Locata信号的捕获机制研究与仿真

吴利军

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安710000）

0 引言

传统的定位导航系统如：美国的GPS系统、俄罗斯的Glonass系统、欧洲的Galileo系统和中国的北斗定位导航系统等，提供了一种基于卫星测距的全方位、全天候的定位导航系统，并广泛应用于陆、海、空等场合，具有高精度授时、定位的功能。然而，上述所有系统为完成定位解算至少需要无障碍跟踪四颗卫星的信号，这在具有较多建筑的城市环境或者室内环境中是一个挑战。

针对上述缺点，澳大利亚的Locata公司开发了一种新型的定位导航系统Locata。该系统具有的信号收发器、信号接收机和时间同步网络使其可以独立于传统的定位导航系统工作，也可以与其兼容工作，旨在实现可应用于任何环境、高精度、高可靠性和节约成本的目标。目前该系统已在很多场合进行了测试并验证了其可行性，如：Locata公司内部测试场地进行的运动定位测试、桥梁的畸形监控测试、钢铁工厂内部进行的室内环境测试[1]。

由于Locata系统的信号收发器和信号接收机同处于距离较近的区域内，因此其信号发射强度会远远高于传统卫星导航系统。同时，单一信号接收机接收位于不同位置的信号收发器时会产生较大的信号功率差异，该差异会远远高于传统卫星导航信号所允许的范围，从而产生信号捕获的互相关现象，即所谓的“远近效应”，而Locata系统采用的CDMA+TDMA信号结构成功克服了信号捕获造成的互相关效应。本论文针对Locata系统采用的CDMA+TDMA信号结构设计了相应的信号捕获机制并进行了相关matlab仿真，证实了该捕获机制的有效性。

1 Locata系统组成与信号结构

Locata系统主要由信号收发器和信号接收机组成。信号收发器由信号发射模块和信号接收模块组成，两者的时钟由同一晶体振荡器驱动；信号接收机则由Locata公司根据系统的信号结构将传统GPS接收机做适当修改和改进而成。在运行的初始阶段，系统内所有的信号收发器通过时间同步机制消除各自的时钟误差，最终形成一个时钟误差在皮秒数量级的时间同步网络。当该系统处于正常运行状态时，信号接收机通过接收四颗以上信号收发器发射的信号以完成自身定位，定位精度可达厘米级。

为了克服由于信号收发器的距离差异带来的“远近效应”，Locata系统采用了CDMA和TDMA相结合的信号结构。信号收发器的测距码依然采用CDMA多址技术，其码速率为GPS伪码的10倍，码周期为0.1毫秒；不同信号收发器的信号发射采用TDMA多址技术，Locata系统将1毫秒划分为10个连续的时隙，每个时隙时长100微秒，时隙之间无保护带，10个信号收发器被分配到10个不同的时隙发射测距码，构成了一个TDMA时帧，信号发射器在不同TDMA时帧按照跳时图案滑动，200个TDMA时帧为一个超帧，系统以一个超帧为周期连续发射Locata信号，其信号组成如图1所示[2]。Locata系统的载波调制则分成两代，第一代系统的伪码被调制在和GPS处于同一频段的载波上，容易与传统的GPS信号形成干扰，第二代系统的载波位于2.4GHz的专用频段，消除了与GPS信号的干扰并无需向有关部门注册[3]。

2 Locata信号的捕获机制

传统GPS信号的捕获是一个搜索载波多普勒频率和码片相位的二维搜索过程，其捕获框图如图2所示[4]。

数字中频信号sIF（n）首先分别与接收机产生的正弦表和余弦表进行混频，然后再和接收机的C/A码发生器进行相关产生i（n）和q（n）信号，其次i（n）和q（n）信号分别进行相干积分产生I2和Q2信号，最后进行非相干积分产生V信号。捕获算法通过将V与Vt进行比较来判断捕获幅值是否超过门限，如果V超过门限则声明捕获成功，接收机可以对当前捕获结果进行进一步确认。

i（n）和q（n）信号分别进行相干积分可以表达为公式（1）、（2）：

其中，a代表信号的幅值，τ为接收C/A码相位和与本地搜索C/A码相位之间的码片差异，R（·）代表最大值为1的C/A码自相关函数，fe为接收载波频率和本地搜索频率之间的差异，Tcoh代表了相干积分时间，Øe为两载波之间的相位差异，n1和nQ分别代表了I支路和Q支路上均值为零且互不相关的正态噪声。

I（n）和Q（n）信号进行非相干积分产生信号可以表达为公式（3）：

其中，Nnc代表了非相干积分数目。

由公式（3）可以看出，非相干积分幅值V主要受非相干积分数目Nnc、频率差异fe和相干积分时间Tcoh影响，而信号捕获常用的非相干积分数目Nnc通常为1，下面主要分析fe和Tcoh对Locata信号捕获的影响。

由于Locata信号采用CDMA+TDMA的信号结构，信号收发器每隔1毫秒在其时隙内发射100微秒的信号。因此对该信号进行捕获时需采用100微秒的相干积分时间，即Tcoh为100微秒。在τ为0的情况下，非相干积分幅值随着fe的变化呈sin c函数分布[5]，如图3所示。

