新体制GNSS信号应用性能分析

韩明明，侯光华，刘宁胜，杨文津

(1.中国人民解放军61773部队，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



新体制GNSS信号应用性能分析

韩明明1，侯光华1，刘宁胜1，杨文津2

(1.中国人民解放军61773部队，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要针对以二进制偏置载波调制(Binary Offset Carrier，BOC)信号为代表的新体制全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)下行信号在空间信号中所占比例逐渐增大的现状，结合应用需求，通过介绍新体制信号的常用基带同步方法，分析了单边带策略和联合边带策略对BOC信号伪距精度的影响，并对BOC信号调制阶数与其跟踪精度和基带处理资源的关系进行了推导，得出联合边带处理法比单边带处理法具有更优测距精度但需消耗更多硬件资源的结论。在通用接收机硬件平台上对上述结论进行验证，联合边带策略在获得较高同步精度的同时对硬件资源提出了更高的需求。该研究结果为各类具有新体制信号处理需求的GNSS接收机提供设计依据和优化方案。

关键词GNSS；BOC；BPSK-like；资源需求；VNELP

0引言

BOC类调制信号[1]作为新体制GNSS信号在各大系统中使用率剧增。导航信号基带同步性能与通道资源占用作为GNSS接收机设计过程[2]中的两大重点，在整机策略中占有极为重要的位置。因此，研究BOC类信号的相关应用性能对接收机同步性能和资源占用的影响将在不同类型的新体制导航终端设计过程中起到关键性指导作用。

针对这一问题，本文从接收机基带同步方式出发，分析不同的基带策略对BOC类信号的测距精度、资源需求和应用方向带来的影响，并在通用化硬件接收机设计平台[3]上进行验证，得出新信号体制在不同信号特性、不同处理方式和不同应用环境下的精度和需求关系，弥补信号体制扩展阶段接收机方案选择方面的空白。

1BOC信号基带同步原理

1.1PSK调制与BOC调制

传统GNSS系统下行应用信号主要为相移键控(Phase Shift Keying，PSK)信号，该类信号是用导航信息与二值伪随机扩频码做异或运算后得到的基带扩频信号调制高频发射载波而生成的一类空间发射信号。BOC调制信号则是PSK信号基带导航信息和伪随机码异或运算的基础上外加了一个二值副载波调制，再将这个基带扩频信号与载波信号做混频运算得到的，可表示为：

(1)

式中，akμnTs(t)为持续时间为nTs的矩形脉冲，可看作PSK信号；CTs(t)为以2Ts为周期的副载波信号。基本的BOC类调制信号常用BOC(fs,fc)表示，其中fs和fc分别表示生成信号中副载波频率和扩频码速率相对于基准频率的倍数，n定义为n=2fs/fc，称作BOC信号调制阶数[4]。

1.2单边带同步策略

BOC信号具有自相关峰多值特性和功率谱对称分离特性[5]。这两大特性在为该类信号带来优异的跟踪精度和抗干扰性能的同时，也使得在全边带处理时，针对PSK信号的非相干超前滞后(Non-correlation Early Late Processing，NELP)同步策略因峰值锁定相位模糊度[6]的问题。因此，衍生出针对BOC信号的单边带BPSK-like同步策略[7]和联合边带非相干过超前滞后[8](Non-correlation Very Early Late Processing，VNELP)同步策略这2种通用基带处理方式，其中BPSK-like策略分为对上下单一边带的同步和上下两边带叠加同步2种情况。

基于NELP同步策略的单边带处理的变频和鉴相过程如图1所示。

图1　单边带同步策略鉴相和变频过程

单边带BPSK-like同步策略的基本思想是将对称分离后的BOC功率谱的单边包络进行基带变频处理，将其转化为无副载波调制影响的PSK信号，并用传统的VNELP鉴相方式来完成其环路设计。现将经过BOC调制的信号表示为：

(2)

