK(Binary Phase Shift Keying)調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系統和Galileo系統共用民用信號體制達成協(xié)議，GES系統和Galileo系統將分別使用MBOC調制方式的兩種實(shí)現，其中Galileo系統將在E1頻點(diǎn)使用CBOC調制。
由于BOC信號的相關(guān)函數存在多個(gè)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(lái)人們提出了很多種適用于BOC信號體制的接收技術(shù)：文獻和文獻提出的BPSK—like(單邊帶)方法將BOC信號的頻譜簡(jiǎn)化成類(lèi)似BESK信號的形式后處理，該方法相對易于實(shí)現。文獻提出的bump-jump方法，文獻提出的ASPeCT方法占用的硬件資源都比較多，文獻提出的DE方法占用的硬件資源適中，也不會(huì )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(shí)現復雜，本文研究的多相關(guān)器算法嘲硬件資源雖然多，但是實(shí)現簡(jiǎn)單，理論清晰，可修正性和兼容性很好。但是國內對CBOC信號的研究還多處于理論分析階段，工程實(shí)現比較薄弱。由于CBOC信號是兩個(gè)BOC信號的時(shí)域疊加，筆者以Galileo系統擬采用的CBOC(6，1，1／11)信號著(zhù)手，分析CBOC的時(shí)域特性，自相關(guān)函數以及功率譜密度函數。通過(guò)分析多相關(guān)器的算法，在現有的導航接收機的基礎上完成CBOC導航接收機工程樣機的實(shí)現。

1 CBOC信號特性分析
1．1 CBOC信號生成仿真
CBOC(Composite BOC)通過(guò)PN碼相同、副載波不同的兩種BOC信號進(jìn)行加權求和實(shí)現。本文研究的是Galileo系統提出的CBOC(6，1，1／11)信號采用BOC(6，1)和BOC(1，1)兩種副載波加權實(shí)現，加權是對功率的分配。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(guò)這種加權之后，信號成為4電平信號。
CBOC信號表達式為：

采用Matlab仿真CBOC(6，1，1／11)信號如圖1所示。

接收機設計的一個(gè)關(guān)鍵就是在本地端復制一個(gè)和發(fā)射端匹配的信號，而根據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制信號的方式會(huì )極大的增加了接收機設計的復雜度和實(shí)現的難度，這就要求必須尋找其他的方法恢復信號。
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，BPSK信號的自相關(guān)函數只有一個(gè)峰值，采用典型的E—L相關(guān)器架構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(gè)副峰，這樣簡(jiǎn)單的采用BPSK的跟蹤算法容易錯鎖，因此影響取得的觀(guān)測量的值，進(jìn)而影響定位結果。CBOC信號的自相關(guān)函數和功率譜密度函數的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(gè)較大的副峰，且其與BOC(1，1)信號類(lèi)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)，因此可以根據射頻帶寬的大小選擇適合的接收算法。