基于预检测通道的新体制GNSS信号捕获方法

盖世豪，刘应刚，孟海涛，杨文津

(1.中国人民解放军61711部队，新疆 喀什 844000；2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

基于预检测通道的新体制GNSS信号捕获方法

盖世豪1，刘应刚1，孟海涛1，杨文津2

(1.中国人民解放军61711部队，新疆 喀什 844000；2.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

以二进制偏置载波调制(Binary Offset Carrier，BOC)信号为主体的新体制全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)信号接收基带处理技术已成为未来卫星导航接收机设计的重要内容。针对该类信号由频谱主瓣分离特性与自相关函数多峰特性引发的信号捕获过程平均搜索时间长、捕获精度低的问题，将基于单边带的BPSK-like信号检测技术与传统联合边带信号检测技术相结合，提出一种适用于工程设计的基于预检测通道的双通道捕获方法，给出了该方法的设计思想与运行原理，从检测概率与平均捕获时间两方面对该方法进行了使用性能分析。并通过硬件接收机测试平台对该方法进行测试，证明了所提方法的有效性。

全球卫星导航系统；捕获；二进制偏置载波调制；BPSK-like；联合边带

0 引言

GNSS信号捕获[1]过程即为扩频信号能量检测过程，常用方法可分为时域串行搜索和频域并行搜索2类。对于导航新体制信号中的BOC类调制信号[2]而言，由于其特殊的频谱主瓣分离特性和自相关函数多峰特性，随着BOC信号调制阶数的增加，在运用传统相移键控(Phase Shift Keying，PSK)调制信号的捕获方式时会出现平均捕获时间过长或漏捕概率过高等问题。工程中通常使用的等效边带[3]处理法，将BOC信号分离的频谱进行单边带处理，该方法简化了捕获流程，却因自相关函数主峰判定模糊度问题导致捕获精度的降低[4]。

针对这一现状，本文提出了一种基于预检测通道的双通道捕获方式，利用预检测通道获取辅助性先验信息的思想，大幅缩小了传统联合边带捕获方法的搜索范围，着重解决调制阶数较高的BOC类信号捕获过程中码相位捕获精度与平均搜索时间之间的矛盾，优化了该类信号的基带处理性能[5]。

1 BOC类信号捕获性能

1.1 BOC类信号特性

BOC调制信号是通过导航电文信息、二值伪随机扩频码、方波副载波做异或运算后，与载波信号做混频运算得到的，可表示为：

(1)

式中，akμnTs(t)为nTs时长的脉冲信号；CTs(t)为以2Ts为周期的副载波信号；n表示一个扩频符号内存在副载波周期数目的2倍，若将基本BOC信号表示为BOC(fs，fc)，其中，fs和fc表示生成信号中副载波频率和扩频码速率的与基准频率(1.023 MHz)的比值，则n=2fs/fc，为BOC信号调制阶数。

二值副载波对信号生成的根本影响在于由等效载波混频导致的信号功率谱相对中心频点的频谱主瓣偏置式分离[6]，且偏置频率随着调制阶数的增加而增加。与此同时，受基带信号中副载波的影响，原本的扩频码自相关函数由正值单峰值转变为正负值交替的多峰值函数，且峰值数目为2n-1，即随着调制阶数n的增加，BOC信号自相关函数峰值数目也随之增加[7]。调制阶数n=14的高阶BOC信号功率谱分离现象和自相关函数多峰值现象如图1所示。

图1 高阶BOC信号功率谱和自相关函数特性

1.2 基带捕获特性

传统GNSS基带信号捕获策略可分为串行搜索与并行搜索两大类，该两种方法以不同的形式对导航信号中的解扩能量进行检测，应用到BOC类调制信号层面，由于该类信号频谱与自相关函数的特殊性，导致信号捕获过程存在下述两类问题：

① 对以串行策略为主的双边带联合类捕获法[8]，由于BOC信号自相关函数多过零点特性，为避免能量漏检，必须使码相位搜索步长Cstep满足：

Cstep≥2 046×(2n-1)，

(2)

式中，n为调制阶数。该特性致调制阶数较大时，BOC类信号使捕获过程平均搜索时间远大于PSK信号，并且随调制阶数上升大幅增加；

② 对以并行策略为主的等效单边带捕获法，虽然减少了平均捕获时间，却由于检测阈值难以精确设定，极易导致对高阶BOC信号的码相位估算值与其主峰所在位置的码相位值之间存在一定偏差，降低捕获精度。

由于码相位搜索步长过大问题或检测阈值错误设定问题引起的信号漏检或锁定偏差如图2所示。

图2 BOC信号捕获过程中的漏检与锁定偏差问题

2 基于预检测通道的双通道捕获法

2.1 基本原理与工作流程

为解决上述BOC信号基带捕获处理过程中平均搜索时间与捕获精度之间的矛盾，以短时间内解决伪码相位的精确检测为目的，本文在原有通用捕获策略的基础上提出一种基于预检测通道的双通道捕获方法。

