卫星广播信号上重叠发射导航增强信号的方法*

沈燕群,宋茂忠,王旭东,孟 斌

(1.南京航空航天大学电子信息工程学院,南京210016;2.中国航天科技集团公司卫星应用研究院,北京100086)

卫星广播信号上重叠发射导航增强信号的方法*

沈燕群1,**,宋茂忠1,2,王旭东1,孟 斌2

(1.南京航空航天大学电子信息工程学院,南京210016;2.中国航天科技集团公司卫星应用研究院,北京100086)

提出了一种在卫星广播信号上重叠发射卫星导航增强信号的方法,将差分校正数据经过扩频后发射出去,与卫星广播信号进行频谱重叠,一起经卫星转发。通过参数设计和性能仿真可知,差分增强信号对广播信号的接收解调影响很小,差分接收机可以通过串行干扰抵消的方法从混合信号中提取出差分增强信号,实现解扩与辅助测距,解扩得到的差分校正数据可直接用于差分定位。当混合功率比为26 dB时,捕获概率达99.99%,测距精度为10.67 m,表明了此方法的可行性。

卫星导航;频谱重叠;干扰抵消;差分定位

1 引 言

卫星导航系统在民用和军用中发挥着越来越重要的作用,但由于卫星导航的易受干扰性,导致在某些特殊情况下,卫星导航定位精度会有所降低甚至完全不可用,导航信号的增强[1-3]是提高精度和可用性的有效措施。差分校正是使用最广泛的导航增强方法,如采用RTCM SC-104标准数据格式差分数据广播服务等。

而随着卫星通信的发展,卫星通信频谱资源越来越紧张,单独地增加某一频段予以增强导航所用是极为奢侈的,于是我们设计了一种在卫星广播信号上重叠发射卫星导航增强信号的方法,解决了卫星通信和卫星导航信号增强的综合设计问题。

相关的技术有成对载波多址接入[4](Paired Carry Multiple Access,PCMA)方式,它主要针对的是采用透明转发器并且信号可自环(每一个终端发出的信号可以被包括它本身在内的任何一个终端接收到)的双向卫星通信系统,通信双方用户终端可以同时使用完全相同的频率/时隙/扩频码,每个终端都可以确切地知道自身所发送的上行信号,而且也确切地知道该信号的转发、处理过程。但很少有将卫星通信信号和导航增强信号重叠发射的研究,且卫星通信信号与导航增强信号都不确切知道。

本文所提的方法首先将差分校正数据经过扩频后以广播信号频段发射出去,再将广播信号与差分增强信号频谱重叠后经卫星转发出去,由于两信号间的功率不平衡性,广播信号接收机不需要抵消差分增强信号也能够将广播信号正确解调,而差分接收机可利用串行干扰抵消[5-6]的方法,从合成信号中抵消掉干扰的广播信号,近似得到差分增强信号的估计信号,差分增强信号中的扩频码可用于辅助测距,解扩得到的差分校正数据可用于差分定位。通过仿真测试了差分增强信号解扩和测距性能,结果表明在卫星广播信号上重叠发射卫星导航增强的方法是可行的。

2 系统设计及信号模型

2.1 系统设计

卫星广播信号拟选用世广卫星[7]信号,原因有两点:首先,由于世广卫星是同步卫星,可以不间断地广播地球上某处24 h所对应的卫星差分校正数据;其次,因为世广卫星下行信号使用L频段(1 476～1 492 MHz),与GPS信号的L1频段相近,这有利于用户接收机与差分接收机的一体化设计。

差分校正数据选用GPS差分校正数据,只用一颗卫星的差分校正数据。差分发射机先用此颗卫星的C/A码对差分校正数据进行扩频,再通过X频段载波发送给世广卫星,X频段的差分增强信号与地面站发射的X频段上行广播信号频谱重叠后,经世广卫星透明转发,将信号切换到L频段下行信号后发送出去。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 System schematic diagram

由于采用的是世广卫星透明转发工作模式,为保证下行功率比,可以调整重叠发射的功率,差分扩频数据调制信号发射可以采用一体地面站发射机,也可以采用附加地面站发射。

2.2 信号模型

设一颗卫星差分增强信号在接收机经过下变频和采样后的中频信号为

广播信号在接收机经过下变频和采样后的中频信号为

其中,A表示信号幅度,d表示差分校正数据,C表示扩频码,因为需要知道是哪颗卫星的差分校正数据,所以采用此颗卫星的C/A码作为扩频码,码率为1.023 MHz,τ表示时延,ωIF表示信号中频,ωd表示信号的频偏,φ表示采样处的初相,I和Q表示通信信号QPSK调制下的两路双极性电平信号,是广播信号信息码经过码率为1/2的维特比卷积编码所得。

