BOC调制导航信号关键技术研究

楚恒林,李春霞

(北京环球信息中心,北京100094)

0 引言

BOC调制能将共用一个发射频率的信号频谱分开,实现共用载波频率条件下的频谱分离。同时BOC调制作为一种导航信号体制,具有良好的抗多径和抗干扰性能。BOC调制实现频谱隔离是美国GPS现代化计划的主要内容,是美军提升GPS导航战能力的主要措施,是实现军民复用导航信号体制的核心。

随着Compass系统、美国GPS系统、欧洲Galileo系统、俄罗斯GLONASS系统及其他系统的开发、部署和升级,有限的导航频率成为了稀缺资源,多系统之间的兼容性(Compatibility)和互操作性(Interoperability)成为日益重要的一个论题。如何在满足军事应用需求的基础上兼顾民事应用需求,同时又满足与其他系统的兼容性和互操作性要求,成为当前信号体制研究亟待解决的问题。

1 BOC调制技术

调制方式包含2个方面:扩频码调制和信号合成。GPS现代化信号结构中,新增加了3种L波段信号,分别是Block IIR-M卫星L2频率上增加民用L2C信号、在Block IIF卫星上增发第3个民用L5信号以及在Block IIR-M卫星的L1和L2上新增的现代化军用BOC(10,5)的M码。未来还将在Block III卫星L1频段上播发BOC调制的L1C信号。GPS系统信号结构如表1所示。

表1 GPS系统信号结构

Galileo在E5a和E2-L1-E1上Galileo信号将分别采用与GPS的L5和L1相同的频率。Galileo信号结构如表2所示。

表2 Galileo信号结构

1.1 BOC调制

BOC(Binary Offset Carrier),二进制偏置载波调制,是在GPS现代化和Galileo系统设计中提出的一种新的调制方式。基本原理是在原有的BPSK调制基础上,再增加一个二进制副载波(目前主要是由正弦或余弦型符号函数构成的副载波,即形似sgn(sin(t))或sgn(cos(t)),以正弦或余弦信号为参数的符号函数)。这种调制方式的特点是,其功率谱的主瓣分裂成对称的两部分,根据选择的参数不同,2个偏移频谱的距离也可调整。常用BOC(m,n)的形式表示,其中m为副载波频率,n为扩频码速率。

BOC调制是Jhon W.Betz最先提出的。GPS采用BOC的主要目的是实现军民频谱分离,确保军用的安全。在Galileo系统的设计中,采用BOC调制,可能的主要原因是与GPS的信号分离。由于导航频段资源的限制,最理想的频率资源已被GPS占了,根据美欧谈判,Galileo信号必须避开GPS信号,只有采用BOC分离频谱才能解决问题。因此推测,Galileo BOC信号的设计的输入条件之一,实际是信号功率谱赋形的一种反推过程,可能是根据实际需要而生成的一种调制方式。

1.1.1 MBOC调制

MBOC由Guenter W.Hein领导的信号设计团队和Jhon W.Betz领导的Galileo信号设计团队共同提出的。MBOC是一种信号复用的统称,其具体实现目前主要有2种:CBOC和TMBOC。CBOC是根据BOC(1,1)和BOC(6,1)不同的功率(幅值)权重构成的4电平符号来实现,是幅值的复合实现。TMBOC类似时分复用,即在规定的一组码片长度里固定的几个位置是BOC(6,1),其他位置都是BOC(1,1)。

MBOC(6,1,1/11)功率谱密度由BOC(1,1)功率谱密度和BOC(6,1)功率谱密度按一定的比例混合而成,可以表示为:

式中,GBOC(m,n)(f)为BOC(m,n)的归一化功率谱密度。

根据IS-GPS-800定义,GPS L1C信号采用TMBOC实现MBOC,其定义为数据通道采用BOC(1,1),导航通道采用TMBOC(6,1,4/33),由BOC(1,1)和BOC(6,1)时分构成,比例为4/33,数据通道和导航通道的功率比为1∶3,可以表示为:

1.1.2 AltBoc调制

AltBOC是Galileo系统设计的一种很有意义的调制方式,调制方式为四信号复用,具备了很明显的同载波恒包络调制的特点。能将4个信号调制在一个频点上,并且增加了4个互调项信号以保证合成信号的恒包络特性。

