基于认知无线电技术的导航定位系统设计

赵亮，周兵

（1中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2北京环球信息应用开发中心，北京 100094）

0 引言

目前，不同种类导航定位设备通过接收全球卫星导航定位系统（GNSS）（如：美国GPS系统、欧洲Galileo系统、俄罗斯GLONASS系统以及中国的北斗系统），能够为不同用户提供所需的室内、外导航、定位服务。但是，传统的导航定位设备也面临一些问题，一方面，导航定位接收机，尤其是多模接收机，由于要处理不同系统不同频点不同体制的信号，接收结构通常比较复杂；另一方面，由于空间无线电信号种类繁多，容易对导航信号产生干扰，影响接收机的定位精度。

认知无线电（Cognitive Ratio,CR）[1]技术是一种具有频谱感知和智能决策能力的软件无线电。认知无线电的核心思想是指无线终端能够依靠人工智能的支持，使其具备对周围环境进行动态监测和认知的能力。采用认知无线电技术的导航定位系统，即为认知导航定位系统，它能够动态感知外界无线电环境，对不同调制类型的导航信号进行“智能”识别，选择期望的信号进行处理，从而为各用户平台提供优质的导航、定位服务。

文献2-3分析了认知无线电技术在卫星导航系统中的应用前景，文献4对认知导航系统的关键技术进行了简要分析。本文综合分析了传统导航定位系统的接收机构，阐述了基于认知无线电技术进行导航信号“智能”识别的理论基础，以此为基础描述了认知导航定位系统的架构。

1 传统导航定位系统

图1给出了传统导航定位系统的接收结构。如图所示，接收系统可以处理来自不同卫星导航系统、不同频点、不同类型的导航信号，接收信号按照频点进行分类接收，例如：GPS L1信号和Galileo E1信号的频点都是1575.42MHz，可以归为一类，使用同一个射频前端进行接收。接收信号混频到中频、A/D采样后，进行基带多通道数据处理。基带数据处理是按照可能接收的卫星个数对接收信号进行多通道并行捕获、跟踪处理。通常来讲，如果可视卫星数量有限，则使用有限的接收信号进行位置、速度、时间（PVT）估计；如果可视卫星数量较多，则首先进行选星处理（选择几何布局好的卫星星座，即GDOP因子小），而后进行PVT估计。

图1 传统导航定位系统接收结构

2 基于循环平稳特征检测的BOC信号认知技术

2.1 BOC信号模型

BOC(m,n)调制信号扩频码速率和副载波频率分别为fc和fs，二者均为基准频率f0=1.023MHz的整数倍，即fs=mf0，fc=nf0。BOC信号数学表达式为：

式中，｛cl｝是扩频码，k=2m/n为BOC信号调制阶数，为符号化正弦或余弦方波，Tsb=Tc/k为副载波半周期，Tc=1/fc。

2.2 BOC信号循环平稳特性

自从Gardner博士提出了信号循环平稳特征的相关理论[5]之后，这一理论在信号处理领域得到了广泛的研究与应用。谱相关理论表明，循环平稳信号的本质特征为循环谱（谱相关）特性，即将信号瞬时谱在频域上距离中心频率分别上下搬移一定值后得到的两个信号谱具有相关性，这种特殊的谱相关特性称为谱冗余，这是一般平稳信号谱所没有的。

BOC调制信号与普通的直扩信号一样具有循环平稳特性，但由于副载波的作用，导致BOC信号的循环平稳特性具有一定的独特性，在噪声环境下通过提取这些特性，就可以实现对BOC信号的认知。

平稳信号的循环自相关函数定义为：

式中，α为循环频率，〈·〉表示时间平均运算。信号传统自相关Rxx(τ)可以看成是循环自相关在α= 0时的特例，即。

和信号传统自相关类似，循环平稳信号的循环谱（谱相关）定义为其循环自相关的傅立叶变换，即：

分析基带BOC信号，可以发现其与脉冲幅度调制（PAM）信号类似[6]，其中为矩形脉冲，T是脉冲宽度。

PAM信号的循环谱为：

式中，k取整数，Sa(f)为PAM信号中序列｛an｝的谱函数。

对于BOC信号，序列｛cl｝是取值为｛±1｝的独立同分布的伪随机序列，于是，Sc(f)=1。BOC信号的循环谱可以表示为：

由于不同类型的BOC信号具有不同的副载波，由式（5）可知，不同类型的BOC信号对应的φ(f)不同，导致循环谱存在差异。认知导航定位系统的本质就是接收端在噪声背景下，对特定信号的循环谱进行检测，实现对特定信号的捕获、跟踪，进而完成PVT估计。

3 认知导航定位系统架构

图2给出了认知导航定位系统的接收结构。对照图1的传统接收结构，可以发现，认知导航定位系统接收结构不是对所有频点的信号进行捕获、跟踪处理，在进行基带信号处理之前，先进行信号辨识或认知，即通过导航信号的循环平稳特性，对期望接收的信号进行类型筛选。这样，系统只对期望信号进行捕获、跟踪处理，降低了系统计算复杂度。

图2 认知导航定位系统接收结构

4 结论

为了充分利用BOC导航信号的循环平稳特性，简化传统卫星导航接收机的架构，降低计算复杂度，提升导航定位的性能。本文对基于信号循环谱感知的认知导航定位系统的架构进行了分析。在实际应用中，信号循环谱检测的精度和参与计算的数据长度有关，如何在噪声背景下，选取合适的数据长度对不同类型BOC调制信号的循环谱进行有效提取或感知，是实现认知导航定位系统需要注意的问题。

[1]杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电技术与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2010.

[2]Shivaramaiah N.C.and Dempster A.G..Cognitive GNSS Receiver Design:Concepts and Challenges [C].Proceedings of the 24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of navigation(ION GNSS 2011),Portland,OR,September 2011,2782-2789.

[3]刘庆军.认知无线电技术在卫星导航系统中的应用前景 [C].第三届卫星导航学术年会，广州，2012。

[4]张婷等.认知卫星导航系统及其关键技术分析 [J].北京电子科技学院学报，2010，18(4):42-46.

[5]Gardner W.A.,Napolitano A,Paura L.Cyclostationarity:Half a century of research[J].Signal Processing,2006,86(4):639–697.

[6]张天琪等.基于谱相关的BOC调制信号参数估计[J].华中科技大学学报，2013，41(9):11-16.