基于BOC調制技術的高動態(tài)GPS接收機研究

1、基于BOC調制技術的高動態(tài)GPS接收機研究2008年4月沈第27卷第2期TRANSACTIONS陽理工大學學報OFSHENYANGLIGONGUNIVERSITYVo1.27NoApr.200文章編號:10031251(2008)02001504基于BOC調制技術的高動態(tài)GPS接收機研究劉春德,馮永新(沈陽理工大學通信與網(wǎng)絡工程中心,遼寧沈陽110168)摘要:概括介紹了低動態(tài)下GPS接收機信號同步處理方法,針對二進制偏移載波(BOC)調制技術的特點,采用時域和頻域相結合的同步處理方法,給出了能適應高動態(tài)環(huán)境下的接收機同步處理方案.以BOC(10,5)為例完成了在高動態(tài)環(huán)境下的信號捕獲處理過程

2、和信號跟蹤處理過程,證明了接收機的穩(wěn)定性和實用性,并為高動態(tài)接收機的深入研究提供基礎.關鍵詞:全球定位系統(tǒng);高動態(tài);接收機;二進制偏移載波(BOC)中圖分類號:TP391.9文獻標識碼:AAStudyontheHighDynamicGPSReceiverBasedontheBOCModulationMethodLIUChunde,FEend,amodelofhighdynamicreceiverisdesignedonthebasisofnormalGPSreceiver,whichprovidesagoodfoundationforthelaterdeepresearchofhighdyna

3、micreceiver.Keywords:GPS;highdynamic;receiver;BOC(BinaryOffsetCarrier)全球定位系統(tǒng)GPS(GlobalPositioningSystem)是目前使用最廣泛的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng),大量應用在民用和軍事領域,尤其是在精確制導導彈等高動態(tài)環(huán)境下的應用更顯重要.與靜態(tài)和低動態(tài)環(huán)境下相比,高動態(tài)環(huán)境對GPS接收機可靠接收信號帶來較犬的技術難度.收稿日期:2007一l113基金項目:國家”863”計劃基金重點資助項目(2006AA701213B);武器裝備重點基金.作者簡介:劉春德(1982一),男,碩士研究生;通訊作者:馮永新(1974

4、一),女,教授,博士.研究方向:擴頻通信技術及應用,移動無線網(wǎng)絡組網(wǎng)技術,GPS應用技術.在第三代GPS系統(tǒng)中,基于長周期擴頻碼的通信技術得到了廣泛的應用,特別是在基于BOC調制技術中,由于存在多個相關峰值,這就給高動態(tài)接收機提出了新的要求.國內外圍繞偽碼和載波的捕獲與跟蹤進行了大量的研究工作,但多圍繞低動態(tài)的信號展開,對于高動態(tài)信號的處理采用與低動態(tài)信號相同的處理方式,速度低,同步解調效果不理想.為了解決此問題,給出了一種高動態(tài)接收機的同步處理方案.?l6?沈陽理工大學學報2008年1低動態(tài)下基于BOC調制技術的GPS接收機工作原理1.1GPS接收機的重要功能普通的GPS接收機的功能劃分如圖

5、1所示,包括三個主要的處理階段j:第一步,將天線前端接收下來的射頻信號做降頻處理,降頻后的信號為適于做信號處理的中頻信號,將模擬的中頻信號進行A/D轉換,則進入到信號處理階段;第二步,對數(shù)字信號進行處理,首先進行信號的捕獲,包括偽碼和載波的二維捕獲,其次,在捕獲到偽碼相位和粗略載頻的基礎上,進入偽碼和載波的跟蹤環(huán)路.經(jīng)過對偽碼和載波的精確跟蹤解調出導航電文,并且完成偽距的計算;最后一步,利用解調出的導航電文和偽距進行用戶的位置解算.在三個階段的處理當中,第二階段信號的同步處理在整個系統(tǒng)中的地位最為重要,它是進行精確定位解算的基礎.圖1GPB接收機的功能劃分1.2針對BOC調制技術的同步方法對G