式中，a(t)为经伪码扩频后的基带信号，该信号经过频率为ω1的二值副载波调制和频率为ω2的载波调制后生成最终的空间下行信号。单边带同步策略即对S(t)信号进行频率变化量为ω2+ω1或ω2-ω1的基带变频处理，并通过基带低通滤波的方式滤除另一边带的信号，将副载波调制带来的影响消去，以解决多峰值效应带来的码相位锁定模糊度问题。

1.3联合边带同步策略

与单边带策略相比，联合边带策略的核心任务是解决由副载波调制带来的信号自相关函数跟踪过程中的锁定模糊度问题。对于式(2)中的信号，联合边带同步策略频率变化量为ω2，其处理频带中心为副载波调制前的扩频信号频带中心。

联合边带策略基本思想是在单边带NELP同步策略中即时(P)、超前(E)和延迟(L)支路的基础上增加了过超前(VE)和过延迟(VL)2条支路，其中P、E和L支路组成类似于单边带策略中NELP的鉴相环路，用于自相关函数峰值的锁定；VE和VL支路则用于判定整个环路的主峰(即码相位偏移量为0的点)锁定情况。联合边带处理的变频和鉴相过程如图2所示。

图2　联合边带同步策略鉴相和变频过程

2BOC信号基带性能分析

2.1跟踪精度分析

GNSS基带跟踪误差定义如下：

(3)

式中，Tc为扩频码码片长度；BL为环路带宽；α为相关峰斜率；R(d)为τ=d时刻的自相关函数值；C/N0为信号载噪比；TP为环路积分时间。

对于BOC(fs,fc)信号而言，当采用单边带宽相关同步策略且积分时间为1个码周期时，可将其等同为BPSK(fc)信号，则其同步误差为：

(4)

当对上下边带进行叠加BPSK-like同步策略时，C/N0相比式(4)中单边带处理增加3 dB，可得其同步误差为：

(5)

(6)

通过式(4)、式(5)和式(6)可知，对于BOC类调制信号，当采用边带同步策略时，信号体制本身对基带同步精度影响最大的参数为基带扩频码速率，且与基带同步误差成反比；而当采用联合边带同步策略时，除基带扩频码速率外，二值副载波频率也成为影响基带同步精度的重要因素，该精度随着调制阶数n的增加而提升，优于BPSK-like精度。

2.2资源需求分析

在特定的GNSS接收机设计架构下[9-10]，信号体制和基带算法成为影响硬件设计资源的最主要因素。在传统的基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的接收机基带设计架构下，硬件资源需求主要体现在FPGA逻辑单元(Logic Elements，LE)占用量和单板功耗两方面。

在固定硬件平台下，LE占用量主要与接收机基带架构设计有关。对于BOC(fs,fc)信号，在捕获策略和通信接口相同时，单边带同步策略和联合边带同步策略的LE占用量主要受基带跟踪环路数量的影响，由于单边带策略存在E、L和P共3条跟踪支路，上下边带叠加同步策略为两个单边带策略的叠加，共6条跟踪支路，联合边带策略存在VE、VL、E、L和P共5条跟踪支路，因此3种方式间在基带同步设计方面LE占用量理论值之间的关系可表示为：

(7)

即在基带LE占用方面，针对单个边带的BPSK-like策略最具优势，上下边带叠加策略和联合边带策略的逻辑资源占有量均为单个边带策略的2倍左右。

单板功耗指基带接收机处理平台的整体功耗，分为数模转换、基带同步和信息处理3部分，主要受板卡采样时钟速率和基带算法LE占用量的影响。

依照带通采样定理，采样频率必须是被采信号带宽的2倍。对于基于单边带的BPSK-like同步策略，以每个峰值采样点数为4来计算，PSK(fc)信号的基带最小采样频率为：

Rs(fc)=4×1.023×106fc。

(8)

联合边带同步策略因BOC信号自相关函数多峰值特性，其基带最小采样频率为：

RBOC(fs,fc)=8×1.023×106(fs+fc)。

(9)

综合式(7)、式(8)和式(9)可知，单个边带和上下边带叠加策略功耗相对固定，后者约为前者2倍左右；联合边带策略因频谱分离后产生较大的基带处理带宽，功耗也随之增大，当基带扩频码速率一定时，单板功耗随BOC信号调制阶数n的增加而增大。

