Galileo E1 OS信号捕获方法研究

陈颉，卢晓春，贺成艳



Galileo E1 OS信号捕获方法研究

陈颉1,2,3，卢晓春1,2，贺成艳1,2,3

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100039）

为了获得较好的捕获性能，解决Galileo E1 OS（开放服务）信号捕获过程中遇到的2个问题：信号功率利用不够充分，以及捕获结果的多峰错锁与相位模糊问题，设计了一种利用BPSK-like技术的双通道信号捕获方法。将此方法应用于实测信号，捕获结果主峰明显、几乎无旁瓣，捕获性能理想。

Galileo E1 OS信号；CBOC调制方式；信号捕获；BPSK-like技术；GIOVE-B卫星

0 引言

随着社会的快速发展和人类生活水平的不断提高，卫星导航定位服务已经应用于人类生活的各个方面。同时，各领域对导航服务性能的要求也越来越高，伴随而来的是相关技术的不断革新。

为了获得高性能的导航服务，现代GNSS系统采用了新的信号体制[1]。新的调制方式和早期的BPSK调制方式不同，它们主要采用BOC及其衍生型BOC调制方式，这主要是因为相对于BPSK调制方式而言，BOC信号具有更好的谱分离特性、抗干扰特性和相关性；在新的信号体制中，信号一般是多通道组合信号，由数据分量和导频分量构成，导航数据调制在数据分量上，而导频分量的码也不再是短码，而是由主码和次码构成的分层码。

新的信号体制及其调制方式的变革，使得传统的信号捕获算法不再适用。首先，传统的GNSS信号只有一个信号分量，而现代GNSS信号主要是多通道组合信号，其功率按一定比例分配给数据通道和导频通道。导航信号的信噪比一般很低，如果对现代GNSS信号使用传统的单通道捕获算法，将会损失一定的有效信号功率，捕获性能不够理想。采用数据/导频分量组合的策略进行捕获，可以有效地利用信号功率，因此具有较好的捕获性能。其次，BOC及其衍生型BOC调制信号的自相关函数在一个码片范围内存在多个峰值，当信号的信噪比较低时，旁峰很可能会高于主峰，因而导致捕获结果的码相位模糊，造成误检。消除码相位模糊的常用方法是BPSK-like技术[2]，它利用滤波器得到BOC信号功率谱后，将其当作BPSK信号处理，搜索到载波频率和码相位。

Galileo E1 OS（开放服务）信号包含数据分量和导频分量2个信号分量，它们均采用CBOC（composite binary offset carrier）调制方式。传统的信号捕获算法适用于单通道导航信号，对于具有2个信号分量的E1 OS信号，由于没有充分利用信号功率，捕获性能不够理想；另一方面，CBOC信号的相关函数具有多个峰值，可能引起捕获结果的多峰错锁和相位模糊。本文设计了一种适用于Galileo E1 OS信号的捕获算法。在消除码相位模糊方面，采用了BPSK-like技术；为了有效利用信号功率，本文应用了联合数据和导频分量的策略对信号进行捕获。最后，我们对GIOVE-B E1 OS实测数据进行了捕获，性能较好。

1 Galileo系统E1OS信号

1.1 信号模型

图1 E1 OS信号的产生框图

根据图1，可写出各信号分量的表达式：

E1 OS的2个信号分量中，数据通道（B）信号分量由主码和导航数据经副载波调制而成；而导频通道（C）信号分量由主码和次码经副载波调制而成，不含导航数据。2个信号分量可以进一步描述如下：

由前面的分析可知，E1 OS信号由2个CBOC信号相减而成，其理想时域波形如图2所示。

图2 E1 OS信号时域波形仿真

图2画出了Galileo E1 OS信号的前10个码片的波形。实测E1 OS信号来源于2012年5月1日的GIOVE-B导航卫星，数据由新疆天文台南山观测站采集得到，其采样率为150MHz，数字中频载波为53 MHz。利用Welch周期图法估计得到的功率谱如图3所示。

图3 实测E1 OS信号带宽估计

图3画出了实际信号的功率谱，将中心频率两边的功率谱极小值之间的距离作为主瓣带宽，可以得到实测信号的功率谱主瓣带宽约为4.053 9 MHz。

1.2 CBOC（6，1，1/11）信号的频谱特性[4]

式（2）和（3）给出了E1 OS CBOC信号的表达式，CBOC（6，1，1/11）由BOC（1，1）和BOC（6，1）按照10/11和1/11的功率比组合而成。其中，BOC（1，1）信号可以描述如下：

为了进一步分析CBOC（6，1，1/11）和BOC（1，1）信号的功率谱特性，将它们和实测E1 OS信号画在一起，见图4所示。其中实测E1 OS数据和1.1节的数据相同，此处不赘述。

