曲江華，袁洪，張力

“北斗一號”衛(wèi)星信標不同通道信號互擾分析和解決方法?

曲江華1，袁洪1，張力2

（1.中國科學院光電研究院，北京100094；2.中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094）

分析了“北斗一號”信號強弱信號碼自干擾對弱信號捕獲所構成的影響，并將在GPS中行之有效的一種連續(xù)干擾取消（SIC）方法應用于“北斗”。模擬及實測結果表明：強弱信號強度相差高于15 dB時，“北斗一號”信號碼自干擾已經(jīng)不可忽視；當強弱信號強度相差超過一定程度，弱信號會陷于完全的失捕或是誤捕。采用SIC方法通過去除強信號解除碼自干擾影響，使強信號下弱信號捕獲得以實現(xiàn)且效果明顯。

“北斗一號”；正交干擾；軟件接收機；連續(xù)干擾取消

1 引言

正常情況下，衛(wèi)星導航信號信噪比C／N0約為45 dB-Hz左右。當用戶終端處于一些特殊環(huán)境中，比如在停車場、建筑室內及樓群間或是郊外峽谷、森林中及邊遠地區(qū)，接收信號相對減弱，對接收機靈敏度要求提高。在不考慮惡意干擾和不同通道信號碼正交干擾情況下，非相干累積方法能有效提高增益捕獲到弱信號（至少27 dB-Hz）。但通常情況是不同通道信號有強有弱，因受強弱信號互相關引起的碼自干擾影響，這種強信號下的弱信號很難捕獲，常陷于誤捕甚至是完全失捕?！氨倍芬惶枴毙盘柖ㄎ灰话阒灰笥脩舳四軌虿东@和跟蹤到一顆衛(wèi)星信號，因此上述問題一般不考慮。但是如果要利用“北斗一號”衛(wèi)星信標進行無源定位，或利用不同通道信號時差進行有源定位，在這些場合下就要求用戶終端捕獲到2個或2個以上通道的信號。這時關于碼自干擾問題的研究和解決就有潛在的重要地位。

本文首先針對“北斗”強信號下弱信號捕獲情況，具體分析了Kasami碼自干擾對弱信號捕獲所構成的影響。然后將在GPS中行之有效的連續(xù)干擾取消（Successive Interference Cancellation，SIC）［1］法用于“北斗”以解決強信號下弱信號捕獲問題，并利用實測和模擬數(shù)據(jù)進行了測試驗證。

2 “北斗”Kasami碼自干擾分析

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號擴頻序列采用幾對優(yōu)選的255位Kasami序列小集碼［2］，不同碼序列間互相關值雖小但不為零，因而存在碼正交自干擾現(xiàn)象。

2.1 等強度信號碼自干擾影響分析

不考慮噪聲影響，信號碼自干擾與自相關峰值增益相差（單位：dB）為

式中，?表示相關計算，K1、K2表示不同通道Kasami碼，d1、d2表示調制數(shù)據(jù)。

圖1描述了“北斗”系統(tǒng)不同通道Kasami碼間互相關特性，為方便比較分析同時給出GPS系統(tǒng)中C／A碼自干擾情況。其中，圖（a）、（c）表示“北斗”Kasami碼互相關性質，（b）、（d）表示GPS C／A碼互相關性質，（a）、（b）是不加有數(shù)據(jù)調制下情況，考慮到導航信號結構是在擴頻碼調制基礎上進一步調制數(shù)據(jù)碼，因此圖（c）、（d）描述了跳變數(shù)據(jù)調制下的碼自干擾情況。

圖1 說明：在相鄰調制數(shù)據(jù)不變的情況下，兩種碼自干擾程度相當；如果相鄰調制數(shù)據(jù)變換，“北斗”Kasami碼的自干擾程度比GPS C／A碼嚴重。此外，GPS相鄰兩個碼間出現(xiàn)數(shù)據(jù)調制變換的幾率很?。ㄐ∮?／20），而“北斗”出現(xiàn)的機率很大（約1／2），可見，“北斗”信號Kasami碼自干擾影響遠強于GPS C／A碼信號。盡管如此，通常信號強度可比情況下，Kasami碼自干擾對信號捕獲是不構成明顯影響的（至少低14.7 dB），但是，在接收信號有強有弱時，碼自干擾對弱信號影響會增強。

2.2 強弱信號共存下碼自干擾影響分析

假設接收到的“北斗”信號y包含強信號s和弱信號w，外加噪聲n：

忽略載波調制影響，

式中，aS、aW、KS、KW∈［+1，-1］分別表示強弱信號的幅度和對應Kasami碼，dS、dW∈［+1，-1］表示調制數(shù)據(jù)。強弱信號功率相差

