卫星导航系统中的BOC调制和接收技术分析

BOC调制是一种新的调制方式,能够实现频谱分离并能够充分利用整个频带,比传统的BPSK调制拥有更好的自相关特性,以至于能够改善定位精度。由于BOC调制信号在载波频率点处有较低的功率谱密度,因而,在未来的卫星导航系统中使用BOC调制信号将能够减少信号间的干扰。本文详细地分析了BOC调制信号的特点,通过对功率谱密度函数、自相关函数、Gabor带宽和码跟踪精度等参数的分析和仿真,验证了BOC调制信号在相关特性、抗干扰能力和码跟踪精度方面的优越性。并针对BOC调制信号自相关峰的多峰带来的跟踪不确定性会使捕获复杂度增加和带来跟踪误差的问题,本文介绍了几种BOC调制信号的接收技术,可为我国自主研发的导航系统的信号体制设计和系统优化提供技术支撑。     

Strobe double phase estimator: a multipath mitigating technique for BOC signal in GNSS based on double phase estimator

Double phase estimator (DPE) is an unambiguous binary offset carrier (BOC) tracking algorithm for band‐limited receivers in Global Navigation Satellite Systems. Based on the strobe pulse method, the DPE was modified by introducing a strobe waveform in the prompt signal correlation process of the subcarrier phase lock loop in this paper.. This strobe DPE (SDPE) employs no additional correlators. Two different reference strobe waveforms and their receiving structures are provided. The performance of the SDPE is characterized according to the subcarrier multipath error envelope (SMEE) and the tracking jitter. Simulation results show that, relative to conventional DPE, the first waveform employed in this study provides a reduction in the SMEE area of 81.1% and 75.1% for BOC(1,1) and BOC(14,2) signal, respectively. The second waveform employed in this study provides a reduction in the SMEE area of 82.5% and 76.8% for BOC(1,1) and BOC(14,2) signal, respectively. They also both outperform the double estimator about 64.4% and 53.2% for BOC(1,1) and BOC(14,2) signal in the SMEE area. However, the SDPE experiences a loss of ?6 and ?7.25 dB, respectively, for two reference waveforms in terms of the post‐coherent signal‐to‐noise ratio, which impacts its tracking precision. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

BPSK-LIKE算法信号级仿真验证与分析

针对BOC信号的频谱分裂和副峰模糊特性,在分析BPSK-LIKE跟踪算法的理论基础上,通过对上、下边带分别进行BPSK解调验证该算法的正确性。通过比较BPSK盲解调得到的伪码极性和时延的一致性达到验证的目的。从而证明了在实际解调中,可以通过处理任意1个边带的信号或者分别处理2个边带信号来完成BOC信号的跟踪解调。在此基础上,通过信号级仿真实现了该算法对BOC信号的跟踪。     

同源多码流直接序列扩频信号性能分析

新一代GPS系统加入了二相偏移载波(BOC)调制信号。相对GPS传统PSK-R信号,BOC信号具有更多的高频分量,在抗干扰性能、码跟踪精度、频谱利用和给定带宽条件下的多信号复用诸方面获得改善和提高。该文分析提出,GPS传统C/A码和P(Y)码信号做为整体时具有与BOC信号相似的特性。该文将其推广到一般化同源多码流信号,分析表明,可以将同源多码流信号作为新信号形式联合处理,以在白噪声和人为干扰具主导作用环境提高码跟踪性能。该文得出两种经典信号谱型条件下,以信号参数表示的码跟踪误差改善的表达式并给出了实现3 dB码跟踪性能改善的参数数值。     

Application of generalized binary offset carrier modulation in BeiDou satellite navigation system

As quickly growing of global navigation satellite system community, there is increasing interest in new signals for military and civilian uses. New signals must provide more robustness, higher performance, and greater capacity than already-existing signals and compliant with the radio frequency compatibility rule with existing and planned signals. This paper presents a class of particularly attractive modulations called Generalized Binary Offset Carrier (GBOC) modulations, and demonstrates their essential characteristics and performance in the signal design of BeiDou system. The GBOC modulations can offer additional degrees of freedom for shaping the signal’s spectrum and provide superior performance in code tracking, multipath and compatibility than other BPSK and BOC modulations. The results show that the proposed modulation can provide potential opportunities for BeiDou satellite navigation system modernization and construction.     