6、PS衛(wèi)星信號的同步處理可分為兩個過程:信號的捕獲與信號的跟蹤引.前者完成信號的粗同步,而后者完成在一個偽碼碼元內的精確同步.其邏輯過程如圖2所示.圖2信號同步流程圖首先,對接收到的信號進行捕獲.在針對BOC調制技術的信號中,需要考慮其中亞載波產(chǎn)生的問題,如果捕獲到偽碼相位和載波頻率,則進一步調整捕獲結果,隨后將控制權交給后續(xù)跟蹤電路進行精確調整,使本地載波頻率和偽碼相位與接收信號精準對齊.當信號跟蹤環(huán)路工作不正常(即失鎖)時,再將控制權交還給捕獲電路重新捕獲.對于捕獲階段,考慮BOC特有的邊帶結構,分別處理上邊帶和下邊帶,再非相干地把兩個結果合并在一起,以形成捕獲試探統(tǒng)計量的方案.對于跟蹤階段

7、,由于存在多個相關峰值,因此,可以采用多峰值跟蹤鎖定的遠超前一遠滯后方法,利用副峰的位置精確鎖定碼片的偏差.2BOC調制技術的高動態(tài)GPS接收機同步環(huán)路的設計對于捕獲階段,由于工作在高動態(tài)環(huán)境下,載波頻率的搜索范圍相應增大.此時可以采用兩種方法來減少搜索時間:第一種方法可采用多種步長對載波頻率進行搜索,第二種方法可利用四相鑒頻器進行大頻率牽引.對于跟蹤階段,由于載波有較大的多普勒頻移和頻率變化率,對載波的跟蹤環(huán)路的實現(xiàn)提出了較高要求.鎖相環(huán)受到動態(tài)引入的多普勒頻移影響較大,尤其在高動態(tài)情況下,由于各種因素的影響,載頻的偏差和階躍從幾千赫/秒到幾十千赫/秒.因此,高動態(tài)接收機必須承受環(huán)路帶寬與動

8、態(tài)性能之間的折中,同時滿足跟蹤精度和動態(tài)性能的要求.2.1高動態(tài)接收機的捕獲在對BOC信號捕獲環(huán)路的仿真設計中,采用了BOC(10,5)的調制方式,為了證實捕獲環(huán)路的可行性與有效性,仿真不僅在無噪聲情況下對捕獲環(huán)路進行了測試,還在加入各種典型干擾因素的情況下(如:高斯白噪聲,寬帶均勻頻譜干擾等),進行了仿真測試.具體的捕獲環(huán)路在Matlab下的算法過程如圖3所示.從圖中可以看出,對周期長的擴頻碼而言,可以利用方波發(fā)生器去掉亞載波信號,使其還原成BPSK的調制方式,再利用循環(huán)相關的算法,提取段翌一算一一囂1一困一階熊r囂季一一一一一工一工一一越摹第2期瀏春德等:基于BOC調制技術的高動態(tài)接收機的

9、研究l7?圖3基于BOC調制的捕獲算法原理圖出在當前多普勒偏移的情況下最大的相關峰值,再進行門限的比較,當未超過比例門限時,調整當前的載波多普勒值,當多普勒值接近真實的多普勒時,所得到的相關峰值將超過比例門限,此時本地復制的BOC信號與接收信號所含的擴頻碼從,碼相位上來看,其偏差在若干個碼元之內,相應的多普勒的偏差也被控制在一定的范圍內,為下一步進行的捕獲調整做好準備.在進行捕獲調整的環(huán)路中,采用了時域上的偽碼串行載波并行的捕獲算法.因為在前一階段.的捕獲過程中,已經(jīng)縮小了碼的偏差和多普勒值.下一步,需要把碼的偏差調整在一個碼元寬度內,將之前復現(xiàn)的本地碼向前多取若干個碼片.防止在捕獲階段產(chǎn)生的

