基于C/A码辅助的GPS M码信号盲解调*

李 星，刘 义，董 政，李运宏

(洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

0 引 言

随着GPS现代化的基本完成，美军GPS导航系统的新型军用GPS卫星已初步完成全球组网，新一代GPS卫星提供军用导航信号M码授权服务。与现有C/A码和P(Y)码导航信号不同，M码导航信号采用了更为先进的二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)调制方式，具备更高的伪距测量精度、更强的抗干扰能力和独立快速捕获能力。对GPS M码信号的盲解调，成为当前对M码研究的热点[1-2]。

由于GPS信号中M码信号与C/A码、Y码信号混叠在一起[1]，对M码进行盲解调首先需要消除C/A码、Y码的干扰。这存在一定的困难，国内外难以查找到相关文献。针对该问题，本文提出一种基于C/A码辅助的M码信号盲解调算方法，通过对C/A码进行解调获取当前信号的瞬时相位信息，实现C/A码信号与Y码、M码信号的剥离，同时进一步利用BOC调制的特性，对M码解调信号进行相参增强，优化解调效果。实星数据盲解调验证了算法的可行性。

1 GPS中BOC体制信号分析

1.1 现代化GPS信号体制

现代GPS在L1频段发射C/A码、P(Y)码、M码信号，信号格式可表示为

(1)

图1 GPS L1频点信号分布

1.2 BOC调制技术原理

M码信号使用BPSK与BOC双重调制。BOC调制是一种使用了副载波的扩频调制技术[4-5]，该技术将一个方波形式的副载波与BPSK扩频信号相乘，在频谱上将原来的频谱二次搬移至中心频点两侧。BOC调制原理如图2所示，图2(a)是M码与数据码模2加之后结果，图2(b)是副载波，图2(c)是(a)和(b)模2加结果。BOC调制就是用图2(c)信号对载波做BPSK调制。

图2 BOC调制信号波形示意图

BOC调制有两种记法：一种记为BOC(Fs,Fc),这里Fs是副载波频率，Fc是扩频码M码的速率。由于Ts是副载波方波的半个周期，因此有

(2)

M码的脉冲宽度是nTs，故扩频码速率为

(3)

在卫星导航系统中更常用的对BOC调制信号的记法为BOC(α,β)，其中α表示副载波频率是α×1.023 MHz，β表示PRN码速率是β×1.023 MHz。GPS M码采用的BOC调制是BOC(10,5)。

2 基于C/A码辅助的M码盲解调算法

通过前面的分析可以得出，M码信号的盲解调，主要存在以下几个难点:

(1)信噪比较低。M码信号是伪码扩频信号，接收机接收到的信号都是淹没在噪声以下的。通过高增益天线对准卫星进行信号采集时，其信噪比仍旧很低，同时，从图1中还可以看出，M码信号还受到Y码信号以及C/A码旁瓣信号的干扰。

(2)频偏较大。由于GPS卫星在高速运行，因此接收信号存在较大的多普勒频偏，最大可达4 880 Hz[1]。进行盲解调时定时恢复和载波恢复环路收敛速度较慢，抖动较大，解调效果较差。

针对上述GPS M码信号的盲解调面临的难点，本文提出一种基于C/A码辅助的盲解调算法。

2.1 基于C/A码辅助的M码盲解调算法

GPS卫星存在多个时钟源，但只有一个时钟源作为卫星时间和频率的基准[1-2]。同时，GPS信号C/A码、Y码和M码信号是同时发射的，但是带宽的功率各不相同，其中C/A码信号的带宽较窄，信噪比最高。可以用C/A码的解调结果消除信号的频偏，实现GPS信号I路和Q路信号的分离，进而针对M码信号支路进行解调，其原理结构框图如图3所示。

图3 M码信号盲解调算法框图

算法步骤如下：

Step1 对C/A码信号进行解调，利用C/A码的高信噪比信号s获取信号的瞬时频偏θ。

Step2 利用频偏信息对信号的相位进行校准，得到零中频复信号：

s′(n)=s(n)exp(-θ(n)) 。

(4)

Step3 取出信号的虚部，使用带通滤波器滤出M码信号：

sm=filter(imag(s′)) 。

(5)

上述方法的核心在于Step 1和Step 5，下面针对这两步进行详细描述。

2.2 C/A码信号与M码信号分离

由于C/A码带宽较窄，信噪比较高，受到Y码信号影响较小，因此解调结果更加可靠。信号输入后，首先将采样速率变换至81.84 MHz，然后分配到两个支路，一个支路只包含C/A码信号，另一个支路包含全部信号。C/A码信号经过一个低通滤波器后，将通带内M码信号以及Y码信号滤除，然后使用常规的BPSK信号解调方式进行解调[3,6-7]。在解调过程中，C/A码载波恢复环路实时输出的相位校准值对另一个支路的相位进行校准，这样可以将信号的多普勒频偏精确校准，实现C/A码信号与M码信号以及Y码的分离。此时，将Q支路信号经过带通滤波器之后，送到M码定时恢复模块进行解调。由于此时已经获取了信号的载波相位，不需要再进行载波恢复。实现框图如图4所示。

