基于高增益GNSS信号的授权码流解扩接收技术

叶红军，刘 亮，杨建雷

(卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着卫星导航相应技术的迅猛发展，GNSS卫星导航系统已经广泛应用于社会的各行各业，对于GPS，GALILEO，GLONASS导航系统，一般行业主要使用相应卫星系统播发的民用公开信号频点完成相应的定位、导航与授时服务，但是针对调制方式本身来说，公开信号相比于授权信号在调制方式上存在着较多劣势：在GPS导航系统中，具备BOC(10，5)的L1M和L2M信号频点，这2个频点在正负一个码片的相关峰上会产生多个峰值[1]，而主峰相比于公开信号L1C/A和L2C具备更加陡峭的边沿[2]，这样就使得相关峰对于测距偏差的变化更为灵敏，在测距上具备更大的优势。在GALILEO系统中，同样具备BOC(15，2.5)的E1A信号，主峰的边沿更加陡峭。而对于GLONASS系统，相比于公开信号L1F，L2F，授权信号L1P，L2P具备更高的码速率，因此具备更窄的码片宽度，在测量伪距同样体现出较大的优势。

目前在通用的民用场景授权码接收技术上还没有相关文献针对高增益的授权码流的解扩接收技术，主要原因是一般用户导航接收机工作在较低的信噪比环境中[3]，无法完成对授权信号的观测。但是在高增益场景下，可以完成相应码流观测量的测量提取。所以可以利用相应的大口径天线地面站完成附近GNSS导航卫星的授权码的解扩接收，并向附近导航接收机用户播发相应伪距、载波相位观测量的修正信息，从而提升附近用户的GNSS导航系统的定位和授时精度。

本文根据不同GNSS系统授权信号的特点，将授权信号的高增益解扩分为3类：同频点同频带授权信号解扩、同频点异频带授权信号解扩和异频点授权信号解扩，并提出了相应的高增益场景下授权码流解扩方法。

1 同频点同频带授权信号解扩方法

同频点同频带授权信号是指，某一频点的公开信号和授权信号占用同样的中心频率带宽，仅在相位上存在区分。这种类型的典型信号是GLONASS系统的L1P，L2P信号，这2个信号与L1F，L2F信号使用同样的频点，和民用信号以QPSK的形式正交地分布在信号中，即授权信号与公开信号相差90°的相位[4]，此外，GPS系统的L1C/A，L1P(Y)信号、L2C，L2P(Y)信号也具备同样的特点。一般这样信号的处理思路为：利用相位的不同进行相应授权信号的恢复与判决，基本的处理算法流程如图1所示。

图1 同频点同频带授权信号解扩算法

在高增益接收天线完成相应卫星的对准跟踪后，完成相应民用信号的捕获跟踪。当完成载波跟踪环路和码相位跟踪环路的稳定后，获取零中频信号的Q支路即为授权码所在支路，由于授权码和公开码间具备统一的码片起始位置，所以以每个公开信号的积分周期起始位置为开始。根据授权码的码速率对Q支路的零中频信号进行均值判决，均值判决的思路是根据当前的授权码码速率和信号的采样频率，计算每个码片的采样点数，选取码片中间区域的采样点进行求和平均，根据平均结果的正负判定该位置的码流是1还是0。具体选取的索引方式是：将一个积分周期的采样点按顺序排列，选择的码片中心区域对应的索引值为：

i=1…Lp，

式中，fsample为信号的采样率；Tp为一个积分周期的时间长度，这里为1 ms；Lp为一个积分周期的码片数目。选取得到的每个区间的采样点的值求和平均，对最后的均值进行判决。