同阶二元偏移载波调制信号跟踪技术

针对同阶二元偏移载波调制卫星导航信号,提出一种高效新算法解决信号跟踪中的模糊性。分析了同阶二元偏移载波调制原理、信号跟踪模糊性及解决方法,利用本地扩频码与接收信号的相关函数特点,构建了码跟踪环路鉴相曲线,选择了合适的相关间距作为符号判决,联合构成鉴相器,推导了算法设计的正确性,给出了实现架构。仿真结果表明,码相位捕获误差±0.9个码片内均可正确跟踪。该方法可进一步应用于全球卫星导航系统新体制信号的接收处理。     

BOC信号解模糊通用模型的构建与应用

针对现有边峰消除方法缺乏理论分析模型的问题,提出了一种新的边峰消除理论分析通用模型,将现有的各种基于相关函数组合的二进制偏移载波(BOC)信号无模糊处理方法统一起来,同时为算法的设计提供了有力的数学工具.该模型通过建立泛化的扩频符号波形,构建接收BOC信号与本地辅助信号的互相关函数.基于现有方法对该模型进行了数学证明.并在此模型的基础上提出了一种新的基于合成相关函数的BOC信号无模糊跟踪方法.理论分析与仿真结果表明,新的无模糊跟踪方法能够在保持BOC自相关函数主峰宽度的前提下,完全消除其边峰,实现无模糊跟踪,同时该方法具有较好的多径抑制能力.     

电离层色散效应对宽带BOC信号的影响

电离层色散特性导致宽带二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)信号的码片时域波形和相关函数曲线产生畸变,影响BOC信号完好性和跟踪性能。为了评估电离层对BOC信号传输的影响,构建了宽带BOC信号的电离层影响分析框架,分析了电离层色散效应对码片时域波形和相关特性的影响,并评估了三类典型BOC信号的带内电离层色散效应在码跟踪环路和载波跟踪环路引入的偏差。研究结果表明,电离层色散效应会导致宽带BOC信号时域码片实部和虚部边缘产生抖动现象,色散信号与标准信号间的互相关函数会产生明显的相关损耗;在电离层活跃期间,电离层色散效应在码跟踪与载波相位跟踪中均引入明显的鉴别误差。该结果对BOC信号的电离层误差的评估与校正有一定的参考意义。     

伽利略系统BOC信号的特性及码跟踪方法研究

为了节省卫星频率资源并提高导航信号的可靠性,新一代的导航定位系统采用了一种更有效的调制方式-BOC调制,它具有与BPSK之间串扰小、抗衰落能力强等诸多优点.但由于BOC调制信号特性比较复杂,因此加大了接收处理的难度.本文主要从理论上介绍了BOC和Alt-BOC的调制方式和信号产生方法、调制后信号的频谱特性以及自相关函数特性,依此分析了BOC信号自相关结果的多峰值特性和由此特性造成的跟踪和锁定难度的增加,以及相应于其频谱特性栽的信号处理方法.并在此基础上提出了一种能提高码跟踪可靠性的基带信号相关处理方法,Matlab仿真结果表明此方法有较好的效果,能提高码跟踪的可靠性.     

Code phase discrimination function shaping method for Compass B1C QMBOC (6,1,4/33) signal

The discrimination function shaping method has been proposed to improve the anti‐multipath performance for a global navigation satellite system receiver. However, the existing methods fail to fully exploit the potential anti‐multipath performance of multiplexed binary offset carrier (MBOC)–modulated signals. In this paper, a code phase discrimination function shaping method is proposed for a Compass B1C quadrature MBOC‐modulated signal. The in‐phase binary offset carrier (BOC) (1,1) signal and quadrature‐phase BOC (6,1) signal replicas are designed according to the least squares estimation. Then a shifted cross‐correlation function (CCF) between the in‐phase BOC (1,1) signal and its pseudorandom noise code is multiplied with the obtained CCFs to ensure an unambiguous tracking. Finally, a discrimination function with a small pull‐in range can be obtained by a weighed combination of the in‐phase and quadrature‐phase CCFs. A computer simulation is conducted to assess the performances under multipath and thermal noise conditions.     