图4（a）给出了实际Galileo E1 OS信号的功率谱，以及CBOC（6，1，1/11）信号和BOC（1，1）信号的理想功率谱。由图4（a）可以看出，实测信号功率谱和理想功率谱拟合度良好。由于BOC（6，1）信号的功率比仅为1/11，在主瓣和第1旁瓣内，CBOC（6，1，1/11）信号和BOC（1，1）信号理想功率谱基本重合，这意味着BOC（6，1）分量在窄带范围（5MHz）内，对CBOC（6，1，1/11）信号功率的贡献很小。因此，使CBOC（6，1，1/11）信号通过一个带宽为4.1 MHz（仅包含主瓣）的窄带滤波器后，可以将其当作BOC（1，1）信号进行捕获。图4（b）给出了CBOC（6，1，1/11）和BOC（1，1）的相关曲线，由图可以看出二者相关曲线类似，这是因为CBOC信号中BOC（1，1）信号所占的功率比为10/11。

2 Galileo E1 OS信号捕获方法的实现

与BPSK信号相比，E1 OS信号的捕获更加复杂。首先需要解决相关函数相位模糊的问题。针对这一问题，本文采用了BPSK-like算法。同时，本文采用了联合数据分量和导频分量的策略，充分利用了信号功率，使捕获性能得到提高。

2.1 并行码相位搜索方法

信号捕获的目的是确定可见卫星，及其实际载波频率和码同步信息的粗略值。在卫星信号已知的情况下，捕获是一个二维搜索过程，其搜索空间为多普勒频率和码片延时构成的二维平面。

定制化生产、优化生产计划，根据客户需要，满足互联网行业下客户需求的独特化。因为不一样的消费者有着不同的需求，而且这些需求之间的差异化是比较大的。互联网模式下整个价值链的成本管理，“互联网+”时代推动了商业模式的更迭，企业不仅关注一种产品的成本，还要强调价值链成本的有效管理；可以实行成本核算定额法，衡量每一天的成本。为了管理成本，必须结合互联网行业的商业模式，同时与业务部门合作，以应对创新和成本的不断发展。

常用的捕获实现方式有：串行搜索、并行码相位搜索和并行频率搜索。其中，并行码相位搜索方法效率最高[6]。利用并行码相位搜索时，本地码的傅里叶变换在每次捕获过程中仅执行1次，而对于每个搜索频点，也只需执行1次FFT变换和IFFT变换，即可完成对所有码相位和设定频点的搜索，大大提高了捕获效率。并行码相位搜索方法的框图如图5所示。

图5 并行码相位搜索算法

捕获有4个参数需要确定，分别是多普勒频率搜索范围及其步长、码片搜索范围及其步长。多普勒频率搜索范围和卫星接收机的相对运动速度有关，多普勒频率偏移最大可达到±10kHz[6]，由于接收机静止，本文频率搜索范围设为±5kHz。码延时搜索范围通常为一个主码周期，对Galileo E1 OS信号而言，为4092个码片（即4ms），搜索步长通常为采样时间间隔。频率搜索步长根据实际情况而定，如果步长大，则捕获时间短，但是不够精确，反之，捕获结果更加精确，但是也比较耗时。

在并行码相位搜索中，搜索步长是一个关键参数，为了提高捕获精度，减少捕获时间，本文采用4次捕获。在±5 kHz的搜索范围内，第1次选取的步长为200 Hz；第2次搜索中，以第1次得到的多普勒频率为中心，搜索±200 Hz的频率范围，步长为20 Hz；第3次搜索中，以第2次得到的多普勒频率为中心，搜索±20Hz的频率范围，步长为2Hz；第4次搜索中，以第3次得到的多普勒频率为中心，搜索±2 Hz的频率范围，步长为1Hz。最终，可以使多普勒频率的搜索精度达到1Hz。

2.2 应用于CBOC信号的BPSK-like捕获算法

通过1.2节的分析可知，将CBOC（6，1，1/11）信号通过一个窄带滤波器后，可以将其当作BOC（1，1）信号进行捕获。在BOC（1，1）信号的捕获中，为了解决相关函数多峰造成的码相位模糊问题，需要对信号做预处理。

2.3 联合数据分量和导频分量的捕获策略

通过前面的分析可知，CBOC（6，1，1/11）信号的捕获最终可以简化为2个BPSK（1）信号的捕获，CBOC信号可以简化为

3 捕获结果

利用上面讨论的E1 OS信号捕获方法，对实测GIOVE-B E1 OS信号的第1个主码周期（4 ms）的数据进行捕获，粗捕获结果如图7所示。

从图7可以看出，相关峰主峰明显，旁峰很低，捕获结果较好。为了得到更精确的捕获结果，程序执行了4次不同步长的捕获，捕获精度逐步提高，结果如图8所示。

图8 逐步细化的捕获结果

图8中，4次捕获的步长分别为200，20，2和1Hz。由图8可以看出，随着步长的减小，相关峰值越来越集中；在第4次捕获中，步长减小为1 Hz，5个频点的相关峰值基本相同，捕获结果比较精确。4次捕获的结果示于表1。