在恢复该积分周期的授权码码流之后，利用恢复的码流与相应的Q支路零中频信号进行相关运算，即可完成授权信号的跟踪和测距。

同频点同频带授权信号解扩方法是3种方法中最为简单的处理方法，只需要保留相干解调中的Q支路授权信号，并加入相应判决处理模块，便可得到授权码的解扩码流。

2 同频点异频带授权信号解扩方法

同频点异频带授权信号是指，某一频点的公开信号和授权信号占用同样的中心频率，但是在分布的频带内，却处于不同频带，在频率分布上即可完成区分。这种类型的典型信号是GPS系统的L1M，L2M信号以及GALILEO系统的E1A信号。GPS的L1M信号与公开信号L1C/A的中心频点均为1 575.42 MHz，但是由于L1M信号采用BOC(10，5)调制方式，使得L1M信号主要能量集中在1 575.42±10.23 MHz频带内[5]；而L2M与公开信号L2C的中心频点均为1 227.6 MHz，但是由于L2M信号也采用BOC(10，5)调制方式，使得L2M信号主要能量集中在1 227.6±10.23 MHz频带内；GALILEO系统的E1A信号与同频点的E1B和E1C信号都分布在1 575.42 MHz频带，E1A采用BOC(15，2.5)调制方式使其分布在1 575.42±15.345 MHz的频内[6]。

考虑到BOC调制信号本身的性质，在对应上下边带的所处中心频点处也可以利用BPSK的方式完成解调[7]，相反在授权信号的解扩上，可以在上下边带所处的信号中心频点处，按照BPSK的分布情况完成授权码流的判决解扩，基本的处理算法流程如图2所示。

图2 同频点异频带授权信号解扩算法

与之前介绍的方法一致，首先完成高增益接收天线对准跟踪相应卫星，并完成相应民用信号的捕获跟踪，当载波跟踪环路和码相位跟踪环路的稳定后，根据频点与多普勒的线性关系计算对应信号中心频点内的多普勒[7]，公式如下：

式中，v为卫星相对于地面站的运动速度；c为光速；f1和f2对应同一个卫星的不同中心频率；而fd1和fd2对应2个频率的多普勒，因此，在已知公开信号的每个积分周期的多普勒测量结果后，就可以计算同一颗卫星其他频率的多普勒值[8]，在指定多普勒测量结果后，就可以完成相应频点的载波剥离，从而得到零中频信号。载波剥离使用的公式为：

S0(n)=Sc(n)·e-j·2π·(fc+fdoppler)n·ejφ0，

式中，Sc(n)为高增益采集信号对应积分周期起始时刻的经过一定带宽滤波后的数字离散信号；fc为对应的信号中心频点；fdoppler为授权信号对应频点的多普勒值；φ0为载波相位环路得到的载波初相。

在得到零中频信号后，根据BOC上下边带各自对应的信号主瓣带宽进行滤波处理，滤波器通带的带宽只需保留完整的主瓣带宽即可，对最终输出的IQ支路的能量进行计算。

当信噪比状况较好时，由于信号此时可以等效为BPSK调制，只需选取IQ支路中能量较大的完成判决即可[9]，而不需要完成残余相位的旋转恢复，判决的流程与上面介绍的方法一致，根据码速率和采样率计算每个码片的采样点数，并选取中间位置进行加和判决，最终得到授权码流的解扩结果。

当信噪比状况不好时，噪声会影响信号的判决，此时需要使用相应的聚类分析手段[10]，绘制相应的零中频信号的星座图，利用C均值聚类的方法获取信号调制的聚类中心点[11]，基本思路是将I、Q支路电平值组成的坐标(I，Q)映射到直角坐标系中，利用聚类分析的手段完成进一步的处理，聚类分析的流程为，按照时间顺序选取一个点计算与其距离小于0.3的其他采样点的个数，距离计算为：

如果个数大于某一门限，则作为第一个聚类中心，选取第2个点计算与其距离小于0.3的其他采样点的个数，如果与已经确定的聚类中心距离小于0.3，则归属于对应的聚类中心[12]，如果与已经确定的聚类中心距离大于0.3且周边采样点距离小于0.3的采样点个数大于某一门限，则设定为下一个聚类中心，2个聚类中心(c1,d1)和(c2,d2)，选取2个聚类中心连线与横轴的交角即为残余的码相位：

利用下式完成残余码相位的剥离：

式中，I(n)和Q(n)为去除旋转相位前的复信号的实部和虚部；I(n)和Q(n)为去除旋转相位后的复信号的实部和虚部，完成对数据的旋转相位的去除后，最后利用信噪比状况好的场景下的方法完成对数据的判决。