图4 信号分离实现框图

经过采样速率转换后，C/A码支路信号一个码片有80个采样点，这样每经过80个点，锁相环才更新一次相位信息。

从图1中可以看出，GPS信号中三类信号是相互叠加在一起的，因此在解调中需要设计出相应的滤波器，将期望信号提取出来。

2.3 滤波器的设计

在信号分离模块中用到两个滤波器，C/A码支路的带通滤波器是为了滤除信号中混合的M码和Y码信号，M码支路的带通滤波器是为了滤除Y码信号。由于C/A码支路的解调不需要使用码片的载波相位进行定位，因此低通滤波器使用升余弦脉冲成形滤波器，这样既达到了低通滤波的目的，同时也能够满足无码间串扰条件。

M码支路信号使用带通滤波器，通带范围为5～15 MHz，尽可能地消除Y码信号对M码信号的影响。滤波器使用FIR滤波器[8]，两个滤波器的频率响应如图5所示。

图5 滤波器频率响应

2.4 M码信号相参增强

从图2可以看出，M码信号进过BOC调制之后，可以认为其信号是一个码速率为20 MHz的BPSK信号，相当于每一个M码的码片使用了(1010)的扩频码进行了一次扩频。因此M码信号解调之后，可以利用这种特性进行进一步的相参增强，其公式为

(7)

考虑到M码盲解信号无法获取一个M码BOC调制的起始位置，因此需要截取一段数据，估计出起始位置，才能进行相参增强，其计算公式为

j∈(1,2,3,4)。

(8)

式中：N为估计信号的长度，pos为解调码流中M码的起始位置。事实上pos的值为1和4效果相同，只是解调的码流0和1相反，由于BPSK信号本身有π的相位模糊，因此不影响解调结果。

3 算法试验

为了验证算法的有效性，选取一段口径10 m抛物面天线采集的GPS卫星信号数据，使用本文方法对M码进行解调。信号频谱如图6所示。使用C/A码数据对信号进行载波恢复后I、Q路信号频谱如图7所示。

图6 GPS信号频谱

图7 信号分离后同相和正交支路信号频谱

从图7可以看出，经过分离后，I路信号只包含C/A码信号，Q路信号包含M码和Y码。同时，还可以看出，I支路M码信号频率点处存在一个微小的信号分量，该信号分量的作用是保持GPS信号恒包络[1]，不使用分离技术无法消除该分量信号对M码信号的影响。

信号经过分离后，将Q路信号送入M码定时恢复环路进行定时恢复，同时将定时恢复后的M码信号进行BOC起始位置计算，并进行相参增强计算。图8(a)给出了相参增强算法前的M码信号幅度，图8(b)给出了相参增强算法之后的M码信号幅度。对比图8(a)和(b)可以看出，经过相参增强运算之后，M码信号的01有了很高的区分度，能够进行较为可靠的判决。

(a)相参增强前

由于M码信号无法获取真值，因此评价解调效果时不能使用经典的误码率。考虑使用解调后信号幅度的分布情况来衡量解调信号质量，引入参数归一化信号幅度方差。

首先对解调后的信号做幅度归一化处理：

(9)

(10)

图9 归一化M码信号幅度分布

从图9中可以看出，归一化信号幅度分布近似于高斯分布，根据式(12)计算归一化信号的均方差,得到归一化信号的均方误差为0.184 0。

(12)

由于M码信号受到Y码信号的影响，其信号信噪比无法计算。考虑到C/A码、Y码、M码信号在一个载频上发射，其相对的功率是固定的，因此选取C/A码信号的信噪比作为M码信号质量指标。参考图6中C/A码与M码、Y码信号分离后，C/A码信号的信噪比约为20.3 dB。为了与普通BPSK信号在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道下解调误码率做比较，统计BPSK信号在AWGN信道下各种信噪比的归一化信号均方误差，结果如图10所示。

图10 常规BPSK信号归一化误差分布

从图10中可以看出，在对M码信号进行解调过程中，由于一个M码存在多个采样点，因此解调效果较好，解调性能与15 dB信噪比BPSK信号在AWGN信道下理论解调性能相当。

4 结 论

本文提出了一种GPS M码信号盲解调算法，首先解调了GPS信号中较强且受其他两种信号干扰较小的C/A码，通过C/A码信号跟踪信号的频偏，将GPS信号的I、Q两路信号分离；分离之后，使用常规手段对M码信号进行解调；最后利用了M码信号的BOC调制特征进一步进行相参增强，提高了解调性能。使用实星采集数据进行验证，结果证明了算法的有效性。