接收的信号为S=S1+S2+N,其中N为窄带高斯白噪声。为了从合成的信号中消除广播信号的干扰,需对广播信号的幅度、载波频率和相位、传输延时以及信道响应等参数进行准确估计。实现对广播信号与差分增强信号分离的原理框图如图2所示。

图2 广播信号与差分增强信号分离的原理框图Fig.2 The separate schematic diagram of broadcast signal and differential enhanced signal

3 频谱重叠共享

世广卫星信号下行TDM比特速率为3.68 Mb/s,采用QPSK调制,差分增强信号比特速率为1.023 Mb/s,采用BPSK调制,可见广播信号带宽比差分增强信号带宽宽,而且差分增强信号功率比较低,所以差分增强信号的加入对广播信号的频谱影响很小,两信号的频谱能很好地重叠。中频为3.04 MHz,当差分增强信号信噪比为-16 dB、频偏为-800 Hz、广播信号信噪比为9 dB、频偏为-50 Hz时,频谱重叠结果如图3所示。

图3 频谱重叠示意图Fig.3 The diagram of spectrum overlay

4 串行干扰抵消

本文设计的系统中只有一路强干扰信号,而且强弱信号功率分布差别比较大,于是串行干扰抵消法先根据接收到的各用户信号功率按强弱大小排队S=(S2,S1),并解调和恢复出广播信号Sre,再从原始信号中抵消掉Sre,从而得到差分增强信号的估计信号^S1。

4.1 广播信号解调

广播信号解调中载波环路采用改进型硬判决型Costas环[8],码环路采用迟早环。硬判决型Costas环是采用算术运算和逻辑运算的方法,对正交解调输出的两路基带信号进行非线性处理,产生相位误差控制信号,通过环路滤波,控制载波恢复锁相环路。硬判决型Costas环具有入锁信噪比低、误码率性能好的优点。锁相环中环路噪声带宽设为180 kHz,环路增益为0.001 2,阻尼系数为0.707。图4所示为未引入信道编码时广播信号解调误比特率,加入的差分增强信号信噪比为-10 dB和-5 dB,横坐标为广播信号信噪比。

图4 未引入信道编码时广播信号解调误比特率Fig.4 The demodulated bit error rate of broadcast signal without channel coding

由图4可以得出两点结论:首先,未引用信道编码时解调误比特率为10-4数量级,当引用1/2卷积码,大约能有4～7 dB的编码增益,于是能将解调误比特率降低到10-6数量级甚至更低;其次,差分增强信号的加入对广播信号的接收解调影响很小,所以差分增强信号加入后广播信号解调误比特率仍能保持在10-6甚至更低的数量级上,但当加入的差分增强信号信噪比越来越大,其对广播信号的接收解调影响也越来越大。

4.2 广播信号的抵消

在广播信号解调后,我们可以估计出广播信号的多普勒频偏^ωd2、相偏^φ2、码偏^τ2以及其基带信号,于是可以得到如下式子:

令

利用强通信信号良好的自相关特性,式(4)中分子部分的主要能量来自于强通信信号。因此在相干积分时间内重构的通信信号可以表示为。由式(4)可以得出,相干积分时间越长,Nsamp越大,Sre就越接近真实信号[9]。

在重构出广播信号后,将原混合信号延迟并从中减去Sre,从而得到差分增强信号的估计信号。

5 仿真与分析

设广播信号信噪比为

差分增强信号信噪比为

定义广播信号与差分增强信号功率比

式中,PC为广播信号功率,PD为差分增强信号功率,Pn为噪声功率。

5.1 差分增强信号的捕获性能分析

首先我们需要确定接收到的是哪颗卫星的差分校正数据,于是需先进行卫星的捕获。

差分增强信号的捕获采用并行码相位捕获算法,此方法缩减了运算量,增加了计算速度。这种算法需要存储一个或多个码周期的数据块,所以比较适合软件接收机的特点。选取用于捕获的数据量是1个C/A码周期1 ms,采样率为11.04 MHz,中频为3.04 MHz,频率搜索步长为粗捕666.67 Hz,精捕66.67 Hz。在保证广播信号信噪比SNR0=9 dB,信道噪声选择高斯白噪声,虚警概率[10]为10-6的情况下,广播信号去除前后接收机对不同信噪比的差分增强信号的捕获概率[11]如图5所示。

图5 广播信号去除前后接收机的捕获概率Fig.5 The acquisition probability of the receiver before and after removing the broadcast signal

由图5可以看出,当差分增强信号的SNR小于-21 dB时,去强通信信号算法的引入对差分增强信号的提取改善程度并不明显,捕获概率低于70%;当差分增强信号的SNR大于-21 dB时,去强通信信号算法引入后差分增强信号的捕获概率高于80%,甚至到达100%,很好地提高了接收机对差分增强信号的捕获能力;而当差分增强信号的SNR大于-11 dB时,且随着信噪比的增加,差分增强信号对广播信号的解调误码率影响也越来越大,所以我们选择差分增强信号的SNR值在-21～-11 dB之间,于是得出

