基于最小頻移鍵控調(diào)制的北斗系統(tǒng)全球信號(hào)體制l頻段信號(hào)波形設(shè)計(jì)

1信號(hào)體制參數(shù)隨著各國(guó)家加快建立自己的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，越來越多的gnss信號(hào)將共享有限的l頻帶導(dǎo)航光譜資源，尤其是p1-a1-1b段（1559hz-1610mhz）。由于各GNSS系統(tǒng)信號(hào)間的頻譜重疊不可避免,使得導(dǎo)航信號(hào)的兼容性和譜安全性問題變得嚴(yán)峻,也對(duì)未來GNSS系統(tǒng)在L頻段的信號(hào)體制設(shè)計(jì)提出更高的要求。在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域,信號(hào)體制是導(dǎo)航系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),決定了系統(tǒng)導(dǎo)航定位服務(wù)的性能上界。信號(hào)體制參數(shù)主要包括:中心頻率、帶寬、調(diào)制波形、擴(kuò)頻碼速率、電文結(jié)構(gòu)、信息速率、以及信道編碼等。在導(dǎo)航信號(hào)體制的主要參數(shù)中,信號(hào)的調(diào)制波形決定了導(dǎo)航信號(hào)的功率譜包絡(luò),而功率譜包絡(luò)表征了信號(hào)功率譜的全局特征,對(duì)信號(hào)的碼跟蹤性能、抗多徑性能、抗干擾性能、以及信號(hào)頻譜分離的兼容性能都有決定性的影響。因此,有效的信號(hào)波形設(shè)計(jì)不僅能提高導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位性能,也將是緩解現(xiàn)階段頻譜資源緊張,減小與同頻段相鄰信號(hào)干擾的有效解決辦法,成為現(xiàn)代化GNSS信號(hào)體制設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。2信號(hào)的兼容性分析與GPS現(xiàn)代化信號(hào)體制相比,我國(guó)的北斗系統(tǒng)(Compass)全球信號(hào)體制在L1-E1-B1頻段只提供兩種服務(wù)類型的導(dǎo)航信號(hào),包括采用復(fù)合二進(jìn)制偏移載波(MultiplexedBinaryOffsetCarrier,MBOC)調(diào)制的公開服務(wù)信號(hào)B1C,以及采用二進(jìn)制偏移載波(BinaryOffsetCarrier,BOC)調(diào)制的授權(quán)信號(hào)B1A。一方面,由信號(hào)的導(dǎo)航性能分析可知,出于互操作需求的考慮,北斗B1C信號(hào)只能采用與GPS、Galileo公開服務(wù)信號(hào)相同的MBOC調(diào)制方式,而MBOC調(diào)制的高頻分量由于功率分配比例很低,為B1C信號(hào)帶來的碼跟蹤精度等性能改善有限。而北斗B1A授權(quán)信號(hào)雖然具有較高的副載波調(diào)制頻率,使信號(hào)的碼跟蹤精度、抗多徑等性能得到較大改善,但是B1A信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)邊峰數(shù)目較多,且與主峰幅度相差不大,在導(dǎo)航接收機(jī)的捕獲和跟蹤信號(hào)處理中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的模糊度問題,而模糊度消除裝置無(wú)疑會(huì)增加接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。另一方面,由信號(hào)的兼容性分析可知,北斗B1C信號(hào)頻譜與GPS、Galileo的互操作信號(hào)完全重疊,使得B1C信號(hào)的譜安全性較差,較容易受到GNSS系統(tǒng)間的信號(hào)干擾。而北斗B1A授權(quán)信號(hào)的頻譜與GPS軍用信號(hào)M碼和Galileo授權(quán)信號(hào)E1PRS均有不同程度的重疊,尤其是高頻端與GalileoE1PRS重疊嚴(yán)重,使得為北斗提供軍用和授權(quán)服務(wù)的B1A信號(hào)更容易受到干擾而造成性能惡化。綜上所述,基于國(guó)家安全、以及提供多樣化的導(dǎo)航和定位服務(wù)類型需求的考慮,有必要在未來北斗系統(tǒng)全球信號(hào)體制中增加新的導(dǎo)航信號(hào),爭(zhēng)取分配更多的導(dǎo)航頻譜資源,以提高北斗系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力,并進(jìn)一步提高L頻段的頻譜利用率。