捕獲過程基于如下相關計算：

比較KW?s和KW?w部分的功率，設前者造成的自干擾噪聲最大功率為PN，后者最大自相關峰值功率為P′W，如果PN高于P′W，捕獲結果便會錯誤地鎖定互相關峰處。

計算處理后弱信號自相關峰值功率P′W和強弱信號互相關噪聲最大功率PN比值：

根據(jù)圖1，rmax取值在-24.6 dB到-14.7 dB之間。式（6）表明：

（1）若保證信號能夠捕獲到，至少r′＞0，當強弱信號功率相差14.7 dB時，就有可能錯誤鎖定互相關峰處而導致誤捕或失捕；若導航數(shù)據(jù)調制不變，自干擾影響變小，當強弱信號功率相差24.6 dB時會促成類似情況；

（2）另外，捕獲需要達到一定的探測率Pd和虛警率Pfa，根據(jù)雷達定理，一個接收機要達到Pd＞

90%和Pfa＜10-7需要足夠的處理增益使處理后信號信噪比達到或高于14 dB，即至少r′＞14 dB，這樣當Ps-Pw＞0.7 dB時就有可能影響弱信號捕獲達到指定的探測率和虛警率。

3 Kasami碼自干擾問題的解決

3.1 SIC解決方法

在GPS中為解決強信號下弱信號捕獲中C／A碼自干擾影響問題，Y.T.Jade Morton采用了連續(xù)干擾取消，即SIC解決方法。SIC技術最初來源于CDMA通信系統(tǒng)，是指從最高電平信號開始，一個個地將強信號去除然后捕獲弱信號。Pennina Axelrad曾將SIC方法用于解決偽GPS遠近（near-far）問題［3］。SIC算法結構見圖2。

圖2中，y（t）表示接收信號，＾s1（t）表示重構的強信號，＾w1（t）表示去除強信號后的弱信號，＾w2（t）表示捕獲跟蹤后的弱信號輸出。具體按常規(guī)方法捕獲和跟蹤強信號過程這里不加以詳述，著重介紹強信號重構及接下來的弱信號捕獲算法。

（1）強信號重構

強信號重構方法通常有兩種，一種是投影方法［3］，另一種是直接重構法［4］。一般情況下，投影方法效果優(yōu)于直接重構法，但是當強弱信號多普勒頻變比較相近的時候效果不是很好。本文采用直接重構法。

當跟蹤到fd、θ、τ這3個參量后，通過這3個參數(shù)重建強信號。

式中，fc指被采樣信號的中心頻率，t是采樣時間。再估計強信號幅度：

然后可以將強信號直接從接收信號中減去，得到凈弱信號［3］：

信號幅度需要每碼周期重新求一次。需要注意一點是，重構的強信號一定要準確，否則會變成噪聲，更加難于捕獲。所以強信號重構還是很有挑戰(zhàn)性的工作。

（2）弱信號捕獲

弱信號捕獲采用頻域非相干累積法，通常不考慮任何干擾情況下，通過延長捕獲數(shù)據(jù)段L的長度，該方法可容易捕獲到低于天線正常接收信號20 dB的弱信號。

3.2 模擬和實際測試結果

首先通過實際“北斗”采樣數(shù)據(jù)，驗證信號接收中遇到的自干擾影響情況，接著通過模擬數(shù)據(jù)，具體分析和測試自干擾在強信號下弱信號捕獲中的影響以及采用上述SIC方法的捕獲效果。

3.2.1 實際接收數(shù)據(jù)測試

利用我們建立的“北斗一號”軟件接收硬件系統(tǒng)采集的實際“北斗”衛(wèi)星信標數(shù)據(jù)，為研究強信號下弱信號捕獲時Kasami碼自干擾影響，如圖3所示，將天線放于窗臺左邊，接收西邊信號（3、4、5、6通道信號均很強），因為窗邊部分墻壁阻擋，東邊信號接收受阻（1、2通道信號很弱，難于接收）。分別通過常規(guī)和SIC方法捕獲弱信號，結果如圖4～6所示。

如圖4所示，對于1通道信號，按照常規(guī)非相關累積方法捕獲時，在采用短周期段數(shù)據(jù)（比如L=

100）時，出現(xiàn)互相關峰值超過自相關峰值情況，延長捕獲數(shù)據(jù)長度，當L=2 500時自相關峰值才稍有突起，但效果不明顯。

如圖5所示，對于2通道信號，按照常規(guī)非相關累計捕獲方法，通過延長捕獲數(shù)據(jù)長度，當L=500時自相關峰值已明顯超過互相關峰值實現(xiàn)捕獲，但是在采用短周期段數(shù)據(jù)（比如L=5）捕獲時，也出現(xiàn)過互相關峰值超過自相關峰值情況。

采用SIC方法，首先去除3、4、5、6路通道信號影響，然后再通過非相干累計方法捕獲1、2通道弱信號，如圖6所示，在L=500時明顯捕獲到1通道信號，在L=5時捕獲到2通道信號，效果顯著。