3接收机平台测试

3.1测试平台与测试信号

为了全面评估和验证BOC信号的基带同步性能和设计资源需求，采用高性能数模转换芯片配合逻辑资源量较大的Sratix V系列FPGA通用信号处理平台[11]作为接收机开发环境，选取BOC(14，2)信号和BOC(1，1)作为接收机平台的测试信号以验证调制阶数对应用性能的影响。

3.2跟踪精度测试

调整衰减器控制到达信号载噪比为39～45 dB，对信号采取单边带BPSK-like同步处理和联合边带同步处理，并将接收机测距值与模拟器原始观测值进行做差求标准差处理，单边带和联合边带策略同步精度测试结果如图3所示。

图3中由于相关函数主峰斜率的原因，BOC(1,1)联合边带跟踪精度优于BOC(14,2)单边带处理精度。

测试结论：BOC信号联合边带同步策略在基带同步精度方面优于单边带同步策略，且该精度随着调制阶数n的增加而提升。

图3　单边带和联合边带策略同步精度测试结果

3.3硬件资源需求测试

通过直流稳压电源输入的方式监测接收机硬件处理平台的整体电流，并通过FPGA编译器得出基带策略运行过程LE资源使用情况，得出LE占用量和整体平台功耗信息。硬件资源需求测试结果如表1所示。

表1　硬件资源需求测试结果

测试结论：BOC信号联合边带同步策略在硬件资源占用量方面明显超出单边带同步策略。尤其当调制阶数n较大时，较高的采样率不仅使功耗大幅增加，也对数模转换芯片等设备提出更高的要求。

综上所述，联合边带策略在获得较高同步精度的同时对硬件资源提出了更高的需求。在未来以新体制信号为主的GNSS应用环境下，为偏重定位导航应用、高精度测量应用等对精度需求不同且有不同硬件资源容纳能力的各类接收机提供设计参考。

4结束语

针对新体制GNSS应用日益广泛的现状，本文从基带设计角度出发，以基带跟踪精度和硬件资源需求为立足点，着重分析了不同的基带策略对新体制信号应用性能的影响。得出了随着调制阶数的增加，联合边带策略为BOC信号带来更优同步精度的同时也存在更高资源需求的结论。并在以FPGA为核心的通用接收机设计平台上对该结论进行了验证。该结论也给新体制信号下的各类不同需求、不同用途的GNSS接收机设计提供了总体思路，具有一定的实用性指导意义。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.11

收稿日期：2016-03-30

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2012AA121802)。

中图分类号TN911.3

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0042-03

作者简介

韩明明男，(1990—)，助理工程师。主要研究方向：卫星导航、GNSS基带信号处理。

侯光华男，(1982—)，工程师。主要研究方向：卫星导航、导航运控。

Analysis on Application Performance of New System GNSS Signals

HAN Ming-ming1,HOU Guang-hua1,LIU Ning-sheng1,YANG Wen-jin2

(1.Unit61773,PLA,UrumqiXinjiang830000,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe Binary Offset Carrier(BOC)signals have already been an important part of Global Navigation Satellite System(GNSS)space signals.In view of this present situation,combined with the requirements of application,this paper analyzes the influence of single-sideband and double-sideband strategies on measurement accuracy of BOC signals,and presents the derivation of relationship between BOC signal orders and their measurement accuracy and hardware resource.It is concluded that the double-sideband method has better ranging accuracy but takes more hardware resource compared with the single-sideband method.This conclusion is verified at common receiver hardware platform,and the results show that the double-sideband method brings higher synchronization precision with higher requirement for hardware resource.This research results can provide design basis and optimization scheme for various GNSS receiver with new system signal processing requirement.

Key wordsGNSS;BOC;BPSK-like;resource requirements;VNELP

引用格式：韩明明,侯光华,刘宁胜,等.新体制GNSS信号应用性能分析[J].无线电工程,2016,46(7):42-44,75.