一种长码导航信号相关损失评估算法*

赵海波，李 欣

（海军研究院空中所，上海 200436）

0 引 言

所谓导航信号相关损耗，指的是在导航信号接收的相关处理中有用信号功率相对于接收信号的全部可用功率的损耗[1-2]。相关损耗反映了导航信号生成过程中信道带限和失真的影响，是卫星导航信号的一个关键指标。例如，GPS卫星导航系统和伽利略卫星导航系统的星地接口文件，对导航信号的相关损失都有明确的指标要求[3-4]。日本的QZSS卫星导航系统星地接口文件也规定Ll频点导航信号相关损失小于0.6 dB[5]。可见，该参数是卫星导航信号质量评估和测试过程中一个重要的测试和测试项目[6]。

根据相关损失的定义，相关损失过程中必须首先确定所测试信号的伪随机码序列，通过已知的伪随机码序列计算理论的相关峰值和卫星输出实际信号的相关峰值得到相关损失。因为长码导航信号的伪随机码周期非常长且生成方式复杂，所以测试过程生成完整的长序列伪随机码是非常困难的事情。长码导航信号的相关损失，成为卫星导航信号性能中测试的一个难点。此外，传统的导航信号相关损失测试方法是先将卫星导航信号进行下变频到中频，然后进行相关处理获得测试结果。这种处理过程由于模拟变频器带来的非理想因素而引入了测试误差，降低了测试精度。为了解决长码导航信号相关损失的测试和提高导航信号相关损失的测试精度，提出了一种对导航信号的射频信号进行直接微波采样，在数字域进行长码伪随机码再生的方法。

1 算法提出

提出长码导航信号评估方法实现基本原理，如图1所示。

图1 长码导航信号相关损失评估原理

用高速A/D采样器对导航信号进行采样，采样频率高于导航信号最高频谱的2倍以上，采样持续时间长度为两个短伪随机码周期。按照采样频率生成一个周期的本地短伪随机码样本数据。对采样的扩频测距信号进行短码信号的载波频率和码相位捕获，确定扩频测距信号的载波中心频率fc和短伪随机码起始样本点序号n0。从采样导航信号数据的第n0个样本点开始，截取起始的一个短随机码周期的数据。

根据不同的初始相位值，生成时长为一个短伪随机周期中心频率为fc的一系列载波相位数据组：

式中fs为采样频率，i为样本点序号，i=1,2,…,N，这里N为一个短码周期内的采样数据总数。φ0(j)为第j种载波初始相位。这里载波的初始相位值是在0～π范围内均匀取M个值，初始相位值的所有取值为：

式中j=1,2,…,M。

针对每一个载波相位数据组，计算各样本点余弦值，对数据D⇀进行数字下变频，然后与本地短伪随机码样本数据优相关，计算各初始相位值对应的相关值峰值：

式中Pj表示第j种载波初始相位值情况下，导航信号数字下变频后与本地短码相关处理的相关幅度峰值。在所有情形的相位捕获峰值中，最大值对应的初始相位值是短码的载波初始相位值φC。导航信号为QPSK调制，其中I支路为短码信号，长码信号为Q支路，超前I支路90°，可以估计长码的载波初始相位值为：

以φM为初始相位，生成时长为一个短伪随机周期中心频率为fc的载波数据，对所截取的导航信号数据进行数字混频。对混频后的数据进行低通滤波，然后根据长伪随机码速率，在长伪随机码各码片中心时刻，对低通滤波器输出的基带信号数据进行抽取并判决。如果抽取值大于0，则判断取值为+1；如果抽取值小于0，则判断取值-1。这样再生出截取导航信号数据中所包含的长码码片。

根据采样率、载波中心频率、已知的短码码片和再生的长码码片，按QPSK调制方式，生成一个短伪随机码周期的理论导航信号。信号的功率与所截取的实际导航信号一致。用再生的长码码片分别与理论导航信号和所截取的实际导航信号进行相关处理，得到各自的相关峰值，最后计算长码的相关损失。

式中Pco和Pau分别表示长码码片与理论信号和实际信号相关的相关峰值。

2 计算机仿真验证

导航信号中心频率为1 267.84 MHz，长短伪随机码码速率均为10.23 Mcps，其中短伪随机码周期T为1 ms。采用QPSK调制方式，I和Q支路分别为短码信号和长码信号。为了实现对算法的验证，仿真过程中长码也用周期毫秒的短伪随机码代替。I、Q所使用的伪随机玛不同。用5 GHz采样率生成2 ms的扩频测距信号。导航信号模拟长码信号相关损失计算算法验证的原理如图2所示，生成并加载模拟噪声数据，使得模拟导航信号载噪比为38.4 dBHz[7J。信道模拟带通滤波器器用于模拟导航信号传输过程中的信号失真；功率归一化处理保证QPSK调制的理论信号和加载了噪声且信道失真后的模拟信号在相同时间段内信号功率相同。

图2 信号模拟及算法验证原理

仿真的QPSK调制的视频载波导航信号的功率频谱如图3所示。

提出的算法对信道模拟带通滤波器后输出的仿真数据进行1支路捕获，捕获的相关曲线如图4所示。

图3 导航信号功率谱

图4 短码相关捕获曲线

模拟的导航信号数据样本值通过算法处理后，低通滤波器输出的长码基带波形以及长码码片理论电平点如图5所示。在理论电平点对应时刻，对长码码片基带波形进行抽样判决，得到的电平值与理论电平值完全相同。可见，采用提出的算法再生的长码码片与仿真设置长码伪随机码码片完全一致，证实了提出算法的正确性。

算法完成再生的Q支路长码对理论信号和失真模拟信号的相关处理，相关曲线结果如图6所示。改变信道模拟带通滤波器的参数，信号失真越大，实际模拟信号相关曲线幅度越低，验证了相关损失定义的正确性，也验证了可以通过提出算法对未知长码进行相关损失的计算。

图5 恢复的长码基带波形

图6 再生码对理论和实际模拟信号的相关曲线

3 结 语

详细描述了长码导航信号相关损失评估算法方法，通过计算机仿真对提出算法进行了仿真验证，仿真结果表明：

（1）利用已知短码公开的伪随机发生结构，通过高速采样，在数字域利用提出算法可以实现长码的相关损失评估，解决了导航卫星长码相关损失无法评估的难题；

（2）通过高速采样后，测试结果的获取依靠数字信号处理的算法来完成，测试过程灵活，降低了测试设备复杂度和成本。

（3）对扩频测距信号高速直接A/D采样，避免传统的导航卫星扩频测距信号质量评估和导航卫星系统测试过程中将信号下变频低通滤波后采样数字处理，避免了模拟下变频和低通滤波带来的恶化而引入额外的测试误差。