摘 要： 雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)" title="雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)">雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)" title="我國(guó)">我國(guó)自主研制的定位導(dǎo)航系統(tǒng),研究雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)" title="衛(wèi)星信號(hào)">衛(wèi)星信號(hào)的捕獲是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)正確接收和處理的前提,，所以研究并實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲對(duì)保證定位精度和接收機(jī)的性能指標(biāo)有重要意義,。闡明信號(hào)捕獲原理,，在此基礎(chǔ)上提出了一種捕獲電路的設(shè)計(jì)方案,，針對(duì)此方案進(jìn)行關(guān)鍵性能指標(biāo)分析。
關(guān)鍵詞： 雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng) 捕獲 偽碼
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雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的,、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),。它解決了我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域從無到有的問題。目前此系統(tǒng)正服務(wù)于我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè),。用戶接收機(jī)作為雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響著用戶的使用,。接收機(jī)信號(hào)處理部分的一個(gè)關(guān)鍵是偽碼解擴(kuò),，而偽碼解擴(kuò)的完成又依賴于載波和偽碼的成功捕獲，同時(shí)信號(hào)捕獲的捕獲時(shí)間" title="捕獲時(shí)間">捕獲時(shí)間和捕獲帶寬將對(duì)接收機(jī)性能有非常大的影響,。本文針對(duì)接收機(jī)信號(hào)捕獲原理進(jìn)行分析,，在此基礎(chǔ)，對(duì)捕獲電路進(jìn)行設(shè)計(jì),，并對(duì)其捕獲性能指標(biāo)進(jìn)行分析,。
1 捕獲原理
雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是OQPSK調(diào)制的直擴(kuò)系統(tǒng)，因此信號(hào)的捕獲要在頻域和碼域的二維空間進(jìn)行,。
對(duì)于OQPSK調(diào)制載波信號(hào),，因其是抑制載波信號(hào),，沒有載波頻率分量存在，無法從所接收的信號(hào)中通過濾波的方法得到參考的載波[4],，所以頻域的信號(hào)捕獲重點(diǎn)就是如何得到一個(gè)與接收載波同頻同相的參考載波,。圖1是利用數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)載波非相干解調(diào)。NCO在誤差信號(hào)控制下產(chǎn)生與衛(wèi)星載波同頻的信號(hào)wo,，通過鑒相器將相位誤差信號(hào)we=wi×wo 轉(zhuǎn)換成電壓控制信號(hào)并通過LP環(huán)路濾波后控制NCO輸出,，通過NCO的負(fù)反饋使其逐漸減小到零，這時(shí)wo就是接收的衛(wèi)星載波wi的一個(gè)拷貝,，從而實(shí)現(xiàn)了載波信號(hào)的捕獲,。
雙星衛(wèi)星信號(hào)碼相位的捕獲依據(jù)m序列的自相關(guān)特性實(shí)現(xiàn)。m序列的自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式如下:
Tc是碼片" title="碼片">碼片寬度,，p是m序列周期,，τ是時(shí)間偏移量即相位的偏差。從函數(shù)表達(dá)式可以看出,，自相關(guān)函數(shù)是二值函數(shù),。接收機(jī)內(nèi)部的m 序列發(fā)生器產(chǎn)生衛(wèi)星碼的一個(gè)拷貝，將此拷貝的碼和接收的衛(wèi)星碼做相關(guān)運(yùn)算,，根據(jù)相關(guān)值和設(shè)定的門限值(圖2中a點(diǎn))比較來判斷碼的捕獲情況,。當(dāng)衛(wèi)星碼與拷貝的碼相位偏差大于一個(gè)碼片，即Tc≤τ≤(p-1)Tc,，它們的相關(guān)值最小為
,，這時(shí)衛(wèi)星碼完全不能捕獲。移動(dòng)本地拷貝碼時(shí)鐘,，每移動(dòng)一次做一次相關(guān)運(yùn)算和判定,。當(dāng)拷貝的m 序列與衛(wèi)星碼相位差τ≤Tc，隨著τ減小,，相關(guān)值逐漸增大,。當(dāng)相關(guān)值大于門限點(diǎn)a 處值時(shí)，碼捕獲成功,。從相關(guān)函數(shù)波形可以看出,，在拷貝碼一個(gè)周期T內(nèi)，拷貝碼只有其某一個(gè)相位和衛(wèi)星碼相位才可能有大于門限點(diǎn)a 的相關(guān)值,，如果拷貝碼的所有相位點(diǎn)處都與衛(wèi)星碼做了相關(guān),仍然沒有找到大于門限的相關(guān)峰值,，那么捕獲失敗。
2 捕獲電路設(shè)計(jì)
雙星系統(tǒng)用戶接收機(jī)接收S頻段的兩顆衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào),，每顆衛(wèi)星各有2個(gè)信道,，即為波束1～4，這些信號(hào)空分覆蓋我國(guó)國(guó)土的東經(jīng)95°～125°,，北緯25°～40°地區(qū),。因此信號(hào)捕獲最多能捕獲到4個(gè)波束,。實(shí)現(xiàn)時(shí)可以采用并行捕獲4個(gè)波束，也可以串行捕獲,，通過降低單波束的捕獲時(shí)間來減少總的捕獲時(shí)間,。在考慮資源和捕獲時(shí)間做折中情況下，本文采用并行捕獲方式分別捕獲4個(gè)波束的衛(wèi)星信號(hào),對(duì)每個(gè)波束實(shí)行串行捕獲方式,。Riter已經(jīng)證明,，捕獲低信噪比的抑制載波信號(hào)的最佳裝置是Costas環(huán)和平方環(huán)。Holmes J.K 已經(jīng)證明了這兩種環(huán)路是等效的[1],。捕獲電路如圖3,。
接收信號(hào)經(jīng)過射頻模塊后，輸出中心頻率為fi=12.24MHz的模擬中頻信號(hào),，在不考慮噪聲和多普勒影響前提下：
(3)式中,，A是信息符號(hào)，m(t)是擴(kuò)頻序列,，wi=2πfi為載波中頻角頻率,△Φ為接收信號(hào)和本地信號(hào)瞬時(shí)相位差,。經(jīng)過數(shù)字解正交并與本地載波相關(guān)后
至此完成載波剝離，在信號(hào)的成分中只有載波的相差,。利用PN碼的自相關(guān)性,，實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)
經(jīng)過門限判決沒有鎖定衛(wèi)星信號(hào)時(shí)候，移動(dòng)PN碼時(shí)鐘,，使得PN碼自相關(guān)值接近1,，因此有：
通過鎖相環(huán)的負(fù)反饋?zhàn)饔檬沟?13)式中的逐漸減小到載波捕獲所能接受的值，從而達(dá)到載波捕獲的目的,，以進(jìn)行載波的精密同步即載波跟蹤,。
在載波剝離后，衛(wèi)星信號(hào)與本地產(chǎn)生的PN碼的拷貝進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,，在1個(gè)比特時(shí)間內(nèi),，把相關(guān)積分的結(jié)果與預(yù)設(shè)的門限進(jìn)行比較，同時(shí)清除本次相關(guān)結(jié)果,，通過移動(dòng)PN碼時(shí)鐘,，準(zhǔn)備下一個(gè)碼片的判決。在(11)式中,，在載波已經(jīng)捕獲下，△φ很小,，所以cos(△φ)近似為1,，因此用Q路輸出可以簡(jiǎn)化為Q≈
·s(t)。這里只有數(shù)據(jù)信息,，從這里可提取幀同步和位同步標(biāo)志,，從而解調(diào)出正確的衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息,。