一种新型卫星导航信号波形畸变特性评估新方法

全球卫星导航系统(GNSS)导航信号的波形特性将会影响导航信号质量,而信号质量优劣则直接决定了整个GNSS的服务性能极限。传统的波形畸变评估方法主要针对传统相移键控(PSK)调制信号的波形幅度和宽度开展研究,而忽视了波形不对称对跟踪误差和测距误差带来的影响。该文在国际民航组织(ICAO)所采用的传统测距码波形分析模型TMA/TMB/TMC基础上,给出了适用于各种新型二进制偏置载波(BOC)调制的波形畸变分析扩展模型。接着提出能够精细分析波形上升下降沿对称特性(WRaFES)分析模型,并从时域波形、相关函数、S曲线过零点偏差3个方面,深入仿真分析了WRaFES模型的性能特点。最后,以北斗试验卫星M1-S B1Cd信号为例,给出了基于WRaFES模型及相关曲线特性的实测分析结果。研究表明:该方法能够精确分析导航信号波形不对称性及对用户带来的影响,研究成果可为新型卫星导航信号评估提供一种新方法和新思路,同时还可为GNSS用户接收机相关器间隔参数的合理选取提供建议和技术支撑。     

基于局部相关函数插值的二进制偏移载波调制信号码相位估计与鉴相方法

为了进一步提高卫星导航接收机对BOC(1,1)及其衍生类型调制信号的码鉴相的质量和跟踪能力,尤其是在高动态下的跟踪性能。该文提出一种基于局部相关函数插值的方法确定BOC(1,1)调制信号的码相位。该方法基于相关器阵列的结构,根据相关器阵列的输出值判断相关峰值的大致范围。利用广义延拓逼近的方法估计码相位的位置,同时在缺少延拓空间的情况下构造一个虚拟的相关器以完成对码相位的估计。该文具体分析了单侧相关器个数对牵入范围的影响,在此基础上对所提方法进行了计算机仿真实验。理论和仿真证明:所提方法能够在不增加过多硬件资源的条件下扩大码鉴相函数的线性牵入范围,进而能够提高接收机对于BOC调制信号的跟踪精度。     

Galileo系统中MBOC调制信号及性能分析

MBOC(Multiplexed Binary Offset Carrier)调制是GalileoE1频段以及GPS L1C频段推荐使用的一种优化调制方式。与BOC调制相比,MBOC调制方式的功率谱密度函数提供了更为丰富的高频分量,因此具有更高的伪码跟踪精度和抗多径性能。Galileo E1 OS采用了CBOC(6,1,1/11)(Composite Binary Offset Carrier)的方式实现MBOC调制。通过MATLAB仿真,对该信号的自相关函数、频谱特性进行了研究,并且通过与BOC调制信号的比对,证明了MBOC在码跟踪特性和抗多径性能方面的优越性。     

BOC调制伪码跟踪热噪声误差研究

介绍了BOC调制的定义,研究了BOC调制伪码跟踪热噪声误差Cremer-Rao界与调制参数之间的关系,所得结论可为BOC调制信号参数设计提供理论指导。分析了GPS和Galileo接收机伪码跟踪热噪声的理论误差,可为GPS和Galileo接收机伪码跟踪算法性能评价提供参考。     

Performance Analysis of GPS Receivers in Non-Gaussian Noise Incorporating Precorrelation Filter and Sampling Rate