然而,目前衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)普遍采用的BPSK、BOC、以及MBOC等波形調(diào)制方式的信號(hào)功率譜旁瓣幅度較大,且衰減速度較慢,不能滿足在過度擁擠的L1-E1-B1頻段上進(jìn)一步增加導(dǎo)航信號(hào)的兼容性設(shè)計(jì)要求。這就需要北斗系統(tǒng)在該頻段的新增信號(hào)不但具有優(yōu)良的導(dǎo)航性能,還需具有較好的帶外頻譜抑制特性,減小與同頻段相鄰信號(hào)的頻譜重疊。因此,導(dǎo)航信號(hào)的波形調(diào)制方式、以及在導(dǎo)航性能與兼容性約束條件下的波形設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。3波調(diào)制相位計(jì)算目前在通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的最小頻移鍵控(MinimumShiftKeying,MSK)調(diào)制是一種具有較好的旁瓣衰落特性的連續(xù)相位恒包絡(luò)波形調(diào)制技術(shù)。MSK信號(hào)時(shí)域表達(dá)式可表示為:sn(t)=√2Ρcos[2πfcat+φn(t)+φ0](1)其中,P是載波功率;fca是載波頻率;φn(t)是載波調(diào)制相位;φ0是相位偏差。當(dāng)MSK調(diào)制指數(shù)h取值為1/2時(shí),碼序列的頻率脈沖可表示為:pn(t)=12Τsc,(n-1)Τsc≤t≤nΤsc(2)載波調(diào)制相位可表示為:φn(t)=2πht∫-∞∑kck(t)pn(t-kΤsc)dt=πcn(t-nΤsc)2Τsc+π2n∑k=1ck(3)其中,ck是二進(jìn)制碼序列;Tsc是碼片的時(shí)間間隔。將輸入的碼速率為fsc=1/Tsc的二進(jìn)制碼流ck(t)重新復(fù)用到兩個(gè)碼流aI(t)和aQ(t)的MSK信號(hào)時(shí)域表達(dá)式如下式所示:sΜSΚ(t)=√2Ρ[aΙ(t)cos(πt2Τsc)cos(2πfcat)+aQ(t)sin(πt2Τsc)sin(2πfcat)](4)因此,可以將MSK信號(hào)看作為OQPSK信號(hào)的一種特殊形式,MSK符號(hào)脈沖和歸一化功率譜密度可分別表示為:pΜSΚ(t)={cos(πtΤsc),0≤t≤Τsc0,其它(5)GΜSΚ(f)=8f3scπ2cos2(πffsc)(f2sc-4f2)2(6)其中,fsc為碼片速率。4gnss信號(hào)體制針對(duì)北斗系統(tǒng)在L1-E1-B1頻段的信號(hào)設(shè)計(jì)問題,從信號(hào)的兼容性和導(dǎo)航性能兩個(gè)方面,提出信號(hào)的波形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。首先,為了確保新增信號(hào)的譜安全性,并減小對(duì)同頻段相鄰信號(hào)的干擾,提出的新增信號(hào)與同頻段非互操作信號(hào)的頻譜分離系數(shù)(SpectralSeparationCoefficient,SSC)、以及碼跟蹤靈敏度系數(shù)(CodeTrackingSpectralSensitivityCoefficient,CT_SSC)均不能超過目前GNSS信號(hào)體制非互操作信號(hào)SSC和CT_SSC的最小值。則該頻段信號(hào)設(shè)計(jì)的兼容性約束條件可表示為:∫βr/2-βr/2GJ(f)Gs(f)df≤SSCMin(7)∫βr/2-βr/2f2GJ(f)Gs(f)df∫βr/2-βr/2f2Gs(f)df≤CΤ_SSCΜin(8)其中,βr為接收機(jī)前端帶寬;GJ(f)和Gs(f)分別為新增信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的歸一化功率譜密度。SSCMin和CT_SSCMin分別為目前GNSS信號(hào)體制在L1-E1-B1頻段非互操作信號(hào)的SSC和CT_SSC最小值-81.99dB/Hz和-81.75dB/Hz。其次,為了提高信號(hào)的導(dǎo)航性能,提出在滿足兼容性約束要求的基礎(chǔ)上,通過合理的信號(hào)波形設(shè)計(jì)增加導(dǎo)航信號(hào)的Gabor帶寬,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)時(shí)延估計(jì)誤差的減小,從而提高導(dǎo)航信號(hào)的定位精度。