“北斗一号”卫星信标不同通道信号互扰分析和解决方法✴

曲江华，袁洪，张力

“北斗一号”卫星信标不同通道信号互扰分析和解决方法✴

曲江华1，袁洪1，张力2

（1.中国科学院光电研究院，北京100094；2.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094）

分析了“北斗一号”信号强弱信号码自干扰对弱信号捕获所构成的影响，并将在GPS中行之有效的一种连续干扰取消（SIC）方法应用于“北斗”。模拟及实测结果表明：强弱信号强度相差高于15 dB时，“北斗一号”信号码自干扰已经不可忽视；当强弱信号强度相差超过一定程度，弱信号会陷于完全的失捕或是误捕。采用SIC方法通过去除强信号解除码自干扰影响，使强信号下弱信号捕获得以实现且效果明显。

“北斗一号”；正交干扰；软件接收机；连续干扰取消

1 引言

正常情况下，卫星导航信号信噪比C／N0约为45 dB-Hz左右。当用户终端处于一些特殊环境中，比如在停车场、建筑室内及楼群间或是郊外峡谷、森林中及边远地区，接收信号相对减弱，对接收机灵敏度要求提高。在不考虑恶意干扰和不同通道信号码正交干扰情况下，非相干累积方法能有效提高增益捕获到弱信号（至少27 dB-Hz）。但通常情况是不同通道信号有强有弱，因受强弱信号互相关引起的码自干扰影响，这种强信号下的弱信号很难捕获，常陷于误捕甚至是完全失捕。“北斗一号”信号定位一般只要求用户端能够捕获和跟踪到一颗卫星信号，因此上述问题一般不考虑。但是如果要利用“北斗一号”卫星信标进行无源定位，或利用不同通道信号时差进行有源定位，在这些场合下就要求用户终端捕获到2个或2个以上通道的信号。这时关于码自干扰问题的研究和解决就有潜在的重要地位。

本文首先针对“北斗”强信号下弱信号捕获情况，具体分析了Kasami码自干扰对弱信号捕获所构成的影响。然后将在GPS中行之有效的连续干扰取消（Successive Interference Cancellation，SIC）［1］法用于“北斗”以解决强信号下弱信号捕获问题，并利用实测和模拟数据进行了测试验证。

2 “北斗”Kasami码自干扰分析

“北斗”卫星导航系统信号扩频序列采用几对优选的255位Kasami序列小集码［2］，不同码序列间互相关值虽小但不为零，因而存在码正交自干扰现象。

2.1 等强度信号码自干扰影响分析

不考虑噪声影响，信号码自干扰与自相关峰值增益相差（单位：dB）为

式中，⊗表示相关计算，K1、K2表示不同通道Kasami码，d1、d2表示调制数据。

图1描述了“北斗”系统不同通道Kasami码间互相关特性，为方便比较分析同时给出GPS系统中C／A码自干扰情况。其中，图（a）、（c）表示“北斗”Kasami码互相关性质，（b）、（d）表示GPS C／A码互相关性质，（a）、（b）是不加有数据调制下情况，考虑到导航信号结构是在扩频码调制基础上进一步调制数据码，因此图（c）、（d）描述了跳变数据调制下的码自干扰情况。

图1 说明：在相邻调制数据不变的情况下，两种码自干扰程度相当；如果相邻调制数据变换，“北斗”Kasami码的自干扰程度比GPS C／A码严重。此外，GPS相邻两个码间出现数据调制变换的几率很小（小于1／20），而“北斗”出现的机率很大（约1／2），可见，“北斗”信号Kasami码自干扰影响远强于GPS C／A码信号。尽管如此，通常信号强度可比情况下，Kasami码自干扰对信号捕获是不构成明显影响的（至少低14.7 dB），但是，在接收信号有强有弱时，码自干扰对弱信号影响会增强。

2.2 强弱信号共存下码自干扰影响分析

假设接收到的“北斗”信号y包含强信号s和弱信号w，外加噪声n：

忽略载波调制影响，

式中，aS、aW、KS、KW∈［+1，-1］分别表示强弱信号的幅度和对应Kasami码，dS、dW∈［+1，-1］表示调制数据。强弱信号功率相差

捕获过程基于如下相关计算：

比较KW⊗s和KW⊗w部分的功率，设前者造成的自干扰噪声最大功率为PN，后者最大自相关峰值功率为P′W，如果PN高于P′W，捕获结果便会错误地锁定互相关峰处。

计算处理后弱信号自相关峰值功率P′W和强弱信号互相关噪声最大功率PN比值：

根据图1，rmax取值在-24.6 dB到-14.7 dB之间。式（6）表明：

（1）若保证信号能够捕获到，至少r′＞0，当强弱信号功率相差14.7 dB时，就有可能错误锁定互相关峰处而导致误捕或失捕；若导航数据调制不变，自干扰影响变小，当强弱信号功率相差24.6 dB时会促成类似情况；

