0 引言

    為了解決全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,，GNSS)的信號頻段變得愈加擁擠的問題，現(xiàn)代化GNSS廣泛采用了二進(jìn)制偏移載波(Binary Offset Carrier,，BOC)調(diào)制^[1-3],。相比于傳統(tǒng)導(dǎo)航信號采用的PSK-R（Phase Shift Keying modulation with Rectangular chip wave-forms)調(diào)制,，BOC調(diào)制信號具有分裂的頻譜，能夠?qū)⑿盘柕哪芰堪犭x中心頻率,，從而實現(xiàn)頻譜資源的共享,，提高GNSS各系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性。同時,，BOC調(diào)制信號的自相關(guān)主峰比較尖銳,，因此，其具有更高的定位精度,、更強的多徑分辨能力和抗噪聲干擾性能^[4],。

    然而，BOC調(diào)制信號的應(yīng)用也帶來了一些新的挑戰(zhàn),，其中最為突出的是跟蹤過程中的模糊性問題^[5],。國內(nèi)外研究者已經(jīng)提出了一些BOC調(diào)制信號的無模糊跟蹤方法。其中有一類方法是基于邊峰消除(Side-peaks Cancellation,，SC)思想^[6-8],。SC思想是通過生成一些特殊設(shè)計的本地輔助信號，與接收到的BOC信號做相關(guān)運算,，將得到的多路相關(guān)值進(jìn)行線性或非線性組合構(gòu)造出到無邊峰的相關(guān)函數(shù)^[9],。文獻(xiàn)[6]提出的自相關(guān)邊峰消除技術(shù)(Autocorrelation Side-Peak Cancellation Technique，ASPeCT)只適用于sinBOC(n,，n)型信號,，并且對邊峰的消除不夠徹底。文獻(xiàn)[7]中的副載波相位消除法(Sub Carrier Phase Cancellation technique,，SCPC)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,，需要大量的相關(guān)器，并且沒有保持BOC信號原有的窄自相關(guān)性,。文獻(xiàn)[8]提出的GRASS（General Removing Ambiguity via Sidepeak Suppression）方法需要設(shè)計復(fù)雜的本地參考信號,，并且新合成的相關(guān)函數(shù)中依然存在一些幅值較小的邊峰，并沒有完全消除模糊性,。

    基于以上方法的不足，本文提出了一種改進(jìn)的BOC信號無模糊跟蹤方法,。本方法基于SC思想,，通過構(gòu)造兩路本地BOC-Like參考信號，將它們與接收到的BOC信號做相關(guān)運算,，再將得到的互相關(guān)函數(shù)取模后做差即可合成無邊峰的相關(guān)函數(shù),。接收機采用基于此方法合成的相關(guān)函數(shù)的延遲鎖定環(huán)（Delay-Locked Loop，DLL）來消除BOC調(diào)制信號的跟蹤模糊性問題,。本方法適用于BOC(kn,，n)型調(diào)制信號,，相比于其他同類方法，本方法僅需設(shè)計兩路簡單的本地參考信號,，實現(xiàn)復(fù)雜度低,，且能夠完全消除鑒別曲線的誤鎖點，實現(xiàn)BOC信號的無模糊跟蹤,，同時具有較高的跟蹤精度和抗多徑能力,。

1 BOC調(diào)制信號及其主要特性

1.1 BOC調(diào)制信號模型

    BOC調(diào)制信號可視為BPSK-R信號和一個方波副載波的乘積[10]?；鶐OC信號可以表示為^[11]：

1.2 BOC信號的主要特性

    自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度是反映BOC調(diào)制信號特性的兩個主要性能指標(biāo),。BOC調(diào)制信號的功率譜密度可以表示為^[12]：

2 改進(jìn)的無模糊跟蹤方法

2.1 方法原理

    本文提出一種改進(jìn)的BOC調(diào)制信號無模糊跟蹤方法，稱為BLAET(BOC-Like Ambiguity Elimination Technique),。本方法通過設(shè)計兩路本地BOC-Like信號,，利用其與接收到的BOC信號的互相關(guān)值進(jìn)行組合構(gòu)造出無邊峰的相關(guān)函數(shù)。其合成相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為：

    由于推導(dǎo)過程類似,，下面以BOC_s(kn,，n)型信號為例，分析利用上述兩路BOC-Like信號合成的相關(guān)函數(shù),。

    由式(1),、式(2)、式(7)～式(11)可以得到,，BOC信號與S₁信號的互相關(guān)函數(shù)為：

    分別將式(12)～式(15)帶入式(7),，經(jīng)計算和化簡可以得到本文提出的BLAET方法合成的相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為：

    從式(16)可以看出，本文提出的方法合成的相關(guān)函數(shù)完全消除了邊峰,，并且主峰寬度可以通過寬度因子w的取值來進(jìn)行調(diào)節(jié),。圖1為w=0.15時，BOC_s(1,，1)信號和BOC_c(1,，1)信號與兩路本地信號的互相關(guān)函數(shù)及BLAET方法合成的相關(guān)函數(shù)。

2.2 方法實現(xiàn)框圖

    基于本文提出的BLAET方法設(shè)計的跟蹤環(huán)路實現(xiàn)框圖如圖2所示,。圖中的數(shù)字2代表超前和滯后兩條支路,。

    接收到的BOC信號首先剝離載波成為I、Q兩路中頻信號,，每路信號再分別與本地產(chǎn)生的兩路BOC-Like信號做相關(guān)運算,，將各路相關(guān)值送入鑒別器，鑒別器的輸出結(jié)果經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波后對碼NCO的輸出進(jìn)行修正,，進(jìn)而控制各路本地碼序列發(fā)生器進(jìn)行調(diào)整,，實現(xiàn)對信號的跟蹤。

