单载波多信号分量导航信号检测性能评估

杨建雷，范广伟，叶红军，张 璞，张晓旭

(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；3.河北科技大学 信息科学与工程学院，河北 石家庄 050018)

0 引言

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)是信息时代的国家重要基础设施之一，其重要性已为世界所重视。GNSS作为国家综合国力的重要组成部分，世界各国都正在完善和研制自主的卫星导航系统，如美国的GPS(Global Positioning System)、俄罗斯的GLONASS(Global Orbiting Navigation Satellite System)、欧洲的Galileo系统、中国的BDS(BeiDou Navgation Satellite System)以及日本的QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)和印度的IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System)卫星导航系统。信号体制设计作为GNSS设计的关键技术之一，在GPS现代化、Galileo和BDS设计过程中均处于重要地位。信号体制决定了导航系统的先天性能，是系统设计和升级过程中必须考虑的关键因素之一[1]。

针对新型信号体制设计思想的提出，学者们进行了多方面的研究工作，如文献[2-3]研究了降低数据跳变对检测性能影响的捕获方法，文献[4-5]研究了码片时分导航信号的捕获方法，文献[6-7]研究了BOC和AltBOC等信号的跟踪方法，文献[8-9]研究了BOC和MBOC信号在干扰条件下的跟踪性能评估方法等。随着GNSS不断发展，使得导航频谱资源日益紧张，引入单频波多信号分量的设计思想可提高频带利用率，节省发射功率，降低对卫星载荷的要求，在GPS现代化、Galileo和BDS建设过程中均采用了单载波多信号分量的设计思想。信号体制的检测/捕获性能导航信号性能评估的关键指标之一，单载波多信号分量的设计思想直接影响信号体制的检测性能，在已有的研究工作中，针对单载波多信号分量导航信号检测性能研究工作开展较少，因此有必要开展单载波多信号分量导航信号检测性能进行分析与评估方面的工作。

1 单载波多信号分量导航信号体制

在GPS现代化[10-11]、Galileo[12]和BDS[13]建设过程中，均采用了单载波多信号分量的设计思想，分别如表1、表2和表3所示。

表1 GPS现代化后的信号体制

中心频率/MHz信号分量调制方式1575.42L1C/ABPSK(1)L1P(Y)BPSK(10)L1MBOC(10,5)L1CDataBOC(1,1)L1CPilotTMBOC(6,1,4/33)1227.60L2CDataL2CPilotL2ML2P(Y)BPSK(1)BOC(10,5)BPSK(10)1176.45L5CDataQPSK(10)

表2 Galileo的信号体制

中心频率/MHz信号调制方式1575.42E1OSDataCBOC(6,1,1/11,+)E1OSPilotCBOC(6,1,1/11,-)E1PRSBOC(15,2.5)1176.451207.14E5aDataE5aPilotE5bDataE5bPilotAltBOC(15,10)1278.75E6CSDataE6CSPilotE6PRSBPSK(5)BOC(10,5)

表3 BDS的信号体制

中心频率/MHz信号调制方式1561.098B1IBPSK(2)1575.42B1CDataB1CPilotB1ADataB1APilotBOC(1,1)TMBOC(6,1,1/11)BOC(14,2)1176.451207.14B2aDataB2aPilotB2bDataB2bPilotAltBOC(15,10)1268.52B3IB3QB3ADataB3APilotB3CDataB3CPilotBPSK(10)BPSK(10)BOC(15,2.5)

由表1、表2和表3可以看出，GPS现代化后L1频点采用5个信号分量，L2频点采用4个信号分量，L5频点采用2个信号分量，Galileo E1采用3个信号分量，E5采用4个信号分量，E6采用3个信号分量，BDS B1和B2频点采用4个信号分量，B3频点采用6个信号分量，采用单载波多信号分量的设计思想已经成为现阶段信号体制设计必不可少的设计思想，因此研究多信号分量的联合捕获方法对信号检测性能的影响具有重要的意义。

