劉 哲，倪少杰，牟衛(wèi)華，唐小妹

（國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 衛(wèi)星導(dǎo)航定位研發(fā)中心，湖南 長(zhǎng)沙410073）

0 引 言

MBOC（multiplexed binary offset carrier）是GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中L1C信號(hào)和Galileo系統(tǒng)E1開放式服務(wù)信號(hào)采用的一種新的調(diào)制方式。MBOC以BOC（1，1）信號(hào)為基線，從頻譜上避開了業(yè)已存在的BPSK信號(hào)，提高了頻譜復(fù)用率，使抗干擾能力大大增強(qiáng)，同時(shí)高頻分量BOC（6，1）的存在使信號(hào)的跟蹤性能有所改善。隨著GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的推進(jìn)和Galileo系統(tǒng)的發(fā)展與成熟，MBOC信號(hào)的性能受到廣泛關(guān)注。

在GNSS系統(tǒng)中，多徑是由于衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)物體反射或散射后進(jìn)入接收機(jī)引起的，由于很難通過建模、差分等方法消除，因此多徑一直是GNSS系統(tǒng)中主要誤差源之一。CCRW技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于BPSK信號(hào)體制下商用接收機(jī)上的多徑抑制算法。通過改變本地復(fù)現(xiàn)碼的波形以期獲得更理想的鑒相函數(shù)，從而更好地抑制多徑，CCRW技術(shù)在應(yīng)用于BPSK接收機(jī)時(shí)取得了很大成功。目前典型的CCRW算法包括窄相關(guān)、W1（四相關(guān)）、W2、W3、W4CCRW[4]。目前關(guān)于 CCRW 技術(shù)在BPSK調(diào) 制 信 號(hào) 下 性 能 的 研 究 比 較 充 分[4，8]，對(duì)BOC下的性能研究也較為成熟[7－9]，文獻(xiàn)[2]通過將BPSK調(diào)制下的CCRW閘波信號(hào)直接應(yīng)用到BOC（1，1），研究了 W2在 BOC（1，1）中的性能。文獻(xiàn)[6]研究了窄相關(guān)及 W1CCRW 在TMBOC下的性能，文獻(xiàn)[3]詳細(xì)分析了 W2CCRW 在MBOC下的性能，本文則以 W1、W2、W3、W4 CCRW技術(shù)為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了其直接移植到MBOC信號(hào)時(shí)的多徑抑制性能，并與其在BPSK和BOC（1，1）調(diào)制下性能進(jìn)行了比較。

1 MBOC調(diào)制

MBOC是GPS現(xiàn)代化計(jì)劃和Galileo系統(tǒng)中采用的一種新的信號(hào)調(diào)制方式。為提高頻譜復(fù)用率，在L1頻點(diǎn)，GPS和Galileo決定采用 MBOC（6，1，1／11）的調(diào)制方法，以BOC（1，1）作為基線，并增加高頻分量來提高信號(hào)的跟蹤性能。MBOC（6，1，1／11）表示該信號(hào)的頻譜由1／11的BOC（6，1）和10／11的BOC（1，1）構(gòu)成?，F(xiàn)有信號(hào)體制下有TMBOC和CBOC兩種實(shí)現(xiàn)方法，二者功率譜密度相同，均為式（1）所示。

TMBOC是一種類似時(shí)分復(fù)用的方式，為GPS L1C信號(hào)所采用。L1C包括數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)頻通道，其能量比為1：3。數(shù)據(jù)通道采用BOC（1，1）調(diào)制，導(dǎo)頻信號(hào)采用TMBOC（6，1，4／33），在每33個(gè)方波中，第1、5、7、30個(gè)為BOC（6，1），其余為BOC（1，1）。

CBOC（composite BOC）是根據(jù)BOC（1，1）和BOC（6，1）不同的幅值權(quán)重構(gòu)成的4電平符號(hào)來實(shí)現(xiàn)的調(diào)制，是幅值的復(fù)合式實(shí)現(xiàn)，為Galileo系統(tǒng)E1OS信號(hào)所采用。E1OS同時(shí)播發(fā)調(diào)制有導(dǎo)航電文的信號(hào)和無導(dǎo)航電文的導(dǎo)頻信號(hào)，二者能量比為1：1，表達(dá)式分別為