表1 逐步细化的捕获结果

由表1可以看出，随着第1次到第4次搜索步长的逐渐减小，相关峰值越来越大，说明捕获结果越来越精确；而相位却没有变化，这是因为码相位对相关值影响很大，如果相位点不正确，相关结果将变得很小，因此，在捕获过程中，经过一次粗捕获就可以得到较为精确的相位值。

为比较各种通道组合策略对捕获性能的影响，对采集的同一组GIOVE-B E1 OS数据进行捕获，得到的捕获结果示于表2。

表2 不同通道组合策略的捕获结果

由表2可以看出，4种通道组合策略中，利用（-）策略进行捕获的相关峰值明显大于其他策略的相关峰值，性能最好，这是因为其具有与接收信号相同的特征，并且充分利用了2个通道的信号功率；由于没有充分利用2个通道的功率，B和C单通道捕获性能比（-）策略差；（+）策略的捕获性能最差，这是因为其特征与接收信号不同。由于（-）策略捕获结果优于（+）策略，因此，由式（1）可以得到所分析的数据的B通道导航电文值为1，C通道二次码值也为1。

图9 解调后的时域波形图

4 结语

本文设计了一种应用于Galileo E1 OS信号捕获的算法，它采用了BPSK-like技术和双通道信号组合策略。首先，建立了Galileo E1 OS信号的数学模型，给出了时域和频域的仿真结果，并分析了CBOC信号和BOC（1，1）信号的频谱特性；然后，阐述了并行码相位搜索算法的原理，BPSK-like技术的原理及其在CBOC（6，1，1/11）信号捕获中的应用，以及联合数据/导频分量捕获信号的原理；最后，利用算法实现了对GIOVE-B E1 OS实测信号的捕获，捕获结果表明合适的通道组合策略可以有效地利用信号功率，从而获得较高的捕获性能。本文设计的捕获算法简单实用、精度较高，可以应用于Galileo接收机的设计和工程实现。从本文的分析可以看出，现代GNSS系统采用的新型调制方式和信号体制，使得信号捕获算法的设计有了更多的灵活性。

[1] WAN Qing, MENG Wei-xiao. Space-differential cooperative acquisition for Galileo El OS signals[C]//2010 3rd IEEE International Conference. Chengdu:Computer Science and Information Technology, 2010.

[2] HEIRIES V, ROVIRAS D, RIES L, et al. Analysis of non ambiguous BOC signal acquisition performance acquisition[C]//Boc Signal Acquisition. Long Beach: CNES, 2004.

[3] Galileo Project Office. GIOVE-A+B Public SIS ICD[Z]. Paris: Galileo Project Office, 2008.

[4] LOHAN E S, UNIV T. Analytical performance of CBOC-modulated Galileo E1 signal using sine BOC(1,1) receiver for mass-market applications[C]//Position Location and Navigation Symposium. Indian Well: IEEE Finland, 2010: 245-253.

[5] REBEYROL E, L LESTARQUIT, BOUCHERET M L. BOC power spectrum densities[C]//Proceedings of the 2005 National Technical Meeting of The Institute of Navigation. San Diego: ION, 2005.

[6] 博尔卡伊, 伯特尔森 N. 软件定义的GPS和伽利略接收机[M]. 杨东凯, 张飞舟, 张波, 译. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[7] 艾伦 S, 纳瓦布 S. 信号与系统[M]. 刘树棠, 译. 西安: 西安交通大学出版社, 1997: 146-147.

[8] TA T H, DOVIS F, MARGARIA D, at al. Comparative study on joint data/pilot strategies for high sensitivity Galileo E1 open service signal acquisition[J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2010, 4(6): 764-779.

[9] PHILIP D R, MATTOS G. Acquisition of the Galileo OAS L1b/c signal for the mass-market receiver[C]//ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division. Long Beach: Long Beach Convention Center, 2005.

Research for acquisition of Galileo E1 OS signals

CHEN Jie1,2,3, LU Xiao-chun1,2, HE Cheng-yan1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Science, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

To obtain a better performance of acquisition, and solve two problems of acquisition of Galileo E1 OS(Open service) signals: not exploiting the signal power adequately and multiple peaks autocorrelation function allowing lock on secondary peaks with a non-zero probability,we designed a new method using BPSK-like technology and joint data/pilot acquisition strategies for acquisition of Galileo E1 OS signals after the analysis of the foregoing problems. Then we analyzed the real signals using the method. The results displayed an ideal acquisition figure which had a standard waveform and low secondary peaks.

Galileo E1 OS; CBOC; signal acquisition; BPSK-like technology; GIOVE-B

TN96

A

1674-0637(2013)04-0236-10

2012-12-30

国家自然科学基金重点资助项目（11073022）；中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（Y207YC1701）；国家973计划资助项目（2007CBB15502）；中国科学院方向性资助项目（KJCX2-YW-T12）；卫星导航与定位教育部重点实验室（B类）开放基金资助项目

陈颉，男，硕士，主要从事Galileo卫星导航系统的信号体制，以及GNSS基带信号的通信性能等方面研究。