3 异频点授权信号解扩方法

异频点授权信号是指某一频点的授权信号完全不包含任何的民用公开信号，无法按照上述的方法完成同频点的公开信号的处理辅助完成解扩，但是在该颗导航卫星上存在同时发送且码片起始时刻一致的其他频点民用公开信号[13]，此时可以利用相应处理方法完成对异频点授权信号的解扩，这种信号的典型案例是GALIELO系统的E6频点信号，E6频点信号包括E6A，E6B，E6C信号[14]，其中E6B，E6C同频点同相位[15]，可以整体上作为一个授权信号进行处理，E6A采用BOC(15，2.5)调制方式，与E6B，E6C信号中心频率相同，频带分布在1 278.75±5.115 MHz的频带范围内[16]，根据同频点异频带授权信号解扩方法，只要能够完成E6B+E6C的解扩和跟踪，就可以完成E6A的解扩，下面介绍异频点授权信号的解扩方法。

异频点授权信号的解扩思路是利用其他频点的公开信号完成捕获跟踪，利用相应的多普勒测量结果计算其他频点多普勒结果[17]，并计算对应频点与跟踪的公开信号频点的电离层延迟误差，从而完成异频授权信号的获取与判决，最终得到异频授权信号码流的解扩[18]，基本的处理算法流程如图3所示。

图3 异频点授权信号解扩算法

利用高增益天线完成相应卫星的对准跟踪后，选取该卫星另一频点的公开信号进行捕获跟踪，在跟踪稳定后，计算对应频点的多普勒大小，并在对应频点的射频前端处接收并剥离相应频点的授权信号的载波多普勒[19]，并完成本地民用接收信号向对应授权信号频点进行变频，变频的计算方法如下：

S1(n)=S0(n)·e-j·2π·(f2+fd2-f1-fd1)n，

式中，S1(n)为民用信号频点经过信号发射带宽滤波后得到的原始信号；f2为授权信号所在频点；fd2为授权信号的多普勒值，利用多普勒的计算公式完成计算；f1为民用信号所在频点；fd1为公开信号的多普勒值，利用接收机的跟踪环路跟踪得到[20]。

然后进行相应的滤波处理后，计算相应授权信号频点与公开信号频点的电离层延迟差值，从而完成信号码片起始位置的修正[21]，最后完成对零中频信号的判决，判决原理与前文所述一致，最终得到异频授权信号的伪码码流。

4 仿真与验证

针对口径为15 m的高增益定向天线采集的GPS，GALILEO，GLONASS信号进行接收分析，利用上述方法[22-23]，完成了针对GPS系统L1M，L2M，L1P(Y)，L2P(Y)信号，GALILEO系统E1A，E6B+E6C，E6A信号以及GLONASS系统的L1P，L2P信号的码流的解扩与接收。不同的授权信号频点使用的方法如表1所示。

表1 不同频点的授权码流解扩方式

解扩得到的码流与信号相关得到的相关峰与理想仿真相关峰比较图如图4、图5和图6所示。

图4 GPS系统授权信号解扩测试结果

图5 GALILEO系统授权信号解扩测试结果

通过对各授权信号的接收结果分析，可以充分验证提出的高增益授权信号解扩的方法是可行的。利用提出的方法，可以在信噪比大于15 dB的高增益接收场景下达到GNSS授权码可靠判决接收，利用相应仿真数据进行验证，信噪比为15 dB的接收场景，授权码判决误码率为1×10-5，在某些大天线接收场景下，完全可以完成对GNSS授权信号的跟踪接收，并播发相应的授权信号观测量信息，用户接收机利用民用信号的电文信息和授权信号的测距信息完成对位置的解算。

图6 GLONASS系统授权信号解扩测试结果

5 结束语

通过对GPS，GALILEO，GLONASS系统不同调制方式的授权信号进行分析，针对不同授权信号提出相应的高增益解扩方法，并经过实际工程的充分验证，得出提出的方法可以完成相应授权码流的解扩输出。未来可以考虑在相应大口径地面站采取相应授权信号解扩技术，获取授权码信号测距结果，并向周边用户提供相应公开信号的测距修正结果，从而提升GNSS系统的服务性能。