由于CBOC中用于跟蹤的主要是導(dǎo)頻通道，因此，主要研究CCRW技術(shù)在CBOC導(dǎo)頻通道和TMBOC中的多徑抑制性能。

2 CCRW技術(shù)簡(jiǎn)介

CCRW技術(shù)是廣泛應(yīng)用于二相相移鍵控（BPSK）信號(hào)接收機(jī)上的一種多徑抑制技術(shù)，世界上許多知名的接收機(jī)生產(chǎn)商都采用該技術(shù)或發(fā)明過相關(guān)專利。該技術(shù)中本地參考波形是一系列的閘波信號(hào)，閘波信號(hào)由一定數(shù)目的基本波形組成，不同閘波波形如圖1所示?；静ㄐ蔚膶挾榷x為閘波寬度GW.同BPSK接收機(jī)相似，本文研究的MBOC接收機(jī)中，閘波信號(hào)也是根據(jù)調(diào)制副載波之前的偽碼序列產(chǎn)生的。

在接收機(jī)基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊中，來自射頻前端的數(shù)字中頻信號(hào)與本地載波相乘后，分別與本地即時(shí)碼和本地閘波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到IX、QX、IW、QW，四路信號(hào)輸入到鑒別器中，求得載波相位和碼相位跟蹤誤差，從而完成對(duì)載波和偽碼的跟蹤。四路信號(hào)表達(dá)式如式（4）至（7）所示。其中A為信號(hào)幅度；D為導(dǎo)航電文；fe為載波頻率跟蹤誤差；T為積分時(shí)間；θe為初始載波相位誤差；Ni，X、Nq，X、Ni，W、Nq，W是高斯白噪聲，R（ε）和R（ε）分別表示接收到的衛(wèi)星信號(hào)與本地即時(shí)碼和本地閘波信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)。

鑒別器分為相干和非相干兩種，實(shí)際中應(yīng)用較多的是非相干鑒別器，其鑒相函數(shù)如式（8）所示。

圖1 不同閘波信號(hào)波形

3 CCRW技術(shù)在MBOC下的多徑抑制性能分析

主要采用基于多徑誤差包絡(luò)的多徑抑制性能分析方法[5]，分析比較不同閘波信號(hào)的多徑抑制性能。

理想無限帶寬情況下不同閘波波形在閘寬為1／12（單位：碼片，下同）的鑒相函數(shù)如圖2所示。可以看出，MBOC調(diào)制下鑒相函數(shù)有以下特點(diǎn)：

1）鑒相函數(shù)在延遲為零附近并不是線性的，這是由MBOC中存在的BOC（6，1）分量造成的；

2）各鑒相函數(shù)均有多個(gè)過零點(diǎn)，因此使用類似Bump－jumping的輔助校驗(yàn)技術(shù)來保證碼跟蹤環(huán)路的正確鎖定是十分有必要的；

3）CBOC調(diào)制中四種技術(shù)的牽引范圍相同，都是[－0.08 0.08]。TMBOC中 W1、W2、W3的牽引范圍為[－0.08 0.08]，W4的牽引范圍較大，為[－0.08 0.17]。

不同調(diào)制方式下各閘波信號(hào)多徑誤差包絡(luò)如圖3和圖4所示。為了分析方便，仿真所用多徑為單路鏡面反射模型，多徑信號(hào)幅度為直達(dá)信號(hào)的0.5倍，射頻前端簡(jiǎn)化為－3dB帶寬為20M、阻帶為30M的帶通濾波器，圖3中閘寬為1／12，圖4中閘寬為1／16。

由誤差包絡(luò)可以得出以下結(jié)論：

1）在 MBOC調(diào)制下，W2、W3、W4CCRW技術(shù)能較好地抑制延遲較大的多徑，而對(duì)短延遲多徑不能完全抑制，這與BPSK和BOC（1，1）下結(jié)論類似。同時(shí)TMBOC調(diào)制下，延遲大于0.5碼片的多徑信號(hào)仍有一定影響，這是因?yàn)殍b相函數(shù)在延遲小于－0.4碼片時(shí)仍有一定起伏。W1CCRW性能較BPSK調(diào)制變差，雖然在延遲為一個(gè)碼片附近的多徑抑制能力優(yōu)于BPSK，但對(duì)0.5碼片之內(nèi)的多徑抑制作用有限，而在實(shí)際中，由于較大延遲的多徑在傳播過程中能量損耗較大，我們更關(guān)心的是延遲小于0.5碼片的多徑；

2）類似于BPSK和BOC（1，1），MBOC調(diào)制下，閘寬越小，多徑誤差包絡(luò)越理想，其包絡(luò)面積、包絡(luò)極值、有效包絡(luò)區(qū)間長(zhǎng)度等都隨閘寬的降低而減?。?/p>

