GPS/BD伪卫星脉冲信号捕获特性分析

张 衡，甘兴利，祝瑞辉，李雅宁

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

GPS/BD伪卫星脉冲信号捕获特性分析

张 衡1,2，甘兴利1,2，祝瑞辉1,2，李雅宁1,2

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

脉冲图案设计是当前解决伪卫星远近效应的有效方式。针对当前伪卫星信号捕获不易的问题，在GPS/BD双系统伪卫星平台的基础上，对伪卫星脉冲信号的捕获性能从脉冲信号伪卫星间和伪卫星对接收机的影响进行仿真分析。仿真结果表明，伪卫星信号占空比和是影响卫星信号接收的主要原因，伪卫星间的干扰主要与跟踪环路被激励和部分自相关偏差有关。

脉冲；捕获；伪卫星；远近效应

0 引言

伪卫星在设计过程中存在远近效应的问题[1-2]，分析发现主要由于伪卫星布设在地面或飞机等近地目标上，即与GNSS导航系统相比，伪卫星与接收机之间相距很近，当二者距离发生相对变化时，信号强度会发生剧烈的变化[3]。脉冲调制被认为是一种减少远近效应影响的有效方式[4-5]。然而在设计过程中，伪卫星的脉冲图案的好坏直接影响到伪卫星的性能[[6-7]，有可能会对周围的卫星信号甚至临近的伪卫星信号形成干扰，导致用户接收机捕获受到影响[8]。

当前，在伪卫星脉冲图案设计方面，国外研究相对比较早且技术分析系统深入。其中Cobb等[9]从对卫星信号影响的角度分析了伪卫星占空比与卫星信干比之间的影响关系[10-11]，LeMaster从伪卫星间影响的角度分析了卫星数目、占空比与伪卫星信干比的关系。国内研究相对较少，主要集中在远近效应克服分析方面，在脉冲图案研究方面主要以叶红军[12]、李涛护[13]、周必磊[14-15]等人对伽利略的脉冲图案的设计进行了详细的分析。

本文以基于Matlab的GPS/BD双频伪卫星系统为平台，对伪卫星信号之间的干扰和伪卫星信号对卫星信号的捕获干扰进行分析。

1 脉冲图案设计

脉冲图案设计首先考虑伪卫星信号和GNSS卫星信号间的影响关系。通常考虑GNSS卫星信号受到干扰时，可以根据卫星信号的信干比大小进行分析。由Cobb[9]给出的计算伪卫星占空比的信干比公式为：

(1)

(2)

(3)

由上式发现，伪卫星信号对GNSS信号的影响与伪卫星的功率和占空比有关。当d一定时，随着伪卫星功率的增强，卫星信号的信干比逐渐减小，当信干比减小到卫星的临界值时，卫星将不能进行正常的捕获跟踪。当伪卫星功率一定时，d越高，卫星的信干比越小。由此在确定伪卫星的最大占空比时，需要充分考虑这一点。

其次伪卫星信号彼此之间也会产生一定的干扰衰弱。由LeMaster给出的公式：

(4)

因此在设计脉冲图案设计时参考RTCMSC-104委员会推荐的一种伪卫星脉冲方式的设计。该设计可以保证接收机硬件在做最小更改的前提下同时接收卫星和伪卫星信号。方案中每个脉冲持续1/11ms时间，即每个脉冲发送93个码片，每ms发送一个脉冲。但是每次到第10个脉冲时，将同时发送第10个和第11个两个脉冲，以此保证脉冲的平均占空比为10%。在每个周期之间，脉冲位置在11个可能的时隙上变化，同时在每个数据比特之间11个脉冲位置也在变化。这样所有可能的脉冲位置在200ms内完成一次循环，以此尽可能地消除重叠的影响。

设计过程中，伪卫星GPS信号采用32～36号扩频码进行分析。北斗脉冲图案采用与GPS伪卫星信号相似的结构，每个时隙186bit，分为11个时隙，为了保证伪卫星在同时发射GPS和北斗信号时不会相互干扰，因此确定如表1所示的时隙发射关系。

表1 伪卫星系统信号分配与时隙位置

根据表1的时隙，在图1中给出了具体的脉冲图案，下面将针对该脉冲图案的性能进行分析。

图1 GPS/BD脉冲图案

2 脉冲信号捕获分析

2.1 伪卫星间信号捕获分析

为了有效补偿脉冲形式带来的能量损失，伪卫星信号在发射时，功率一般很强。由于伪卫星在设计时结构与卫星相似，所以正常情况下，卫星接收机可以捕获跟踪伪卫星，但是实验测试时发现，当存在多颗伪卫星时，泰斗、skytrap等多款卫星接收机会出现难以同时捕到所有的伪卫星、伪卫星数据跳动太大等现象，为了有效验证在捕获时信号间的干扰问题，现针对多颗伪卫星时的捕获特征进行仿真分析。伪卫星双系统的时隙分布如表1所示。