由图3可以看出，频率差异在较大频率搜索范围内都具有较大的非相干积分幅值，由于接收机所允许容忍的最大频率误差fe通常设置为0.44/Tcoh，因此载波频率和接收机复制载波频率的差异在[-4400Hz 4400Hz]范围内都可以获得较大的非相干积分结果。通常情况下，Locata系统的信号收发器布局为静止模式，信号接收机可以根据实际需求布局在低动态载体或高动态载体中，考虑高动态载体的最大运动速度为500m/s，此时信号收发器和信号接收机的多普勒频移可以由公式（4）估算：

其中，v为信号接收机的最大运动速度，c为光速，f1为载波频率。根据公式（4），将实际数值带入，可计算出fe为4000Hz，处于接收机允许容忍的最大频率误差范围内。

根据上述分析，对Locata信号的捕获可分码片搜索和载波搜索两个独立阶段。在码片搜索阶段，本地接收机复制一份没有多普勒的本地载波与接收信号进行混频，然后接收机将本地1毫秒同样划分为10个时隙，分别进行相干积分和非相干积分，最后接收机对该10个时隙的非相干积分幅值进行比较，找出最大的非相干积分幅值和该幅值的所处时隙，当该幅值V超过非相干积分幅值门限Vt时声明码片捕获成功，并对该次捕获结果进行确认以消除假捕的可能性，否则，接收机延时半个码片的时间重新开始码片搜索。当码片捕获成功后进入载波搜索阶段，本地接收机首先将多普勒搜索范围[-4000Hz 4000Hz]以100Hz为搜索宽度划分为81个区间并分别与接收信号进行混频，然后本地接收机按照声明捕获成功的码片相位连续产生本地码片并与接收信号进行相关，分别求取其非相干积分幅值并比较其最大值，最后将载波多普勒值设置为最大非相干积分幅值所处的多普勒搜索区间。

该搜索算法的时间复杂度可以按照公式（5）计算：

其中，chip（n）为码片的搜索次数，frequency（n）为载波多普勒的搜索次数。由于Locata信号的码片长度为1023，因此chip（n）为2046次；由于多普勒的搜索范围为[-4000Hz 4000Hz]，因此frequency（n）为81次。则O（n）为2127次，即捕获时间最大为2127毫秒。

3 仿真验

在前面对Locata信号的捕获算法进行详细分析的基础上，使用计算机在matlab环境下对上述捕获机制进行仿真验证，仿真参数设置如下：中频信号采样频率为60MHz、中频信号载波频率为23MHz、码片速率为10.23MHz、载波多普勒为0Hz、C/A码从第17个码片开始播发。

首先，matlab软件仿真生成2毫秒长的数字中频信号，该数据按照第2小节的Locata信号结构生成包含10个时隙的数据，每个时隙调制码片速率为10.23MHz的C/A码数据，其C/A码片与GPS的1-10号星的伪码码型相同。

其次，对Locata信号的捕获划分为码片搜索阶段和载波搜索阶段。假设要完成对7号星的信号捕获，在码片搜索阶段，信号接收模块仿真生成多普勒为0Hz的载波信号并与仿真生成的数字中频数据进行混频，之后信号接收模块仿真生成7号星的C/A码并划分成10个时隙，分别与混频后的数据进行相干积分和非相干积分，搜索结果如图4所示。由图4可以看出，信号接收模块通过延时2012次操作，在其第6个时隙捕获到7号星。

最后，在码片搜索成功后转入载波搜索阶段。在该阶段，信号接收模块在[-4000Hz 4000Hz]的搜索范围内对载波按照100Hz的步长进行搜索，搜索结果如图5所示。由图5可以看出，载波多普勒在0Hz的情况下具有最大的非相干积分幅值。

4 总结与展望

本文通过分析Locata信号的捕获特性，设计了一种时间复杂度较低的信号捕获机制。该捕获机制将对Locata信号的搜索划分为码片搜索阶段和载波搜索阶段，通过matlab仿真验证了该捕获机制的有效性。但是，当信号的载噪比较低时容易形成载波的频率误捕，因此，在以后的研究中需要在信号的跟踪算法中将该频率差异消除以获得较高的跟踪精度。

［1］Chris RIZOS,Yong LI,Nonie POLITI,Joel BARNES and Nunzio GAMBALE.Locata：A New Constellation for High Accuracy Outdoor and Indoor Posi-tioning.FIG Working Week 2011 Bridging the Gap between Cultures Marra-kech Morocco,18-22 May 2011.

［2］Locata Corporation Pty Ltd 111 Canberra Avenue GRIFFITH ACT 2607 Australia,ICD-LOC-100A,Locata Net Positioning Signal Interface Control Document 2011.

［3］J.Barnes,C.Rizos,M.Kanli,A.Pahwa.High accuracy positining using Locata’s next generation technology.Locata Corporation Pty Ltd,401 Clunies Ross Street,Acton,ACT 2601,Australia.

［4］谢刚.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社,2012,p：358.

［5］吕红丽,姚昱萱.一种新型的多址导航信号体制研究[J].现代导航,2012,4(2)：79-86.