3）MBOC調(diào)制下 W2、W3、W4CCRW 誤差包絡(luò)形狀并不規(guī)則，載波延遲為0和π時(shí)誤差包絡(luò)并不對(duì)稱，這與鑒相函數(shù)線性程度和對(duì)稱性較低有關(guān)。W2與W4多徑誤差包絡(luò)較為相似，W3則有較大不同，有效包絡(luò)區(qū)間長(zhǎng)度較大，包絡(luò)面積也大于W2和W4CCRW，但三者的性能均優(yōu)于W1。

圖4 不同調(diào)制方式中各閘波信號(hào)在閘寬為1／16碼片時(shí)多徑誤差包絡(luò)

以BPSK調(diào)制下 W2CCRW在閘寬為1／12時(shí)的包絡(luò)面積為準(zhǔn)，測(cè)得不同條件下各多徑誤差包絡(luò)面積如表1。通過表1可知：

1）W2、W3、W4在閘寬為1／12條件下，在TMBOC下面積與在BPSK和BOC（1，1）下基本相等，在CBOC下則小得多，W2和W4在CBOC下面積約為在BPSK下的58%，W3約為85%；

2）W2、W3、W4在閘寬為1／16條件下，多徑誤差的包絡(luò)面積大小關(guān)系為：TMBOC＞BPSK≈BOC（1，1）＞CBOC。這是由于在TMBOC信號(hào)下應(yīng)用CCRW技術(shù)時(shí)沒有考慮BOC（6，1）分量，對(duì)BOC（6，1）采用了和 BOC（1，1）相同的處理方式，因此沒有發(fā)揮出高頻分量的跟蹤優(yōu)勢(shì)，造成在TMBOC信號(hào)下性能有所下降；

3）W1在閘寬為1／12時(shí)，面積大小關(guān)系為CBOC＞BOC（1，1）＞TMBOC＞BPSK，在閘寬為1／16時(shí)，面積大小關(guān)系為BOC（1，1）＞BPSK＞TMBOC＞CBOC.

表1 不同條件下不同閘寬歸一化誤差包絡(luò)面積統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

介紹了 W1、W2、W3、W4CCRW四種技術(shù)的基本原理，并從誤差包絡(luò)面積、包絡(luò)極值、有效包絡(luò)區(qū)間長(zhǎng)度等幾個(gè)方面比較了這幾種技術(shù)在MBOC調(diào)制信號(hào)下的性能。雖然以上幾種閘波信號(hào)都是針對(duì)BPSK信號(hào)設(shè)計(jì)的，但其在CBOC調(diào)制下的性能優(yōu)于BPSK調(diào)制。由于MBOC信號(hào)特性與BPSK并不相同，因此針對(duì)MBOC信號(hào)的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)閘波波形是提高M(jìn)BOC信號(hào)接收機(jī)多徑抑制性能的一種可行思路，這部分工作還需進(jìn)一步深入研究。

[1]Kaplan E D，Hegarty C J.Understanding GPS：principles and applications[M].2nd ed.Boston：Artech House，2006：243－300.

[2]Nunes F，Sousa F，Leitao J.Gating functions for multipath mitigation in GNSS BOC signals [J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2007，43（3）：951－964.

[3]Nunes F，Sousa F，Leitao J.Code correlation reference waveforms for multipath mitigation in MBOC GNSS receivers[C]／／Proc ENC－GNSS 2008，2008：1－10.

[4]Lee Y C.Compatibility of the new military GPS signals with non－aviation receivers[C]／／Proceedings of the ION 58th Annual Meeting／CIGTF 21st Guidance Test Symposium 2002，2002：581－597.

[5]劉薈萃.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的多徑誤差分析與抑制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2010.

[6]劉志儉，周 甍，楚恒林.GPS L1C信號(hào)多徑抑制性能分析[J].全球定位系統(tǒng)，2009，34（6）：9－12.

[7]Nunes F，Sousa F，Leitao J.Improving multipath mitigation in GPS／Galileo BOC signals with gating functions[C]／／ Proceedings of ION AM 2005，2005：498－507.

[8]Garin L L ，Rousseau J M.Enhanced strobe correlator multipath rejection for code ＆ carrier [C]／／Proceedings of ION GPS 1997，1997：559－568.

[9]Sousa F ，Nunes F ，Leitao J.Strobe Pulse Design for Multipath Mitigation in BOC GNSS Receivers[C]／／Proceedings of IEEE／ION Position Location and Navigation Symposium，2006：355－384.