由图2中伪卫星PL01和PL04的捕获结果为例，当采用卫星接收机进行捕获时，GPS32出现5个主峰，且其余的旁瓣峰值错落交织，接收机在捕获时很难确定正确的码相位和频率位置，从而导致接收机误判或接收不稳定，严重影响接收机后续的跟踪和时间的计算；在GPS35中尽管相对GPS33峰值较好，但相关峰值仍然有2个主峰且存在峰值展宽的现象，这样的现象同样会影响接收机码捕获相位位置的确定；同时关于北斗33和北斗36，由图2可见，存在于GPS相似的情况，如BD33由于多颗伪卫星信号的存在，当外界干扰严重时，接收机可能很难完成捕获。

图2 PL01/PL04双系统捕获结果

2.2 脉冲信号对GPS/BD卫星信号捕获分析

在图3中以GPS01号星的捕获结果为例，给出了当不存在伪卫星和存在伪卫星数分别为1、3、5时的信号捕获结果。

图3 伪卫星数目与卫星信号捕获关系

在一些特定环境中，伪卫星信号可以有效地扩展GNSS系统的定位能力，但是伪卫星也可能会对卫星接收机产生严重的干扰，导致接收机无法正常进行信号解算。此处共选用11颗星进行仿真，其中卫星信号选用GPS 1号星，伪卫星选用PL01～PL05时隙分布如上述表1脉冲图案设置所示。

由图3可得，当伪卫星数目为1、3时，GPS01信号可以正常捕获，但与不存在伪卫星的情况相比，GPS01信号的相关性随着伪卫星数目的增多逐渐减小。当伪卫星的数量为5时，GPS01卫星信号完成被干扰，很难判断哪个是正确的相关峰，不能正常被接收机使用。

随着伪卫星数目变化GPS01捕获的相关主次峰的关系图如图4所示。由图4可得，随着伪卫星数目的增多，卫星接收机对GPS01号星捕获的主次峰值逐渐增大，伪卫星信号的增多可以有效地减少次峰的影响。在图4中可见，随着伪卫星数目的增多，卫星捕获峰值逐渐减少，当伪卫星的占空比和达到100%时，卫星信号被完全干扰，无法正常进行捕获。因此，在一定区域布设伪卫星时可以考虑使所有伪卫星的占空比之和小于100%，这样可以有效避免某些位置因占空比和为100%而产生的对正常卫星的干扰。

图4 GPS01捕获结果主次峰值比

2.3 仿真结论

通过上述捕获特性的仿真分析，主要得出以下几点结论：

① 相关函数中主瓣和副瓣峰值的关系比采用连续信号差很多[16-17]。当接收机的积分时间很短时，这一影响非常大，即对高数据率非常关键。当无数据或仅有低数据率时，影响减弱。

② 相关性函数的多个副瓣包括具备不同相关性级别的许多峰值，表明接收机跟踪环路一定程度上“被激励”(不像采用连续信号时那么稳定)。

③ 脉冲与接收机内产生的连续参考信号的部分自相关导致不对称自相关曲线的出现。这又进一步导致编码测量的偏差，这些偏差在高不对称时最差，导致积分间隔短。

3 结束语

对GPS/BD双模伪卫星脉冲图案设计原理进行了详细介绍，从伪卫星信号间和伪卫星对卫星信号两方面对脉冲信号的捕获特性进行仿真分析。实验得出调整占空比和与跟踪环路被激励的问题可以有效解决当前伪卫星信号捕获困难的问题。该问题的仿真分析对于进一步研究伪卫星技术室内定位具有重要意义。在后续的工作中，将以此为出发点，设计更优的脉冲图案和跟踪环路，从而实现伪卫星信号的鲁棒、连续可用性。

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张 衡 男，(1988—)，硕士研究生。主要研究方向：卫星导航。

甘兴利 男，(1981—)，博士，高级工程师。主要研究方向：卫星导航。

Analysis on Characteristics of GPS/BD Pseudolite Pulse Signal Acquisition

ZHANG Heng1,2,GAN Xing-li1,2,ZHU Rui-hui1,2,LI Ya-ning1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The pulse pattern design is an effective way to solve the current pseudolite near-far effect.The current pseudolite signal is not captured easily.In view of this problem,this paper simulates and analyzes the influence among pseudolites pulse signals as well as between pseudolites and receivers based on GPS/BD dual system pseudo-satellite platform.The simulation results show that the main reason of influencing satellite signals receiving is the pseudolite signal duty ratio,and the interference among pseudolites is related to tracking loop incentived and partial autocorrelation bias.

pulse;capture;pseudolite;near-far effect

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.03

张 衡,甘兴利,祝瑞辉,等.GPS/BD伪卫星脉冲信号捕获特性分析[J].无线电工程,2016,46(11):9-12，16.

2016-08-10

国家重点研发计划基金资助项目(2016YFB0502101)。

TP391.4

A

1003-3106(2016)11-0009-04