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CN106547004A - 卫星导航系统信号的可控旁瓣二进制偏移载波调制方法 - Google Patents

卫星导航系统信号的可控旁瓣二进制偏移载波调制方法 Download PDF

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CN106547004A
CN106547004A CN201610979406.8A CN201610979406A CN106547004A CN 106547004 A CN106547004 A CN 106547004A CN 201610979406 A CN201610979406 A CN 201610979406A CN 106547004 A CN106547004 A CN 106547004A
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CN
China
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controllable
binary offset
offset carrier
sidelobe
carrier modulation
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CN201610979406.8A
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胡媛
刘卫
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Shanghai Maritime University
Original Assignee
Shanghai Maritime University
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Publication date
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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

本发明公开了一种卫星导航系统信号的可控旁瓣二进制偏移载波调制方法，在二进制偏移载波调制的基础上，将传统的二进制偏移载波的矩形脉冲波形改造为阶梯形脉冲波形，每个脉冲波形单元由可控参数和幅度参数确定，从而实现信号特定旁瓣的功率降低，提升信号间的频谱分离和兼容性能，又能保持信号良好的码跟踪性能、抗多路径和抗干扰性能。

Description

卫星导航系统信号的可控旁瓣二进制偏移载波调制方法
技术领域
本发明涉及的是一种卫星导航系统技术领域的方法，具体是卫星导航系统信号的可控旁瓣二进制偏移载波调制方法。
背景技术
卫星导航系统信号调制性能的好坏直接决定系统的导航和定位性能，信号调制设计是导航信号体制顶层设计中的关键之一。二进制偏移载波调制(Binary OffsetCarrier，简称BOC)是一种新型的导航信号调制方式(J.W.Betz,Binary Offset CarrierModulations for Radionavigation,NAVIGATION:Journal of The Institute ofNavigation Vol.48,No.4,Winter 2001/02.“无线电导航的二进制偏移载波调制”)，通过合理的选择信号的参数，可以提升导航系统信号的相关性能、码跟踪和抗干扰和抗多径能力，特别是在当前卫星通信技术迅猛发展及信号种类繁多的情况下，可以有效实现导航信号的频谱分离和兼容能力。通过选择不同调制参数，实现二进制偏移载波调制频谱不同的旁瓣分离程度，来实现各种各样的导航信号功率灵活分配调制。
二进制偏移载波调制目前已经被应用于GPS、Galileo和北斗等卫星导航系统中，如GPS L1C、Galileo E1OS、E1PRS和北斗B1C等信号都采用二进制偏移载波调制及其衍生调制方式。虽然二进制偏移载波调制以通过将信号功率调制到载波频率的两侧旁瓣上来提高信号的性能，但是随着全球各个国家和地区系统的建设，在同一个中心频点布设越来越多的信号，容易出现信号频谱重叠，从而使旁瓣重叠所造成的干扰越发严重，新布设的信号与已有导航信号之间的兼容性能下降。针对上述的不足，本发明提出一种可控旁瓣二进制偏移载波调制方法，该调制使得导航信号保持良好的码跟踪性能、抗多路径和抗干扰性能，同时能实现特定旁瓣的功率降低，提升信号间的频谱分离和兼容性能。因此，基于可控旁瓣二进制偏移载波调制，构建性能良好的导航信号体制对提升系统的导航和定位性能有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种基于二进制偏移载波调制的卫星导航系统信号调制方法，采用可控旁瓣二进制偏移载波调制(ControllableSide-lobe Binary Offset Carrier，简称CSBOC)，来保持良好的码跟踪性能、抗多路径和抗干扰性能，同时能实现特定旁瓣的功率降低，提升信号间的频谱分离和兼容性能。
本发明通过以下技术方案实现的，本发明在二进制偏移载波调制的基础上，将传统的二进制偏移载波的矩形脉冲波形改造为阶梯形脉冲波形，每个脉冲波形单元由可控参数和幅度参数确定，从而实现信号特定旁瓣的功率降低，提升信号间的频谱分离和兼容性能，又能保持信号良好的码跟踪性能、抗多路径和抗干扰性能。