常规AltBOC调制中,信号由两部分构成。第一部分为复信号eb(t)=eb-I(t)+j◦eb-Q(t)乘以复方波er(t)=cr(t)+j◦sr(t),其中cr(t)和sr(t)分别为余弦和正弦的符号函数;第二部分为复信号ea(t)=ea-I(t)+j◦ea-Q(t)乘以复方波er(t)的共轭e*r(t)=cr(t)-j◦sr(t)。

Galileo的AltBOC信号更为复杂。

1.2 BOC信号合路

信号合路指通过某种方式将同一频点的多个已调制的导航信号合路输出。一个频点存在2个导航信号时,采用恒定包络正交调制,如GPS L1频率上的C/A和P(Y)码。如果同一个频点存在3个或3个以上的导航信号,例如GPS L1频点新增M码,合路方式就需要重新研究。

1.2.1 目前合路调制方式

(1)分开发射

将M码与C/A和P(Y)码分开发射,M码使用独立的调制器、放大器和天线,对原来的 C/A和P(Y)信号不造成影响,但在卫星上增加一个独立的天线和放大器来简化调制设计不可行。

(2)直接调制

将M码直接调制到同相或正交支路上。M信号由军用数据信号和扩频码相乘得到:dM(t)CM(t),如果将M信号线性叠加到现有基带信号的正交分量上,则

复合信号已不再是恒定包络。当信号通过非线性放大器时,由于信号幅度的变化会引起幅度和相位畸变,除非当信号进入功率放大器饱和区域,功率放大器可以返回到线性工作区域,但在这样处理会导致几个dB的功率损失。

(3)硬限幅(Hard-limiting)

Hard-limiting方式通过将幅度变化限制在最小范围内,把非恒定包络信号“变成”恒定包络信号。在M码与C/A功率相同的情况下,这种方法大约会导致0.8 dB的合路损失。确切的损失功率与M码与C/A和P(Y)码3个信号功率的平衡性密切相关,但是,理想的信号平衡性是很难达到的。

(4)多逻辑判决(Majority Voting)

Majority Voting是将M码与C/A和P(Y)码通过择多逻辑合并。这种方法是采用时分复用方式,同相和正交信号单独以恒定包络形式发射。这种方法的缺点是,合并过程中,M码与C/A和P(Y)码功率相等情况下,每个码元有1.25 dB的择多逻辑合路损失。

针对以上合路方式的缺点,提高调制效率,降低卫星载荷设计的复杂度,Galileo采用了Interplex和AltBoc调制实现三信号和四信号的同频调制,而GPS采用了相干自适应副载波调制(CASM)实现多信号的同频调制。

1.2.2 改进的调制方式

(1)Interplex调制

Interplex调制是一种相移键控/相位调制方式(PSK/PM),其表达形式为:

式中,P为总的平均功率;θ(t)为调制相位;φ为随机相位。

在卫星导航系统的应用中,相位调制可以表示为:

式中,sn(t)=±1;N为信号个数;βn为调制角度或调制系数。

以伽利略E1信号为例,3个信号复用同样的载波:s1信号位于正交通道;s2和s3信号位于同相通道。这样由3个信号组成的交叉复用信号可以表示为:

将式(9)展开可以得到:

其中前3项对应于所需要的信号s1、s2和s3,第4项为不需要的交调项,该交调项为由调制系数β2和 β3平衡的3个有效信号的乘积,就像在常数AltBOC调制一样,即使Interplex调制允许获得恒包络,该交调项任然消耗了用于传输3个有用信号功率的一部分,但是相对于AltBOC来说,可以通过调整调制系数最小化交调项所消耗的功率。

(2)相干自适应副载波调制

CASM是一种恒定包络相干自适应副载波合路方式。采用CASM合路方法可使军码捕获、跟踪的正交多路信号调制到GPS的L1/L2载波上。

CASM并不是用副载波信号直接调制载波,而是通过引入二进制数据和码分离函数,αd,βc来预乘载波数据和调制码。在单一副载波方式中,相位φ(t)由副载波信号 Θ(t)修正,Θ(t)定义为:

式中,φs(t)为角频率为 ωs=2πfs的周期副载波信号(正弦波、方波或三角波等);m为调制指数;ds(t)为副载波数据信息;Cs(t)为非归零码(NRZ)伪随机噪声(PRN),码率为RCs、φs是复合副载波信号。

CASM的相位调制信号表示为:

同相分量包络为:

正交分量包络为:

经过修正的副载波包络为:

由于副载波调制信号对S0(t)的I0(t)和Q0(t)两个分量分别进行相位调制,所以信号的包络是独立于 Θ(t)的选择。

基于上述,可以用CASM来调制宽带M码来提高效率。正交和同相信号的功率比、码字和导航数据的分布及M码特性都可以通过m、PI、PQ和二进制分离函数 αd和βc的调节得到。

2 BOC调制导航信号性能分析

BOC调制信号导航性能方面主要包括伪码跟踪性能和抗多径误差能力等。

2.1 跟踪性能

伪码跟踪性能由输入载噪比、相关积分时间和伪码信号的均方根带宽决定,而伪码信号的均方根带宽与调制方式、码率和信号带宽3项因素有关。GPS伪码跟踪热噪声误差如表3所示。

表3 GPS伪码跟踪热噪声误差表

由结果可见:M码与民码相比,噪声误差小一个数量级;M码与原来采用BPSK调制的军码P(Y)码相比,尽管码率降低了一半,噪声误差仅为原来的1/5。BOC信号与BPSK信号相比具有较大的均方根带宽,因而具有更高的伪码测距精度。Galileo接收机伪码跟踪热噪声误差如表4所示。

表4 Galileo接收机伪码跟踪热噪声误差表

由结果可见,用于PRS服务的E6A和E1A信号的精度与GPS M码的精度相当或更好。用于CS服务的E6B/E6C信号和OS/CS/SoL服务的E1B/E1C信号的精度比GPS第二民用信号和C/A码的精度提高了2～3倍。

2.2 多径抑制性能分析

伪码跟踪误差与伪码延时锁定环(DLL)鉴相器的类型有关。设采用相干伪码时延跟踪环,不考虑码环噪声的理想情况下其稳态方程为:

式中,ε为多径引起的伪码跟踪误差;d为码环鉴相器早码与晚码之间的间隔;R(◦)为码相关函数;M为多径信号的数目;αk、τk、δk分别为第k路多径信号相对直达信号的幅度、相位和时延。

在给定多径信号的条件下,多径误差ε的大小可由上述方程求解得出。由该方程,多径误差ε的大小与多径信号相对于直达信号的幅度、相位和时延有关,还与伪码信号相关函数形状有关。由于不同调制类型伪码信号相关函数不同,它们的多径误差与时延关系不同。

给定多径时延和幅度条件下,改变多径信号与直达信号之间的相对相位 φ,φ=0°和φ=180°分别对应于正包络和负包络。多径包络在给定DLL的条件下,取决于伪码信号类型、多径信号相对于直达信号的幅度和时延。

采用早晚相关器间隔d=0.1的相干伪码DLL条件下,5.115 MHz、10.23 MHz BPSK信号,BOC(15,10)、BOC(10,5)信号多径包络与多径时延的关系曲线如图1所示。

由此可见:

①BOC信号多径误差比BPSK信号小。采用BOC调制,即使码率稍小,也可能取得比BPSK调制更小的多径误差;

②对于BPSK信号,码率越大多径误差越小;

③对于BOC信号,副载波频率越大,码率越大,多径误差越小。

图1 4种伪码信号多径包络与多径时延关系曲线

理论分析如下:①经BOC调制后伪码信号峰值变尖锐;②伪码信号自相关函数随着码率的增大主瓣变尖锐;③副载波频率越大,码率越大,BOC信号自相关函数主瓣峰值越尖锐。主瓣越尖锐,DLL鉴相器输出误差信号随输入的变化越敏感,码跟踪多径误差越小。

3 结束语

BOC调制信号在相同码速率条件下比BPSK调制信号具有多径误差小、码跟踪热噪声误差小的优点,是卫星导航系统信号体制设计下一步方向和热点。但同时由于采用BOC调制,复合信号不再是恒定包络,相关器鉴相曲线中存在多个稳定点,因此,在卫星调制器中调制信号合路和接收机伪码捕获和伪码跟踪具体技术实现中,还面临许多新的问题,需要深入研究。

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