從以上對(duì)雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的信號(hào)捕獲電路的分析可以看出，衛(wèi)星信號(hào)的捕獲是在載波和碼相位域二維同時(shí)進(jìn)行的,。500Hz的頻率步進(jìn)與1/2個(gè)碼片精度構(gòu)成一個(gè)信號(hào)的搜索單元,，搜索方式如圖4。
3 捕獲性能指標(biāo)分析
捕獲時(shí)間和捕獲帶寬是信號(hào)捕獲電路的兩個(gè)重要的性能指標(biāo),，它影響著捕獲電路的捕獲速度和捕獲能力,。下面就這兩個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行分析。
3.1 捕獲時(shí)間
雙星系統(tǒng)是地球同步衛(wèi)星,，所以可以忽略衛(wèi)星與地球間微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng),。在考慮地面載體300m/s 的動(dòng)態(tài)下，對(duì)于S頻點(diǎn)的雙星接收機(jī),，其多普勒頻率大約為2.5kHz,。因此衛(wèi)星信號(hào)的頻率搜索范圍可在10kHz內(nèi)進(jìn)行。對(duì)于碼相位以1/2碼片精度進(jìn)行搜索,，需要搜索510個(gè)相位點(diǎn),。同時(shí)，考慮到以16kbps的信息速率,，需用62.5μs的積分時(shí)間,，所以搜索完所有的相位點(diǎn)所需要時(shí)間為510×62.5μs=31.875ms 。對(duì)于同時(shí)進(jìn)行的頻域搜索,，以500Hz的精度步進(jìn),，則需要搜索20次，因此捕獲時(shí)間為20×31.875=637.5ms,。碼失鎖后,，由于載波已經(jīng)鎖定，且本地晶振短期穩(wěn)定度較高(如10-7),，這樣中斷30s后,，時(shí)間不確定度為±3000ns，大約對(duì)應(yīng)±12個(gè)chip,，考慮±15個(gè)chip的搜索長(zhǎng)度,，同樣以1/2碼片步進(jìn)進(jìn)行搜索，則需要重捕時(shí)間為30÷×62.5μs=3.75ms,。保守地考慮系統(tǒng)的相應(yīng)時(shí)間,，信號(hào)的捕獲時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足1s的指標(biāo)要求。
3.2 捕獲帶寬
捕獲帶寬是環(huán)路能夠通過捕獲過程而獲得衛(wèi)星信號(hào)的粗同步所允許的最大固有頻差△f0max,。若環(huán)路的捕獲帶寬小于最大固有頻差,，則不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲。本捕獲電路輸入信號(hào)和捕獲電路采用同一個(gè)高精度的本振,，因此可以忽略由于不同頻率基準(zhǔn)而引入的誤差,。如前所述,，在考慮運(yùn)動(dòng)載體300m/s 的動(dòng)態(tài)下，有大約2.5kHz的多普勒頻率,。所以輸入信號(hào)的變化范圍可以確定為±2.5kHz,，滿足捕獲要求即為△fn>△f0max=2.491kHz。下面分析本捕獲電路的捕獲帶寬△fn,。為了減少噪聲引起的相位抖動(dòng),，選取環(huán)路的噪聲帶寬與信息速率之比為0.1[1]。在雙星系統(tǒng)中信息速率為16kbps,環(huán)路噪聲帶寬BL可以取1.6kHz,。在考察載波參考相位抖動(dòng)和解調(diào)損失條件下取BL為950Hz,，
C/N0：系統(tǒng)的載噪比。在雙星系統(tǒng)中天線的口最小功率為156.7dBw,，天線增益為0dB,工作溫度為50°下,，系統(tǒng)的載噪比為46.7dB。
2BI：環(huán)前的中頻帶寬,。BI取信息速率的2倍即為32kHz,。
通過以上對(duì)雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星接收信號(hào)捕獲原理分析，建立了應(yīng)用比較廣泛的捕獲電路,，并對(duì)本電路的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)分析,，最終結(jié)論表明，此電路的性能指標(biāo)滿足雙星系統(tǒng)的應(yīng)用要求,。
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