该方法设置2个独立工作的捕获通道，由基于并行搜索的预检测通道快速生成辅助性先验信息，并运用该先验信息作为低搜索步长串行捕获通道的搜索范围输入条件，大幅减少串行捕获的码相位搜索历元数目，以减少整体捕获时间。该方法基本架构如图3所示。

图3 基于粗/精捕模块并行捕获法架构

基于预检测通道的双通道捕获运行过程中，并行预检测通道与串行捕获通道均独立开展工作，二者唯一联系在于串行捕获通道载波与伪码搜索范围由实时上报的并行预检测通道多普勒估计值与码相位估计值决定。整个双通道基带捕获模块运行流程如下：

① 经过数字采样与的中频GNSS信号同步输入至2个捕获通道，并行预检测通道单边带在载波NCO的驱动下，通过BPSK-like的方式对BOC信号的单个边带进行数字混频处理，并在数据补偿平均的基础上对数据进行分段FFT处理；

② 与此同时，对本地生成的扩频码进行分段FFT处理，并与上一步中经FFT处理后的采样信号进行共轭相乘运算和IFFT运算，完成数据重构后，进行解扩能量值判定；

③ 若并行预检测通道解扩能量值高于判定门限，则认为信号预检测成功，将本地多普勒估计值与码相位估计值作为先验信息输出至串行捕获通道，反之则改变载波NCO输出，继续上述判定过程；

④ 串行捕获通道通过联合边带的方式对BOC信号的上下双边带进行数字混频处理，并根据上报的多普勒估计值与码相位估计值调整本地载波与伪码的生成状态，通过相关运算与Tang氏累计时间判别[8]的方式完成能量检测，同时，为避免峰值错锁，采用自相关峰值包络检测的方式对信号检测结果进行判定；

⑤ 检测结果经自相关峰包络检测鉴定无误后，串行捕获通道根据当前载波与伪码状态将导航信号的多普勒测量值与码相位测量值输出至后续跟踪环路，完成信号捕获。

捕获模块设计过程中，可根据当前信号环境和使用场景设定各类门限判定值与Tang氏判别过程中的初始累计常量值，从而达到捕获时间与检测概率的最佳配比。

2.2 捕获性能分析

下面以检测概率和平均捕获时间为参数评估基于预检测通道的双通道捕获法捕获性能。

2.2.1 检测概率

到达信号载噪比一定时，并行预检测通道非相干幅值在不同信号存在条件下服从Rayleigh分布和Ricean分布；串行捕获通道在并行预检测通道的基础上完成最终捕获，其检测概率取决于预检测通道精度和Tang氏判别常量设置。

图4分别描述了并行预检测通道在不同相干积分时间条件下信号监测概率随载噪比的变化以及固定积分时间时串行捕获通道检测概率(即双通道捕获法的最终捕获概率)随Tang氏判别起始累计量的变化情况。

图4 双路并行捕获法检测概率

通过图4可知，环境噪声条件下，该算法在支路相干积分时间[9]达到4 ms时，采用不小于6的Tang氏判别累计量，即可以完成对天线口面电平不小于-139 dBm信号的检测，符合一般条件下接收机工作环境的信号捕获需求。

2.2.2 平均搜索时间

对于基于预检测通道的双通道捕获法而言，其平均搜索时间为并行预检测通道与串行捕获通道平均搜索时间相加，主要与到达天线口面信号载噪比和双通道相干积分时间有关；另外，为保证信号检测有效性，通常选择串行捕获通道Tang氏判别累计量≥5。图5(a)显示了当串行捕获通道相干积分时间为2 ms，Tang氏判别累计量为5时，预检测通道不同相干积分时间测量平均捕获时间受载噪比的影响；图5(b)显示了并行预检测通道相干积分时间为2 ms，串行捕获通道Tang氏判别累计量为5时，串行捕获通道不同相干积分时间受载噪比的影响。

由图5可知,当串行捕获通道参数固定时，平均捕获时间主要受接收信号载噪比的影响，而受相干积分时间影响较小；但当并行预检测通道相干积分时间固定时，平均捕获时间受串行捕获通道相干积分时间影响较大，即串行捕获通道相干积分时间对整体捕获模块平均捕获时间起到决定性作用。其主要原因是当积分时间较短且信号载噪比较低时，较低的初检概率会使Tang氏判过程受到影响，使信号检测概率大幅降低，从而使平均捕获时间急剧增加。