時(shí)延估計(jì)誤差的方差下界可表示為:σ2τ≥BLC/Ν08π2∫∞-∞|Ρ(f)|2df∫∞-∞f2|Ρ(f)|2df(9)其中,BL是接收機(jī)的等效噪聲帶寬;P(f)是信號(hào)時(shí)域波形的傅里葉變換;C/N0是信號(hào)有效接收的載噪比。根據(jù)式(9)可定義衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的Gabor帶寬,如下式所示:BGabor=√∫βr/2-βr/2f2Gs(f)df(10)其中,βr為接收機(jī)前端帶寬;Gs(f)為導(dǎo)航信號(hào)的功率譜。此外,由于多徑誤差是導(dǎo)航信號(hào)定位精度的主要誤差源之一,在信號(hào)波形設(shè)計(jì)中,可通過增加信號(hào)功率譜中的高頻分量比例改善信號(hào)的抗多徑性能。在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域,單反射路徑的多徑誤差計(jì)算公式可表示為:ετ≈±α1?βr/2∫-βr/2G(f)sin(2πfτ1)sin(πfd)df2π?βr/2∫-βr/2fG(f)sin(πfd)[1±α1cos(2πfτ1)]df(11)其中,βr為接收機(jī)前端帶寬;α1是多徑與直達(dá)信號(hào)幅度比;d是相關(guān)器間隔;τ1是多徑反射的額外延遲。因此,根據(jù)目前各GNSS系統(tǒng)在L1-E1-B1頻段上的信號(hào)分布情況,提出北斗系統(tǒng)在該頻段的新增信號(hào)采用基于MSK的波形調(diào)制方式,并通過偏移載波對(duì)MSK波形進(jìn)行二次調(diào)制,實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜相對(duì)中心頻點(diǎn)偏移的信號(hào)設(shè)計(jì)方案。該信號(hào)可記作MSK-BOC(m,n),調(diào)制參數(shù)m和n分別表示偏移載波頻率和碼速率相對(duì)于1.023MHz的整數(shù)倍。由BOC調(diào)制的定義,偏移載波可表示為:sc(t)=sign[sin(2πfst)](12)其中,fs為偏移載波頻率;sign為符號(hào)函數(shù)。進(jìn)一步,由于偏移載波頻率為5.115MHz時(shí),新增信號(hào)的譜峰位于GPSM碼的零點(diǎn)處,與M碼信號(hào)的頻譜重疊和相互干擾程度最小。同時(shí),在兼容性約束條件下,將信號(hào)的碼速率設(shè)為2.046MHz可進(jìn)一步提高信號(hào)的導(dǎo)航性能,且碼速率的增加可降低信號(hào)的歸一化功率譜密度,從而提高信號(hào)的抗干擾能力。因此,通過對(duì)信號(hào)的兼容性、信號(hào)的導(dǎo)航性能、以及信號(hào)接收的接收機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的折中,提出選擇偏移載波頻率為5.115MHz,碼速率為2.046MHz的MSK-BOC(5,2)調(diào)制信號(hào)作為未來北斗全球信號(hào)體制在L1-E1-B1頻段上新增信號(hào)的備選方案。由偏移載波頻率和碼速率信號(hào)參數(shù)可知,在半個(gè)碼片周期內(nèi)偏移載波的數(shù)目為奇數(shù),經(jīng)公式推導(dǎo)可得MSK-BOC(5,2)信號(hào)的歸一化功率譜密度為:GΜSΚ-BΟC(5,2)(f)=2f2sfccos2(πffc)π2(f2s-f2)2(13)其中,fs為偏移載波頻率5.115MHz;fc為碼速率2.046MHz。5本方案的信號(hào)特性圖1繪出了當(dāng)碼速率為2.046MHz時(shí),基于MSK調(diào)制和BPSK調(diào)制的信號(hào)功率譜密度。由圖1可知,在相同的碼速率下,基于MSK調(diào)制的信號(hào)功率譜第一旁瓣幅度比BPSK信號(hào)低約10dB,高階旁瓣的衰減速度比BPSK信號(hào)快,且更為明顯。表明MSK調(diào)制信號(hào)具有良好的帶外抑制特性,相比BPSK信號(hào)對(duì)同頻段導(dǎo)航信號(hào)的干擾更小。同時(shí),MSK調(diào)制信號(hào)功率譜的主瓣寬度比BPSK信號(hào)寬1.5倍,具有更多的高頻分量,表明基于MSK調(diào)制的信號(hào)具有更好的碼跟蹤精度。圖2繪出了L1-E1-B1頻段的信號(hào)分布和為該頻段新增信號(hào)設(shè)計(jì)的MSK-BOC(5,2)信號(hào)的功率譜密度。由圖2可知,MSK-BOC(5,2)信號(hào)的中心頻點(diǎn)位于1575.42MHz,與GPSM碼非互操作信號(hào)的頻譜分離系數(shù)和碼跟蹤靈敏度系數(shù)比SSCMin和CT_SSCMin分別低0.7dB和1.1dB,表明設(shè)計(jì)的新增信號(hào)滿足該頻段的兼容性約束要求。