双星定位导航系统卫星信号的捕获电路设计
2008-06-20
作者：莫迎秋1, 鲁士文2
摘 要： 双星定位导航系统" title="双星定位导航系统">双星定位导航系统是我国" title="我国">我国自主研制的定位导航系统,研究双星定位导航系统卫星信号" title="卫星信号">卫星信号的捕获是实现卫星信号正确接收和处理的前提，所以研究并实现卫星信号的捕获对保证定位精度和接收机的性能指标有重要意义。阐明信号捕获原理，在此基础上提出了一种捕获电路的设计方案，针对此方案进行关键性能指标分析。
关键词： 双星定位导航系统 捕获 伪码
双星导航定位系统是我国自主研发的、具有独立知识产权的卫星导航定位系统。它解决了我国在卫星导航定位领域从无到有的问题。目前此系统正服务于我国的国民经济建设和国防建设。用户接收机作为双星定位导航系统的重要组成部分，其性能直接影响着用户的使用。接收机信号处理部分的一个关键是伪码解扩，而伪码解扩的完成又依赖于载波和伪码的成功捕获，同时信号捕获的捕获时间" title="捕获时间">捕获时间和捕获带宽将对接收机性能有非常大的影响。本文针对接收机信号捕获原理进行分析，在此基础，对捕获电路进行设计，并对其捕获性能指标进行分析。
1 捕获原理
双星定位导航系统是OQPSK调制的直扩系统，因此信号的捕获要在频域和码域的二维空间进行。
对于OQPSK调制载波信号，因其是抑制载波信号，没有载波频率分量存在，无法从所接收的信号中通过滤波的方法得到参考的载波[4]，所以频域的信号捕获重点就是如何得到一个与接收载波同频同相的参考载波。图1是利用数字锁相环实现载波非相干解调。NCO在误差信号控制下产生与卫星载波同频的信号wo，通过鉴相器将相位误差信号we=wi×wo 转换成电压控制信号并通过LP环路滤波后控制NCO输出，通过NCO的负反馈使其逐渐减小到零，这时wo就是接收的卫星载波wi的一个拷贝，从而实现了载波信号的捕获。
双星卫星信号码相位的捕获依据m序列的自相关特性实现。m序列的自相关函数表达式如下:
Tc是码片" title="码片">码片宽度，p是m序列周期，τ是时间偏移量即相位的偏差。从函数表达式可以看出，自相关函数是二值函数。接收机内部的m 序列发生器产生卫星码的一个拷贝，将此拷贝的码和接收的卫星码做相关运算，根据相关值和设定的门限值(图2中a点)比较来判断码的捕获情况。当卫星码与拷贝的码相位偏差大于一个码片，即Tc≤τ≤(p-1)Tc，它们的相关值最小为
，这时卫星码完全不能捕获。移动本地拷贝码时钟，每移动一次做一次相关运算和判定。当拷贝的m 序列与卫星码相位差τ≤Tc，随着τ减小，相关值逐渐增大。当相关值大于门限点a 处值时，码捕获成功。从相关函数波形可以看出，在拷贝码一个周期T内，拷贝码只有其某一个相位和卫星码相位才可能有大于门限点a 的相关值，如果拷贝码的所有相位点处都与卫星码做了相关,仍然没有找到大于门限的相关峰值，那么捕获失败。
2 捕获电路设计
双星系统用户接收机接收S频段的两颗卫星播发的信号，每颗卫星各有2个信道，即为波束1～4，这些信号空分覆盖我国国土的东经95°～125°，北纬25°～40°地区。因此信号捕获最多能捕获到4个波束。实现时可以采用并行捕获4个波束，也可以串行捕获，通过降低单波束的捕获时间来减少总的捕获时间。在考虑资源和捕获时间做折中情况下，本文采用并行捕获方式分别捕获4个波束的卫星信号,对每个波束实行串行捕获方式。Riter已经证明，捕获低信噪比的抑制载波信号的最佳装置是Costas环和平方环。Holmes J.K 已经证明了这两种环路是等效的[1]。捕获电路如图3。
接收信号经过射频模块后，输出中心频率为fi=12.24MHz的模拟中频信号，在不考虑噪声和多普勒影响前提下：
(3)式中，A是信息符号，m(t)是扩频序列，wi=2πfi为载波中频角频率,△Φ为接收信号和本地信号瞬时相位差。经过数字解正交并与本地载波相关后