图5 双路并行捕获平均捕获时间

因此，在捕获通道设计过程中，为防止因信号太弱而引起的捕获时间过长与漏捕获等问题，应尽量保持串行捕获通道积分时间在4 ms以上，以保证整体捕获效率。对于Tang氏判别累计量而言，当此值大于一定数值后，对整体捕获概率的收敛情况影响不大，因此其选值能够保证捕获概率收敛即可。

3 接收机平台测试

3.1 测试平台和测试内容

测试平台是以FPGA和DSP处理板为核心的通用GNSS信号接收处理平台[10]。

测试内容分为高阶BOC信号首次检测概率和开机捕获时间两部分，以评估上述捕获方法的实际捕获性能。

3.2 测试信号

本试验中接收信号由可配置导航信号模拟源[11]生成，为验证双通道捕获法的广泛高阶BOC信号适用性，设定信号参数如下：

① 信号采用BOC(14，2)调制方式；

② 基带扩频码选取长度为2 046的Gold码；

③ 导航电文速率为50 bps，电文内容为仅存帧头的无意义数据；

④ 发射信号中心频点为1 575.42 MHz；

⑤ 设到达信号载噪比为41 dB·Hz。

3.3 测试方法与结果

3.3.1 首次检测概率

接收机采取双路相干积分时间为4 ms的设计方式，在模拟源正常发射信号的条件下，对接收机发出单通道搜索指令，若一次完整搜索后捕获模块可以输出与模拟源信号码相位和载波频率相匹配的观测量，则判定捕获成功。按照该方法对捕获模块进行100次配置测定，得出不同载噪比下信号捕获概率如表1所示。

表1 信号首次检测概率测试结果

信噪比/dB·Hz检测概率/%34363840424489979810099100

通过表1中对信号捕获的测试结果可知，在一般接收机要求的35 ·载噪比的工作条件下，该双路捕获方式可以达到90%以上的检测概率，与理论分析值基本一致，具有较高的检测性能。

3.3.2 开机捕获时间

由于虚警事件的存在，接收机通常采取测定开机至全通道帧同步所需时间的方式来检测其捕获速度，该时间定义为开机捕获时间。对于接收机采取5组开机测试，得出开机捕获时间结果如表2所示。

表2 开机捕获时间测试结果

试验序号开机捕获时间/s123454852576451

从试验结果可知，在无任何先验信息的条件下，基于预检测通道的双通道捕获方法基本可以在1 min之内完成对BOC(14，2)信号的初次捕获，符合现阶段高性能接收机的设计[12]要求。

4 结束语

针对新体制GNSS信号中BOC类信号捕获过程中存在的平均搜索时间和捕获精度的矛盾，运用快速大范围搜索测量与高精度小范围搜索策略相结合的思想，设计出一种基于预检测通道的双通道捕获方法，实现了该类信号的快速高精度捕获。介绍了该方法的基本原理和工作流程，对该方法进行了理论性能分析，并通过接收机硬件测试平台对其检测性能进行了测试评估。测试结果表明，该方法能够在无任何先验信息辅助的条件下达到较好的高阶BOC信号捕获效果，具备一定的实际应用价值，对未来广泛应用的新体制GNSS信号接收机设计提供参考。

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AcquisitionMethodofNewSystemGNSSSignalsBasedonthePre-detectionChannel

GAI Shi-hao1,LIU Ying-gang1,MENG Hai-tao1,YANG Wen-jin2

(1.Unit61711,PLA,KashiXinjiang844000,China; 2.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

The receiving-baseband processing technology of new system Global Navigation Satellite System (GNSS) signals mainly based on the Binary Offset Carrier (BOC) signals has already been one of the most important parts of designing GNSS receivers in the future.For this kind of signals,long mean search and low acquisition performance are caused by separating spectrum mainlobe and multi-peaks autocorrelation.In view of these problems,this paper puts forward a kind of parallel-channel acquisition method based on pre-detection channel by combining the joint sideband detection with the BPSK-like acquisition technologies,which is applicable to engineer design.It introduces the design idea and operation principle of the proposed method,and analyzes the performance of acquisition module in terms of probability and average time of acquisition process.This method is tested by using GNSS receiver hardware test platform,and the test results show that the proposed method is available.

GNSS;acquisition;BOC;BPSK-like;joint sideband

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.09

盖世豪，刘应刚，孟海涛，等.基于预检测通道的新体制GNSS信号捕获方法[J].无线电工程,2017,47(12):38-42.[GAI Shihao,LIU Yinggang,MENG Haitao,et al.Acquisition Method of New System GNSS Signals Based on the Pre-detection Channel[J].Radio Engineering,2017,47(12):38-42.]

TN911.3

A

1003-3106(2017)12-0038-05

2017-02-14

盖世豪男，(1987—)，助理工程师。主要研究方向：卫星导航、导航运控。

刘应刚男，(1976—)，工程师。主要研究方向：卫星导航、导航运控。