同時(shí),該信號(hào)與GPS和Galileo同頻段相鄰信號(hào)的頻譜重疊程度較小,歸一化功率譜密度較B1C信號(hào)更低,且譜峰位于GPSM碼頻譜的內(nèi)側(cè),表明該信號(hào)具有較高的譜安全性和抗干擾能力,且對(duì)GPSM碼的干擾影響比北斗B1A信號(hào)的影響小,可作為北斗系統(tǒng)的授權(quán)服務(wù)信號(hào)。此外,由于MSK調(diào)制信號(hào)具有恒包絡(luò)特性,通過星上高功放的非線性損耗小,更適合L頻段的導(dǎo)航信號(hào)傳輸。圖3繪出了MSK-BOC(5,2)信號(hào)、BOC(5,2)信號(hào)、以及MBOC(6,1,1/11)信號(hào)的Gabor帶寬曲線。由圖3可知,當(dāng)接收帶寬為15MHz時(shí),MSK-BOC(5,2)信號(hào)的Gabor帶寬比BOC(5,2)和MBOC(6,1,1/11)信號(hào)的Gabor帶寬分別大約0.6MHz和2.7MHz,表明在相同碼速率下,MSK-BOC調(diào)制信號(hào)比BOC信號(hào)具有更多的高頻分量,使得該信號(hào)具有優(yōu)于BOC調(diào)制信號(hào)的碼跟蹤性能。同時(shí),當(dāng)接收帶寬大于7MHz時(shí),MSK-BOC(5,2)信號(hào)的Gabor帶寬均大于MBOC(6,1,1/11)信號(hào)的Gabor帶寬,表明該信號(hào)具有優(yōu)于北斗B1C信號(hào)的碼跟蹤性能。此外,由于導(dǎo)航信號(hào)的副載波頻率越高,信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)邊峰數(shù)量越多,使得接收機(jī)的信號(hào)接收實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度越高,與采用BOC(14,2)調(diào)制的北斗B1A信號(hào)相比,MSK-BOC(5,2)信號(hào)的副載波頻率僅為5.115MHz,表明在相同的碼速率下,設(shè)計(jì)的新增信號(hào)的接收機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低于北斗B1A信號(hào)。圖4繪出了MSK-BOC(5,2)信號(hào)、BOC(5,2)信號(hào)、MBOC(6,1,1/11)信號(hào)的碼跟蹤誤差曲線。由圖4可知,當(dāng)信號(hào)接收帶寬為20MHz,信號(hào)接收載噪比為35dBHz時(shí),MSK-BOC(5,2)信號(hào)的碼跟蹤誤差為0.6米,比BOC(5,2)信號(hào)的碼跟蹤誤差小約0.08米,比MBOC(6,1,1/11)信號(hào)的碼跟蹤誤差小約0.6米,表明在相同的信號(hào)接收條件下,設(shè)計(jì)的新增信號(hào)具有更高的碼跟蹤精度。圖5繪出了當(dāng)接收機(jī)前端帶寬為20MHz,相關(guān)間隔為0.1碼片寬度,采用非相干超前減滯后延遲鎖定環(huán),多徑與直達(dá)信號(hào)幅度比為-6dB時(shí),MSK-BOC(5,2)信號(hào)、BOC(5,2)信號(hào)、MBOC(6,1,1/11)信號(hào)的多徑誤差包絡(luò)曲線。由圖5可知,在不同多徑延遲條件下,MSK-BOC(5,2)信號(hào)的多徑誤差包絡(luò)幅度均小于BOC(5,2)信號(hào)的多徑誤差包絡(luò)幅度。MSK-BOC(5,2)信號(hào)由多徑引起的最大偏差為2.4米,比MBOC(6,1,1/11)信號(hào)的最大偏差小0.9米,且MSK-BOC(5,2)信號(hào)的多徑誤差包絡(luò)曲線的收斂速度更快,表明該信號(hào)具有優(yōu)于BOC(5,2)信號(hào)和MBOC(6,1,1/11)信號(hào)的抗多徑性能。6多通道信號(hào)采集及調(diào)制信號(hào)針對(duì)在擁擠的L頻段設(shè)計(jì)更高性能導(dǎo)航信號(hào)的問題,本文通過在信號(hào)的兼容性約束條件和信號(hào)導(dǎo)航性能約束條件下的折中,提出了未來北斗全球信號(hào)體制在L1-E1-B1頻段上采用基于MSK波形調(diào)制的信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。仿真結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的優(yōu)化信號(hào)滿足該頻段的兼容性約束要求,與GPS和Gali