2 多信号分量联合捕获方法

为了提高接收机的捕获灵敏度，学者们提出众多通道联合捕获方法，这类方法可以分为3种[14]：非相干组合(Non-coherent Channel Combining，NCC)、基于符号估计的相干通道组合(Coherent Channel Combining，CCC)和差分组合(Differential Channel Combining，DCC)。NCC方法将Pilot与Data通道平方处理后再累加，消除了Pilot和Data通道的符号翻转对相关峰的影响，但该方法存在平方损失的问题，检测性能不如CCC方法[15]。CCC方法将预先估计Pilot与Data通道的相对符号，即对两通道的相关进行相加或相减，从中选取大的相关值为最终的判决变量[16]，CCC方法要优于NCH和DCC方法[17]。DCC方法可视为传统的相干组合方法与NCH方法的一种折衷，该方法既解决了传统的通道相干组合方法Pilot和Data通道的符号翻转对相关峰的影响，又消除了NCH方法存在平方损失的问题，因此该方法检测性能介于CCC与NCC方法之间[18]。然而上述介绍的NCC、CCC和DCC方法仅适用于2个信号分量联合捕获的情况，基于CCC方法，文献[19]给出了时分AltBOC(Time Division AltBOC，TD-AltBOC)[20]采用4个信号分量进行联合捕获的原理框图、虚警概率与检测概率数学模型，分别如图1、式(1)和式(2)所示。

图1 多信号分量联合捕获方法原理

(1)

(2)

3 信号检测性能评估与分析

为了分析评估单载波多信号分量导航信号的捕获性能，以TD-AltBOC为例(文献[20]中已指出该信号可作为BDS备选信号)，采用蒙特卡罗仿真分析了TD-AltBOC多信号分量联合捕获时的检测概率、接收机工作特性(ReceiverOperatingCharacteristic，ROC)曲线和平均捕获时间(MeanAcquisitionTimeMAT)[21]。试验中选取TD-AltBOC信号扩频码周期为1ms，码长10 230chips，中频44.795MHz，采样率150MHz，仿真次数为105次，相干和非相干累加次数为1。Data和Pilot通道调制的电文比特和NH码均为随机的。

3.1 检测概率

TD-AltBOC信号采用不同的信号分量捕获时检测概率对比曲线如图2所示。试验中，虚警概率10-3，载噪比变化范围为25～45dB-Hz。

图2 采用不同的信号分量联合捕获时检测概率对比

由图2可以看出，相对采用单信号分量的捕获性能，采用多信号分量联合捕获时具有更高的检测概率，可提高捕获灵敏度3～6dB，当载噪比为37dB-Hz时，TD-AltBOC检测概率可达90%。

3.2 ROC

采用不同的信号分量联合捕获性时，载噪比为38dB-Hz条件下ROC曲线对比如图3所示。

图3 采用不同的信号分量联合捕获时ROC曲线对比

由图3可以看出，采用多信号分量联合捕获时ROC曲线明显优于采用单信号分量捕获性能，多信号联合捕获是一种较好的单载波多信号分量信号体制的捕获策略。

3.3 MAT

采用不同的信号分量联合捕获时，MAT曲线对比如图4所示。

图4 采用不同的信号分量联合捕获时MAT曲线对比

MAT是衡量捕获性能的另一个重要指标，平均捕获时间定义为[22]：

(3)

式中，Pd为检测概率；Pfa为虚警概率；Tc为相干积分时间；Nnc为非相干积分次数；Ncode为码相位搜索的数目；Nfd为Doppler搜索数目；kfa为虚警的代价系数，kfaTcNnc=1 s，此值与虚警处理时间有关。

由图4可以看出，相对于单信号分量捕获方法，多信号分量联合捕获可降低平均捕获时间5～30%。

4 结束语

本文分析单载波多信号分量设计思想对信号检测性能的影响，通过蒙特卡罗仿真和理论分析的方法证明了多信号分量联合捕获是一种较好的单载波多信号分量导航信号的捕获策略，可提高信号的捕获灵敏度，降低平均捕获时间。同时，也证明了单载波多信号分量设计思想在提高导航信号捕获性能方面的优势与合理性。

相对于单信号分量捕获方法，多信号分量联合捕获的方法虽然提高了导航信号的捕获性能，但却增加了捕获算法的复杂度，在后续的研究工作中可以开展复杂度相关方面的研究。

[1] 胡修林，唐祖平，周鸿伟，等.GPS和Galileo信号体制设计思想综述[J].系统工程与电子技术，2009，31(10)：2285-2293.

[2]JINT，LUF，LIUY，etal.DoubleDifferentiallyCoherentPseudorandomNoiseCodeAcquisitionMethodforCode-divisionMultiple-accessSystem[J].IETSignalProcessing，2013，7(7)：587-597.