（2）另外，捕获需要达到一定的探测率Pd和虚警率Pfa，根据雷达定理，一个接收机要达到Pd＞

90%和Pfa＜10-7需要足够的处理增益使处理后信号信噪比达到或高于14 dB，即至少r′＞14 dB，这样当Ps-Pw＞0.7 dB时就有可能影响弱信号捕获达到指定的探测率和虚警率。

3 Kasami码自干扰问题的解决

3.1 SIC解决方法

在GPS中为解决强信号下弱信号捕获中C／A码自干扰影响问题，Y.T.Jade Morton采用了连续干扰取消，即SIC解决方法。SIC技术最初来源于CDMA通信系统，是指从最高电平信号开始，一个个地将强信号去除然后捕获弱信号。Pennina Axelrad曾将SIC方法用于解决伪GPS远近（near-far）问题［3］。SIC算法结构见图2。

图2中，y（t）表示接收信号，＾s1（t）表示重构的强信号，＾w1（t）表示去除强信号后的弱信号，＾w2（t）表示捕获跟踪后的弱信号输出。具体按常规方法捕获和跟踪强信号过程这里不加以详述，着重介绍强信号重构及接下来的弱信号捕获算法。

（1）强信号重构

强信号重构方法通常有两种，一种是投影方法［3］，另一种是直接重构法［4］。一般情况下，投影方法效果优于直接重构法，但是当强弱信号多普勒频变比较相近的时候效果不是很好。本文采用直接重构法。

当跟踪到fd、θ、τ这3个参量后，通过这3个参数重建强信号。

式中，fc指被采样信号的中心频率，t是采样时间。再估计强信号幅度：

然后可以将强信号直接从接收信号中减去，得到净弱信号［3］：

信号幅度需要每码周期重新求一次。需要注意一点是，重构的强信号一定要准确，否则会变成噪声，更加难于捕获。所以强信号重构还是很有挑战性的工作。

（2）弱信号捕获

弱信号捕获采用频域非相干累积法，通常不考虑任何干扰情况下，通过延长捕获数据段L的长度，该方法可容易捕获到低于天线正常接收信号20 dB的弱信号。

3.2 模拟和实际测试结果

首先通过实际“北斗”采样数据，验证信号接收中遇到的自干扰影响情况，接着通过模拟数据，具体分析和测试自干扰在强信号下弱信号捕获中的影响以及采用上述SIC方法的捕获效果。

3.2.1 实际接收数据测试

利用我们建立的“北斗一号”软件接收硬件系统采集的实际“北斗”卫星信标数据，为研究强信号下弱信号捕获时Kasami码自干扰影响，如图3所示，将天线放于窗台左边，接收西边信号（3、4、5、6通道信号均很强），因为窗边部分墙壁阻挡，东边信号接收受阻（1、2通道信号很弱，难于接收）。分别通过常规和SIC方法捕获弱信号，结果如图4～6所示。

如图4所示，对于1通道信号，按照常规非相关累积方法捕获时，在采用短周期段数据（比如L=

100）时，出现互相关峰值超过自相关峰值情况，延长捕获数据长度，当L=2 500时自相关峰值才稍有突起，但效果不明显。

如图5所示，对于2通道信号，按照常规非相关累计捕获方法，通过延长捕获数据长度，当L=500时自相关峰值已明显超过互相关峰值实现捕获，但是在采用短周期段数据（比如L=5）捕获时，也出现过互相关峰值超过自相关峰值情况。

采用SIC方法，首先去除3、4、5、6路通道信号影响，然后再通过非相干累计方法捕获1、2通道弱信号，如图6所示，在L=500时明显捕获到1通道信号，在L=5时捕获到2通道信号，效果显著。

3.2.2 模拟数据测试

由前面分析，“北斗一号”信号的Kasami码在跳变数据调制下自干扰更强，但目前“北斗”所调制的导航数据电文除帧标志和分帧号外基本为空，这种强干扰情况不多。另外，实际接收“北斗”数据不便于研究自干扰强度与信号信噪比关系，所以我们模拟不同信噪比的“北斗一号”数据就将来的导航电文排满状况作假设来判断。

公式（10）表示模拟已完成下变频后并经过20 MHz采样的中频采样数据：

式中，i=1、2表示强弱两种信号，a表示信号幅度，D表示导航数据，Ka表示Kasami码，τ、θ分别表示延迟时间和载波初相位，n指高斯白噪声。这里导航数据除帧标志和分帧号外随机选取，强信号取50 dBHz。

弱信号捕获方法采用频域非相干累积法。为描述捕获成功与否，引进一参量r=Ampmax／Ampnext-max。根据定义，r是一个大于1的值，然而如果r比较小，比如说1.1，就意味着一个错误捕获或者可能捕获出错。同样，如果r比较大，意味着码初始点找对的几率很大，但是也有可能是错的，所以我们再将捕获结果与实际数据参考，看正确与否。结果如图7～11所示。