步骤一：首先根据卫星导航系统的设计需求和约束条件，确定扩频码频率fc或周期Tc，确定基本的二进制偏移载波调制波形BOC(fs,fc)，其中：fs为偏移载波的频率(取1.023MHz的整数倍)，fc为扩频码频率(取1.023MHz的整数倍)，其倒数Tc为扩频码周期；
步骤二：根据卫星导航系统的设计需求和约束条件，确定所需要降低功率的第N级谐波旁瓣、可控参数Θ＝[ρ1,ρ2,…,ρL]和幅度参数构造准正弦波形，其中：可控参数的个数L＝(N+1)/2；
步骤三：构造可控旁瓣二进制偏移载波调制波形该波形由基本的二进制偏移载波调制波形在时域上与准正弦波形叠加构成。
所述的可控旁瓣二进制偏移载波调制波形的功率谱密度为：
(当K为偶数)；
(当K为奇数)；
其中，K为一个扩频码周期Tc内二进制偏移副载波的个数，K＝2fs/fc，
步骤四：根据可控旁瓣二进制偏移载波调制构造卫星导航信号其中：A为信号振幅，D(t)为导航电文，ω为信号载波频率，为载波相位，Sc(t)为可控旁瓣二进制偏移载波调制波形
步骤五：对所构造的信号性能进行检验，若信号频谱分析性能、功率谱密度、码跟踪精度及多路径恒包络误差不满足所设计的导航系统性能需要及约束，返回步骤一重新选择可控参数和幅度参数。
与现有技术相比，本发明提出的可控旁瓣二进制偏移载波调制方法，通过选择适合的参数，以实现既有良好的码跟踪性能、抗多路径和抗干扰性能，同时能实现特定旁瓣的功率降低，提升信号间的频谱分离和兼容性能。
附图说明
图1可控旁瓣二进制偏移载波调制示意图；
图2可控旁瓣二进制偏移载波调制流程图；
图3采用可控三级谐波旁瓣二进制偏移载波调制波形构造图；
图4采用可控三级谐波旁瓣调制实施例的基带频谱图；
图5采用可控三级谐波旁瓣调制实施例的码跟踪精度分析图；
图6采用可控三级谐波旁瓣调制实施例的多路径误差分析图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-3所示，本实施例首先根据导航系统的性能需求及约束，确定扩频码频率，确定偏移载波的频率fs＝1.023MHz，确定降低功率的第三级谐波旁瓣、可控参数Θ＝[ρ1,ρ2]＝[1/3,1]和幅度参数然后根据基本的二进制偏移载波调制波形在时域上与准正弦波形叠加构造可控旁瓣二进制偏移载波调制波形CSBOC(1,1,[1/3],π/4)，具体步骤如下：
步骤一：首先根据卫星导航系统的设计需求和约束条件，确定扩频码频率fc或周期Tc，确定基本的二进制偏移载波调制波形BOC(fs,fc)，其中：fs为偏移载波的频率(取1.023MHz的整数倍)，fc为扩频码频率(取1.023MHz的整数倍)，其倒数Tc为扩频码周期；
步骤二：根据卫星导航系统的设计需求和约束条件，确定所需要降低功率的第N级谐波旁瓣、可控参数Θ＝[ρ1,ρ2,…,ρL]和幅度参数构造准正弦波形，其中：可控参数的个数L＝(N+1)/2；
步骤三：构造可控旁瓣二进制偏移载波调制波形该波形由基本的二进制偏移载波调制波形在时域上与准正弦波形叠加构成。
所述的可控旁瓣二进制偏移载波调制波形的功率谱密度为：
(当K为偶数)；
(当K为奇数)；
其中，K为一个扩频码周期Tc内二进制偏移副载波的个数，K＝2fs/fc，
步骤四：根据可控旁瓣二进制偏移载波调制构造卫星导航信号其中：A为信号振幅，D(t)为导航电文，ω为信号载波频率，为载波相位，Sc(t)为可控旁瓣二进制偏移载波调制波形
步骤五：对所构造的信号性能进行检验，若信号频谱分析性能、功率谱密度、码跟踪精度及多路径恒包络误差不满足所设计的导航系统性能需要及约束，返回步骤一重新选择可控参数和幅度参数。
如图4所示，给出CSBOC(1,1,[1/3],π/4)和BOC(1,1)功率谱密度的比较，图中的横坐标表示频率，单位为Hz；图中的纵坐标表示为功率谱幅度，单位dB。可以看出CSBOC(1,1,[1/3],π/4)能实现压制高频旁瓣的功率，说明只要选择适当的参数可以灵活控制信号的频谱分离，从而实现信号间的兼容性。
如图5所示，给出了CSBOC(1,1,[1/3],π/4)和BOC(1,1)码跟踪精度比较，图中的横坐标表示信号的载噪比，单位为dB-Hz；图中的纵坐标表示为信号的码跟踪误差下界，单位m。CSBOC(1,1,[1/3],π/4)调制在不同的信号载噪比下与BOC(1,1)码跟踪性能相当。
如图6所示，给出了CSBOC(1,1,[1/3],π/4)和BOC(1,1)抗多路径比较，图中的横坐标表示信号的多路径长度，单位为m；图中的纵坐标表示为信号的多路径恒包络误差，单位m。CSBOC(1,1,[1/3],π/4)调制能实现与BOC(1,1)类似的抗多径能力，在多径距离范围为110m-120m能实现更好的抗多路径能力。
表1采用可控三级谐波旁瓣调制信号频谱分析性能，如下：
表1
频谱分离系数 GPS P(Y)码 GPS M码 北斗B1AS Galileo E1PRS
BOC(1,1) -70.5581 -83.1594 -87.1265 -104.3785
CSBOC(1,1,[1/3,1],π/4) -70.4792 -83.8474 -87.1434 -105.1383
表1，给出了CSBOC(1，1，[1/3]，π/4)和BOC(1,1)与其他信号的频谱分离情况。CSBOC(1,1,[1/3],π/4)与GPS M码、北斗B1 AS和Galileo E1 PRS能实现更好的频谱分离和兼容性能。