[3]BORIOD，AKOSD.NoncoherentIntegrationsforGNSSDetection：AnalysisandComparisons[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2009，45(1)：360-375.

[4] 刘芳，冯永新.一种基于TDDM裂谱信号的解模糊位搜索法[J].航空学报，2010(4)：738-743.

[5] 刘芳.一种基于TDDM调制信号的3SDA算法[J].宇航学报，2011，32(9)：1978-1985.

[6]JULIENO.ASPeCT：UnambiguousSine-BOC(N，N)AcquisitionTrackingTechniqueforNavigationApplications[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2007，43(1)：150-162.

[7]VEJRAZKAF，KOVARP，KACMARIKP.GalileoAltBOCE5SignalCharacteristicsforOptimalTrackingAlgorithms[J].InternationalJournalonMarineNavigationandSafetyofSeaTransportation，2010，4(1)：37-40.

[8]LIUY，RANY，KET，etal.CodeTrackingPerformanceAnalysisofGNSSSignalinthePresenceofCWInterference[J].SignalProcessing，2011，91(4)：970-987.

[9] 刘禹圻，胡修林，冉一航，等.卫星导航信号抗单频干扰性能研究[J].电子学报，2011，39(6)：1410-1416.

[10]InterfaceControlWorkingGroup(ICWG).IS-GPS-705D：NavstarGPSSpaceSegment/UserSegmentL5Interfaces[EB/OL].http：∥www.gps.gov/technical/icwg/IS-GPS-705D.pdf，2013-09-24.

[11]InterfaceControlWorkingGroup(ICWG).IS-GPS-800D：NavstarGPSSpaceSegment/UserSegmentL1CInterfaces[EB/OL].http：∥www.gps.gov/technical/icwg/IS-GPS-800D.pdf，2013-09-24.

[12]EuropeanUnionandEuropeanSpaceAgency.EuropeanGNSS(Galileo)OpenServiceSignalinSpaceInterfaceControlDocumentIssue1[EB/OL].http：∥ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/files/galileo-os-sis-icd-issue1-revision1_en.pdf，2010-09-302010-9.

[13]UNOOSA.CurrentandPlannedGlobalandRegionalNavigationSatelliteSystemsandSatellite-basedAugmentationSystems[EB/OL].http：∥www.unoosa.org/pdf/publications/icg_ebook.pdf，2010-06.

[14]BORIOD，O′DRISCOLLC，LACHAPELLEG.Coherent，Noncoherent，andDifferentiallyCoherentCombiningTechniquesforAcquisitionofNewCompositeGNSSsignals[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2009，45(3)：1227-1240.

[15]TATH，QAISARSU，DEMPSTERAG，etal.PartialDifferentialPostcorrelationProcessingforGPSL2CSignalAcquisition[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2012，48(2)：1287-1305.

[16]YANGC，HEGARTYC，TRANM.AcquisitionoftheGPSL5SignalUsingCoherentCombiningofI5andQ5[C]∥The17thInternationalTechnicalMeetingoftheSatellite

DivisionoftheInstituteofNavigation.LongBeach，2004：2184-2195.

[17]BORIOD，O′DRISCOLLC，LACHAPELLEG.CompositeGNSSSignalAcquisitionoverMultipleCodePeriods[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2010，46(1)：193-206.

[18]YUW，ZHENGB，WATSONR，etal.DifferentialCombiningforAcquiringWeakGPSSignals[J].SignalProcessing，2007，87(5)：824-840.

[19] 杨建雷，金天，黄智刚，等.补0的TD-AltBOC多信号分量联合捕获方法[J].哈尔滨工程大学学报，2014，35(11)：1427-1433.

[20]TANGZ，ZHOUH，WEIJ，etal.TD-AltBOC：aNewCOMPASSB2Modulation[J].ScienceChinaPhysics，MechanicsandAstronomy，2011，54(6)：1014-1021.

[21]HOLMESJK.CoherentSpreadSpectrumSystems[M].NewYork：JohnWiley&Sons，1982.

[22]BASTIDEBF，JULIENO，MACABIAUC，etal．AnalysisofL5 /E5Acquisition，TrackingandDataDemodulationThresholds[C]∥Proceedingsofthe15thInternationalTechnicalMeetingoftheSatelliteDivisionofTheInstituteofNavigation.Portland,2002:2196-2207．