如图7所示，当弱信号低于强信号15 dB时，Kasami码自干扰对弱信号捕获已经有可观的影响，但是通过延长非相关累积长度L还是能捕获到。

如图8所示，当弱信号低于强信号17 dB时已难判断是否捕获，适当延长捕获数据段自相关峰才明显突起出来，采用SIC方法在短周期内可明显捕获。

如图9所示，当弱信号低于强信号18 dB时，L较小时出现自相关峰与正交峰几乎持平情况，继续延长数据段L自相关峰稍突起出来，这时取SIC法比较可取。

如图10所示，当弱信号低于强信号19 dB时已出现误捕，这时很有必要采用SIC方法。

如图11所示，当弱信号低于强信号20 dB时，即使采用L=3 200自相关峰依然低于正交峰，这时只能采取SIC方法。

4 结论

本文讨论了强弱信号共存下“北斗”信号Kasami码自干扰对弱信号捕获的影响，以及SIC方法的采用在强信号下弱信号捕获中的效果。结果表明，跳变数据调制下“北斗”信号Kasami码自干扰增强，不利于强信号下弱信号捕获，当强弱信号功率相差高于15 dB时，Kasami码自干扰影响已明显；随功率差值进一步增大，强弱信号的Kasami码自干扰会超过弱信号自相关最大增益。这种情况下，通过增加捕获数据长度方法实现捕获可以减少错误捕获的几率，但是也增加了漏探的机会，甚至陷于完全的失捕或是误捕；采用SIC法，虽然过程复杂，需要重构强信号，而且要保证信号重构准确，但是效果很好，捕获精度提高，低于正常接收20 dB的信号容易捕获到。

［1］Morton Y T J，Tsui J B Y.Assessment and Handling of CA Code Self-interference during Weak GPS Signal Acquisition［C］／／Proceedings of 2003 ION GPS.Portland，OR：ION，2003：646-653.

［2］范梅梅，廖东平，丁小峰.基于北斗卫星信号的无源雷达可行性研究［J］.信号处理，2010，26（4）：631-636.

FAN Mei-mei，LIAO Dong-ping，DING Xiao-feng.Feasibility Research of Passive Radar Based on Beidou Navigation and Position System［J］.Signal Processing，2010，26（4）：631-636.（in Chinese）

［3］Axelrad P.Application of Successive Interference Cancellation to the GPS Pseudolite Near-Far Problem［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2003，39（2）：481-488.

［4］Psiaki M L.Block Acquisition of weak GPS Signals in a Software Receiver［C］／／Proceedings of 2001 ION GPS.Salt Lake City，Utah：ION，2001：1-13.

QU Jiang-hua was born in Shenyang，Liaoning Province，in 1978.She received the M.S.degree from Chinese Academy of Sciences in 2005.She is now an engineer.Her research concerns DGNSS and GNSS baseband signal processing.

Email：jianghua＠aoe.ac.cn

袁洪（1968—），男，江苏南通人，研究员，主要研究方向为电离层电波传播、信号接收处理方法等；

YUAN Hong was born in Nantong，Jiangsu Province，in 1968. He is now a researcher.His research concerns ionospheric radio propagation and GNSS signal processing.

Email：yuanh＠vip.163.com

张力（1973—），男，云南昆明人，2005年于中科院获硕士学位，现为高级工程师，主要研究方向为软件无线电技术。

ZHANG Li was born in Kunming，Yunnan Province，in 1973.He received the M.S.degree from Chinese Academy of Sciences in 2005. He is now a senior engineer.His research direction is software radio.

Email：zhangli＠csu.ac.cm

Mutual Coupling Effects Analysis and Solution of Different Channel COMPASS-1 Signals

QU Jiang-hua1，YUAN Hong1，ZHANG Li2
（1.Academy of Opto-electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；2.Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

This paper presents an analysis of Kasami code cross-correlations，and its impact on the acquisition of weak signals when coexisting with strong signals.A SIC（Successive Interference Cancellation）method is introduced to mitigate the interference to allow successful acquisition of the weak signals.Test result shows that cross-correlation effect cannot be ignored when strong signals are 15dB higher than the weak signals.The higher cross-correlation may result in complete loss or false acquisition of weak signals.Using SIC method，the weak COMPASS-1 signals can be captured successfully.

COMPASS-1；cross-correlation；software receiver；successive interference cancellation

The National Natural Science Foundation of China（No.41204031）

TN967

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.09.012

曲江华（1978—），女，辽宁沈阳人，2005年于中国科学院获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为卫星导航差分定位及卫星信号基带处理技术；

1001-893X（2012）09-1474-06

2012-03-12；

2012-05-18

国家自然科学基金资助项目（41204031）