Claims (2)

1.一种卫星导航系统信号的可控旁瓣二进制偏移载波调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：首先根据卫星导航系统的设计需求和约束条件，确定扩频码频率fc或周期Tc，确定基本的二进制偏移载波调制波形BOC(fs,fc)，其中：fs为偏移载波的频率(取1.023MHz的整数倍)，fc为扩频码频率(取1.023MHz的整数倍)，其倒数Tc为扩频码周期；
步骤二：根据卫星导航系统的设计需求和约束条件，确定所需要降低功率的第N级谐波旁瓣、可控参数Θ＝[ρ1,ρ2,…,ρL]和幅度参数构造准正弦波形，其中：可控参数的个数L＝(N+1)/2；
步骤三：构造可控旁瓣二进制偏移载波调制波形该波形由基本的二进制偏移载波调制波形在时域上与准正弦波形叠加构成；
所述的可控旁瓣二进制偏移载波调制波形的功率谱密度为：
其中，K为一个扩频码周期Tc内二进制偏移副载波的个数，K＝2fs/fc，
步骤四：根据可控旁瓣二进制偏移载波调制构造卫星导航信号其中：A为信号振幅，D(t)为导航电文，ω为信号载波频率，为载波相位，Sc(t)为可控旁瓣二进制偏移载波调制波形
步骤五：对所构造的信号性能进行检验，若信号频谱分析性能、功率谱密度、码跟踪精度及多路径恒包络误差不满足所设计的导航系统性能需要及约束，返回步骤一重新选择可控参数和幅度参数。
2.根据权利要求1所述的卫星导航信号的可控旁瓣二进制偏移载波调制方法，其特征是，所述的可控旁瓣二进制偏移载波调制波形的功率谱密度为：
其中，K为一个扩频码周期Tc内二进制偏移副载波的个数，K＝2fs/fc，
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