10、超前或者滯后的現(xiàn)象,在調整階段需要找到最高的相關峰值,并超過相應的判斷門限.2.2高動態(tài)接收機的跟蹤普通的接收機對于信號的跟蹤包括偽碼的跟蹤和載波的跟蹤兩個方面.對-仂碼的跟蹤通常采用DLL(延遲鎖定環(huán)),對載波的跟蹤一般采用PLL,最常用的為Costas環(huán)J.DLL和Costas環(huán)協(xié)同工作,保證了對偽碼和載波的持續(xù)跟蹤,并解調出導航電文.偽碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)的協(xié)同工作如圖4所示.為了使接收機滿足高動態(tài)環(huán)境下的應用需求,可以引入FLL(鎖頻環(huán))來跟蹤頻率的快速變化,此時,環(huán)路濾波器的帶寬較寬;為了獲得精確圖4GPS接收機信號跟蹤示意圖的多普勒頻率值,可通過PLL(鎖相環(huán))來跟蹤相位的變化,精

11、確的鎖定載波頻率,此時,環(huán)路濾波器帶寬應窄.在實際設計中應該采取折中的方式來解決環(huán)路帶寬的矛盾.由上述可知,高動態(tài)接收機的跟蹤環(huán)路不能單純使用PLL,而需要FLL+PLL的實現(xiàn)方式,即在跟蹤環(huán)的基礎上增加一個輔助的頻率引導環(huán),以FLL跟蹤較大的濾波器帶寬來閉合環(huán)路,當頻率引導到PLL可處理的范圍時,轉入Costas環(huán)進行精確的載波跟蹤,在允許的預期動態(tài)影響的前提下,盡量采用窄的濾波器噪聲帶寬來維持環(huán)路的跟蹤轉臺.當動態(tài)增強時,轉入FLL跟蹤,重復上述過程,即可完成在動態(tài)性變化大時,環(huán)路在FLL與PLL跟蹤方式的切換.鎖相環(huán)復現(xiàn)輸入衛(wèi)星的準確頻率,而鎖頻環(huán)?18?沈陽理工大學學報2008年NCO

12、NO.H._1ll濾波器l圖5叉積鑒頻器(上接第14頁)4結束語(1)采用簡單的曲面分割方法,對曲面進行分割,并不進行曲面平坦測試.(2)提出了一種根據(jù)分割后小曲面的位置重新構建坐標系的方法來構造多個最小包圍盒的方法.該方法構造的包圍盒相對于在統(tǒng)一坐標系下構造的包圍盒的占有空間小.(3)采用了以包圍盒中心點為中心的空間劃分及編碼技術,運用編碼間的邏輯運算來判斷曲面與包圍盒間的關系.用以上方法進行曲面求交,可以減少求交測試的計算量,加快求交的速度.3結束語利用時域和頻域相結合的捕獲處理方法,能更快獲得多普勒補償數(shù)據(jù)和碼片偏移位置,具有相位連續(xù)變化,頻率分辨率高,帶寬相對較寬等優(yōu)點.測試結果表明,

13、采用時頻域結合設計實現(xiàn)的可行性和可靠性,且資源占用量少.同時,也能實現(xiàn)高動態(tài)環(huán)境下的同步處理.參考文獻:1梁丹丹,張一,張中兆.高動態(tài)直擴接收機載波跟蹤技術研究J.電子技術應用,2005,9(5):51-53.2ParkinsonBw,SpilkerJJ.eglobedpositioningsystemtheoryandapplicationsM.Washington.DC:AIAA,1996.3費華連.導航戰(zhàn)中的GPS干擾與抗干擾技術J.航空電子技術,2001,32(1):45-48.4鄭繼禹,林基明.同步理論與技術M.北京:電子工業(yè)出版社,2003.5程乃平,任宇飛,呂金飛.高動態(tài)擴頻信號的載波跟蹤技術研究J.電子學報,2003,31(12):2048-2050.參考文獻:1孫家廣.計算機圖形學M.北京:清華大學出版社,1998.2許曉革,冀陽峰,楊蕾.曲面離散跟蹤求交算法的研究J.工程圖學學報.2005,(1):61-64.3渠建平.實用曲面求交算法的研究與實現(xiàn)D.北京:北京工業(yè)大學(機電學院),2001.4曾陽艷,鄭文庭,馮結青.參數(shù)曲面點元離散求交法J.工程圖學學報,2004,(4):77斟.5DonaldHearn,蔡