即给出了此方法对GPS信号增强的可靠使用范围: C/D=20～30 dB。

5.2 差分增强信号测距性能分析

捕获仅能得到对频率和码相位参数的粗略估计,跟踪的主要目的是使得这些估计值精确化,并保持跟踪,然后从跟踪到的差分增强信号中解调出差分校正数据,同时提供辅助测距信息。跟踪中首先输入信号与本地载波相乘,剥离输入信号的载波,接下来,信号与本地扩频码相乘,输出结果即为差分校正信息,而在对本地扩频码跟踪中又能辅助测距。

实验中跟踪的载波环路带宽15 Hz,码环路带宽2 Hz,跟踪时间长达36 s。保证广播信号信噪比为9 dB,相关器间距[12]D为0.5个码片和0.25个码片,差分增强信号测距误差均方差随差分增强信号信噪比的变化规律如图6所示。

图6 测距误差随差分增强信号信噪比的变化规律Fig.6 The variation of the ranging error with the differential enhanced signal signal-to-noise ratio

由图6可看出,测距误差均方差随着差分增强信号的增加而减小,且与理想的测距误差均方差相差很小,而且随着差分增强信号信噪比的增加,这种差距越小越小。

从图5的捕获概率图中可以看出,差分增强信号的SNR在-19～-16 dB时,两条曲线间的距离比其余信噪比处要大,捕获概率提高95%以上,也就是说增强效果最好是在混合功率比C/D为25～28 dB的情况下。表1列出了相关器间距D为0.5个码片时,当C/D保持不变时测距误差均方差的变化情况。可以看出,测距误差均方差仍随差分增强信号信噪比的增加而减小。

表1 C/D保持不变的情况下测距误差变化情况Table 1 The variation of the ranging error when C/D keeps invariant

6 结束语

由以上分析可知,这种在卫星广播信号上重叠发射卫星导航增强的方法一方面可以提高卫星信号频谱利用率,另一方面可以广播差分校正数据增强接收机的定位精度,也可以用伪码扩频方式辅助测距方式增强,即伪卫星功能。由于差分增强信号功率远比广播信号小,所以广播信号的接收解调受差分增强信号的影响很小,因而差分接收机能很好地通过串行干扰抵消的方法从混合信号中提取出差分增强信号。后续我们将在一路广播信号中加入多路差分校正数据进行性能测试。

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SHEN Yan-qun was born in Nantong, Jiangsu Province,in 1988.She received the B.S.degree in 2011.She is now a graduate student.Her research concerns digital communications and satellite navigation.

Email:shyqnuaa@126.com

宋茂忠(1962—),男,安徽歙县人,教授、博士生导师,主要研究方向为调制技术、通信跟踪系统、卫星导航等。

SONG Mao-zhong was born in Shexian,Anhui Province, in 1962.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor. His research concerns modulation technique,communication tracking system and satellite navigation.

A Method of Launching Navigation Enhanced Signal Overlapped Satellite Broadcast Signal

SHEN Yan-qun1,SONG Mao-zhong1,2,WANG Xu-dong1,MENG Bin2

(1.College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China;2.Satellite Applications Institute,China Aerospace Science and Technology Corporation,Beijing 100086,China)

This paper presents a method of launching the satellite navigation enhanced signal overlapped satellite broadcast signal.The differential correction data is transmitted after spectrum spreading.The signal spectrum and the satellite broadcast signal spectrum are overlapped,and retransmitted by the satellite.By the parameter design and the performance simulation,the differential enhanced signal has little effect on the reception and the demodulation of the broadcast signal.The differential receiver can get the differential enhanced signal from the mixed signal by the successive interference cancellation,and despread and secondarily measure distance.When the mixed power ratio is 26 dB,the acquisition probability is 99.99%, and the ranging accuracy is 10.67 m,which proves the feasibility of the method.

satellite navigation;spectrum overlay;interference cancellation;differential positioning

The National Natural Science Foundation of China(No.61201208);China Aerospace Science and Technology Corporation Satellite Applications Institute Innovation Fund(No.20121512);The Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

date:2013-09-10;Revised date:2013-11-05

国家自然科学基金资助项目(61201208);中国航天科技集团公司卫星应用研究院创新基金项目(20121512);江苏高校优势学科建设工程资助项目

**通讯作者:shyqnuaa@126.com Corresponding author:shyqnuaa@126.com

TN967.1

:A

:1001-893X(2013)12-1563-06

沈燕群(1988—),女,江苏南通人,2011年获学士学位,现为硕士研究生,主要从事数字通信与卫星导航等方面的研究;

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.12.005

2013-09-10;

2013-11-05