3 性能分析

3.1 解模糊有效性分析

    為了驗證本文提出方法的解模糊有效性，即邊峰消除效果,，對各方法合成的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行仿真分析,。圖3為采用不同方法合成的相關(guān)函數(shù)。

    從圖3中可以看出,，本文提出的BLAET方法合成的相關(guān)函數(shù)能夠在保持BOC信號良好的窄相關(guān)特性的基礎(chǔ)上,，完全地消除邊峰。其解模糊的性能明顯優(yōu)于其他同類方法,。

3.2 抗噪聲性能

    碼跟蹤誤差標(biāo)準(zhǔn)差是評價接收機跟蹤方法抗噪聲性能的一個重要指標(biāo),。其計算方法如下^[13]：

其中，B_L是單邊環(huán)路帶寬,，T為積分時間,，σ_ε為鑒別器輸出的標(biāo)準(zhǔn)差，G為鑒別器增益,，即鑒別曲線在過零點處的斜率,。

    設(shè)置仿真參數(shù)B_L為典型值2 Hz，T為1 ms,，早遲碼間隔為0.2個碼片,，通過蒙特卡洛仿真計算出鑒別器輸出標(biāo)準(zhǔn)差σ_ε。對BOC(n,，n)型信號和BOC(2n,，n)型信號分別應(yīng)用傳統(tǒng)方法與BLAET方法進(jìn)行跟蹤，得到的碼跟蹤誤差標(biāo)準(zhǔn)差曲線如圖4所示,。

    由圖4可以看出,，在信噪比較低的情況下，BLAET方法的碼跟蹤誤差標(biāo)準(zhǔn)差要高于傳統(tǒng)方法,，這是由于本地設(shè)計的兩路BOC-Like信號的脈沖寬度較小,，信號的能量有所損失造成的。但注意到這個比較是在假設(shè)傳統(tǒng)方法沒有發(fā)生誤鎖的前提下進(jìn)行的,，而實際中,，由于傳統(tǒng)方法的鑒別曲線存在多個模糊跟蹤點，極易導(dǎo)致環(huán)路的錯誤鎖定,，從而產(chǎn)生較大的跟蹤誤差,。隨著信噪比的逐漸增大，BLAET方法的跟蹤誤差標(biāo)準(zhǔn)差也越來越接近傳統(tǒng)方法,，并且可以通過減小w值來獲得較高的跟蹤精度,，同時完全消除模糊性問題。

3.3 抗多徑性能

    多徑誤差是跟蹤誤差的主要來源之一,。通常用多徑誤差包絡(luò)（Multipath Error Envelope，MEE）曲線來評價跟蹤方法的抗多徑性能。

    多徑存在時的接收信號為直達(dá)信號與多徑信號的疊加信號,。為了簡化分析,，本文假設(shè)只存在一條多徑的情況。利用本文提出的方法對接收機輸入的多徑信號合成的相關(guān)函數(shù)為：

其中,，R(τ)表示式(7)表示的合成相關(guān)函數(shù),，α為多徑信號相對直達(dá)信號的衰減，τ₁和φ₁分別為多徑信號的傳播時延和相位,。

    設(shè)置多徑信號相對直達(dá)信號的幅度衰減為3 dB,，相關(guān)器間隔分別為0.1個碼片和0.2個碼片，圖5為采用傳統(tǒng)方法和本文提出的方法對BOC_s(2n,，n)信號進(jìn)行跟蹤的多徑誤差包絡(luò)曲線,，并將傳統(tǒng)導(dǎo)航信號采用的BPSK調(diào)制的抗多徑性能作為對比。

    由圖5可以看出,，無論是采用傳統(tǒng)方法還是本文提出的方法,，BOC調(diào)制信號的多徑誤差都要小于BPSK調(diào)制信號，這說明了BOC調(diào)制信號具有更好的抗多徑性能,。本文提出的方法在短多徑延遲范圍（小于100 m）時的多徑誤差略優(yōu)于傳統(tǒng)方法,，而在中長多徑延遲時的多徑抑制能力則明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。在傳統(tǒng)跟蹤方法仍存在較大跟蹤誤差時,，BLAET方法的跟蹤誤差已趨近于零,，說明了本文提出的方法能夠顯著提高BOC調(diào)制信號的抗多徑能力。另外還可以看出,，相同多徑延遲的情況下,，相關(guān)器間隔越大，多徑誤差越大,。并且在相同相關(guān)器間隔時,，對于本文提出的方法，本地設(shè)計的BOC-Like信號的脈沖寬度越小,，多徑抑制能力越強,。這是由于w值越小，BLAET方法合成相關(guān)函數(shù)的相關(guān)峰越窄越尖銳,，抗多徑性能越好,。

4 結(jié)論

    本文提出了一種改進(jìn)的基于邊峰消除思想的無模糊BOC信號跟蹤方法。本方法通過設(shè)計兩路脈沖寬度為w的本地BOC-Like輔助信號,，合成新的無邊峰的相關(guān)函數(shù),。采用基于本方法合成的相關(guān)函數(shù)的延遲鎖定環(huán)來實現(xiàn)對BOC信號的跟蹤。本文提出的方法所需的兩路輔助信號設(shè)計簡單,，并且適用于任意階數(shù)的BOC(kn,，n)型信號,，具有較低的實現(xiàn)復(fù)雜度。同時,，可以通過改變信號的脈沖寬度w獲得理想的跟蹤性能,。與其他同類方法相比，本文提出的方法能夠完全消除BOC信號的跟蹤模糊性問題,，并且具有良好的碼跟蹤精度和優(yōu)越的抗多徑能力,。

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作者信息:

鄭  昆，張曉林

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,，北京100191)