Global positioning system (GPS) receivers find growing applications in indoor and outdoor communication environments, including urban and rural areas. Interference and noise sources for GPS receivers may assume Gaussian or non-Gaussian distributions. The GPS receiver performance under Gaussian additive noise has been studied. Non-Gaussian noise may equally contaminate the GPS satellite signals and disturb the receiver delay lock loops (DLL), producing significant tracking errors. These sources include impulsive noise, ultra-wideband (UWB) signals, and impulse and noise radar signals for target tracking and indoor imaging applications. This paper considers non-Gaussian noise of finite variance and examines its effect on the discriminator outputs for the commercial GPS receiver that uses the coarse acquisition (C/A) code. The correlator noise output components are produced from the correlation between the noise sequence and the early, late, and punctual reference C/A code. Due to the long time averaging, which is characteristic of the GPS correlation loops, these components assume Gaussian distributions. The discriminator tracking error variance is derived, incorporating the effect of noise, the front-end precorrelation filter, and the sampling rate.     

卫星导航信号抗单频干扰性能研究

不同信号体制的导航信号受单频干扰的影响不同.目前针对此问题的分析都是在干扰为高斯分布以及忽略伪码离散频谱的前提下进行的.本文针对非相干超前减滞后功率鉴相器,考虑了伪码离散谱线的影响,导出了非带限情况下单频干扰导致的最大跟踪误差的解析式,并进行了仿真验证.提出用最大跟踪误差,以及在此基础上得出的平均跟踪误差和相对跟踪误差...     

导航信号的BOC调制方式

BOC调制方式适应导航发展的新需要,它实现了频谱分裂以充分利用现有频段资源,且具有比传统BPSK调制方式更好的相关性能,从而可以提高根据相关特性测距的精度。介绍了BOC调制信号的频谱、功率谱和相关函数的特点。针对BOC调制信号相关函数的多峰结构容易造成捕获模糊,提出了3种相应的接收处理方法:类似BPSK的单边带处理方法、峰跳法和一种无模糊跟踪鉴相器算法。     

GPS信号抗干扰性能分析

由于GPS信号发射功率有限,常常淹没在噪声中,研究信号的抗干扰性能尤为重要。分别从捕获和码跟踪的角度,讨论了GPS信号抗干扰性能差异。由于各种不同调制方式的GPS信号的功率谱分布不同,则其抗干扰能力也不尽相同。针对不同的信号调制方式,仿真分析了窄带干扰和带限白噪声干扰对捕获的影响及窄带干扰对码跟踪精度的影响,综合这2个方面得出BOC调制是一种更优的调制方式。     

一种新颖的GNSSBOC信号无模糊相关技术研究

现代GNSS卫星导航系统建设中,采用了BOC、MBOC和AltBOC等新体制信号。新体制信号虽然有优于BPSK信号的性能,但其相关函数的多副峰特性导致其较传统BPSK信号难于捕获和跟踪,特别是在多径环境下,难度进一步加大。本文首先对BOC信号的数学特性及模糊问题成因进行了分析,进而提出了一种新的BOC相关函数无模糊相关技术。最后,通过Matlab仿真验证了算法的有效性,为BOC信号无模糊跟踪的工程实现奠定理论基础。     

北斗B1C频点正交复用二进制偏移载波信号闸波设计方法

第3代北斗卫星导航系统中B1C频点信号将使用正交复用二进制偏移载波调制方式。为了增强北斗卫星导航接收机码跟踪环路的抗多径性能并且解决码跟踪中的模糊跟踪问题,该文针对正交复用二进制偏移载波调制信号QMBOC(6, 1, 4/33)提出一种双闸波码跟踪环路结构。根据理想的目标鉴相函数和二进制偏移载波调制信号自相关函数的特点分别设计出针对BOC(1, 1)和BOC(6, 1)信号的闸波,并在本地码跟踪环路中使用这两种不同的闸波分别与输入信号相关,最后将所得的两个相关函数进行加权合并以用于鉴相过程。计算机仿真结果表明所提方法不仅能够有效消除QMBOC(6, 1, 4/33)信号的模糊跟踪可能性,且能够大幅增强接收机的抗多径性能,其对应多径误差包络面积相比于现有的方法能够减少约33%。