至此完成载波剥离，在信号的成分中只有载波的相差。利用PN码的自相关性，实现解扩
经过门限判决没有锁定卫星信号时候，移动PN码时钟，使得PN码自相关值接近1，因此有：
通过锁相环的负反馈作用使得(13)式中的逐渐减小到载波捕获所能接受的值，从而达到载波捕获的目的，以进行载波的精密同步即载波跟踪。
在载波剥离后，卫星信号与本地产生的PN码的拷贝进行相关运算，在1个比特时间内，把相关积分的结果与预设的门限进行比较，同时清除本次相关结果，通过移动PN码时钟，准备下一个码片的判决。在(11)式中，在载波已经捕获下，△φ很小，所以cos(△φ)近似为1，因此用Q路输出可以简化为Q≈
·s(t)。这里只有数据信息，从这里可提取帧同步和位同步标志，从而解调出正确的卫星导航定位信息。
从以上对双星导航定位系统的信号捕获电路的分析可以看出，卫星信号的捕获是在载波和码相位域二维同时进行的。500Hz的频率步进与1/2个码片精度构成一个信号的搜索单元，搜索方式如图4。
3 捕获性能指标分析
捕获时间和捕获带宽是信号捕获电路的两个重要的性能指标，它影响着捕获电路的捕获速度和捕获能力。下面就这两个指标分别进行分析。
3.1 捕获时间
双星系统是地球同步卫星，所以可以忽略卫星与地球间微小的相对运动。在考虑地面载体300m/s 的动态下，对于S频点的双星接收机，其多普勒频率大约为2.5kHz。因此卫星信号的频率搜索范围可在10kHz内进行。对于码相位以1/2码片精度进行搜索，需要搜索510个相位点。同时，考虑到以16kbps的信息速率，需用62.5μs的积分时间，所以搜索完所有的相位点所需要时间为510×62.5μs=31.875ms 。对于同时进行的频域搜索，以500Hz的精度步进，则需要搜索20次，因此捕获时间为20×31.875=637.5ms。码失锁后，由于载波已经锁定，且本地晶振短期稳定度较高(如10-7)，这样中断30s后，时间不确定度为±3000ns，大约对应±12个chip，考虑±15个chip的搜索长度，同样以1/2码片步进进行搜索，则需要重捕时间为30÷×62.5μs=3.75ms。保守地考虑系统的相应时间，信号的捕获时间远远满足1s的指标要求。
3.2 捕获带宽
捕获带宽是环路能够通过捕获过程而获得卫星信号的粗同步所允许的最大固有频差△f0max。若环路的捕获带宽小于最大固有频差，则不能实现信号的捕获。本捕获电路输入信号和捕获电路采用同一个高精度的本振，因此可以忽略由于不同频率基准而引入的误差。如前所述，在考虑运动载体300m/s 的动态下，有大约2.5kHz的多普勒频率。所以输入信号的变化范围可以确定为±2.5kHz，满足捕获要求即为△fn>△f0max=2.491kHz。下面分析本捕获电路的捕获带宽△fn。为了减少噪声引起的相位抖动，选取环路的噪声带宽与信息速率之比为0.1[1]。在双星系统中信息速率为16kbps,环路噪声带宽BL可以取1.6kHz。在考察载波参考相位抖动和解调损失条件下取BL为950Hz，
C/N0：系统的载噪比。在双星系统中天线的口最小功率为156.7dBw，天线增益为0dB,工作温度为50°下，系统的载噪比为46.7dB。
2BI：环前的中频带宽。BI取信息速率的2倍即为32kHz。
通过以上对双星导航定位系统卫星接收信号捕获原理分析，建立了应用比较广泛的捕获电路，并对本电路的主要性能指标进行了详细分析，最终结论表明，此电路的性能指标满足双星系统的应用要求。
参考文献
1 张 欣.扩频通信数字基带信号处理算法及其VLSI实现[M]. 北京：科学出版社，2004
2 王福昌, 鲁昆生.锁相技术[M].武汉：华中科技大学出版社，1997
3 冯玉珉. 通信系统原理(第一版)[M]. 北京：清华大学出版社.北方交通大学出版社, 2003
4 郭 勇.双星定位系统扩频信号捕获跟踪及相关技术研究.西南交通大学学报,2002;(12)