3.2.2 模擬數(shù)據(jù)測試

由前面分析，“北斗一號”信號的Kasami碼在跳變數(shù)據(jù)調制下自干擾更強，但目前“北斗”所調制的導航數(shù)據(jù)電文除幀標志和分幀號外基本為空，這種強干擾情況不多。另外，實際接收“北斗”數(shù)據(jù)不便于研究自干擾強度與信號信噪比關系，所以我們模擬不同信噪比的“北斗一號”數(shù)據(jù)就將來的導航電文排滿狀況作假設來判斷。

公式（10）表示模擬已完成下變頻后并經(jīng)過20 MHz采樣的中頻采樣數(shù)據(jù)：

式中，i=1、2表示強弱兩種信號，a表示信號幅度，D表示導航數(shù)據(jù)，Ka表示Kasami碼，τ、θ分別表示延遲時間和載波初相位，n指高斯白噪聲。這里導航數(shù)據(jù)除幀標志和分幀號外隨機選取，強信號取50 dBHz。

弱信號捕獲方法采用頻域非相干累積法。為描述捕獲成功與否，引進一參量r=Ampmax／Ampnext-max。根據(jù)定義，r是一個大于1的值，然而如果r比較小，比如說1.1，就意味著一個錯誤捕獲或者可能捕獲出錯。同樣，如果r比較大，意味著碼初始點找對的幾率很大，但是也有可能是錯的，所以我們再將捕獲結果與實際數(shù)據(jù)參考，看正確與否。結果如圖7～11所示。

如圖7所示，當弱信號低于強信號15 dB時，Kasami碼自干擾對弱信號捕獲已經(jīng)有可觀的影響，但是通過延長非相關累積長度L還是能捕獲到。

如圖8所示，當弱信號低于強信號17 dB時已難判斷是否捕獲，適當延長捕獲數(shù)據(jù)段自相關峰才明顯突起出來，采用SIC方法在短周期內可明顯捕獲。

如圖9所示，當弱信號低于強信號18 dB時，L較小時出現(xiàn)自相關峰與正交峰幾乎持平情況，繼續(xù)延長數(shù)據(jù)段L自相關峰稍突起出來，這時取SIC法比較可取。

如圖10所示，當弱信號低于強信號19 dB時已出現(xiàn)誤捕，這時很有必要采用SIC方法。

如圖11所示，當弱信號低于強信號20 dB時，即使采用L=3 200自相關峰依然低于正交峰，這時只能采取SIC方法。

4 結論

本文討論了強弱信號共存下“北斗”信號Kasami碼自干擾對弱信號捕獲的影響，以及SIC方法的采用在強信號下弱信號捕獲中的效果。結果表明，跳變數(shù)據(jù)調制下“北斗”信號Kasami碼自干擾增強，不利于強信號下弱信號捕獲，當強弱信號功率相差高于15 dB時，Kasami碼自干擾影響已明顯；隨功率差值進一步增大，強弱信號的Kasami碼自干擾會超過弱信號自相關最大增益。這種情況下，通過增加捕獲數(shù)據(jù)長度方法實現(xiàn)捕獲可以減少錯誤捕獲的幾率，但是也增加了漏探的機會，甚至陷于完全的失捕或是誤捕；采用SIC法，雖然過程復雜，需要重構強信號，而且要保證信號重構準確，但是效果很好，捕獲精度提高，低于正常接收20 dB的信號容易捕獲到。

［1］Morton Y T J，Tsui J B Y.Assessment and Handling of CA Code Self-interference during Weak GPS Signal Acquisition［C］／／Proceedings of 2003 ION GPS.Portland，OR：ION，2003：646-653.

［2］范梅梅，廖東平，丁小峰.基于北斗衛(wèi)星信號的無源雷達可行性研究［J］.信號處理，2010，26（4）：631-636.

FAN Mei-mei，LIAO Dong-ping，DING Xiao-feng.Feasibility Research of Passive Radar Based on Beidou Navigation and Position System［J］.Signal Processing，2010，26（4）：631-636.（in Chinese）

［3］Axelrad P.Application of Successive Interference Cancellation to the GPS Pseudolite Near-Far Problem［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2003，39（2）：481-488.

［4］Psiaki M L.Block Acquisition of weak GPS Signals in a Software Receiver［C］／／Proceedings of 2001 ION GPS.Salt Lake City，Utah：ION，2001：1-13.

QU Jiang-hua was born in Shenyang，Liaoning Province，in 1978.She received the M.S.degree from Chinese Academy of Sciences in 2005.She is now an engineer.Her research concerns DGNSS and GNSS baseband signal processing.

Email：jianghua＠aoe.ac.cn

袁洪（1968—），男，江蘇南通人，研究員，主要研究方向為電離層電波傳播、信號接收處理方法等；

YUAN Hong was born in Nantong，Jiangsu Province，in 1968. He is now a researcher.His research concerns ionospheric radio propagation and GNSS signal processing.

Email：yuanh＠vip.163.com

張力（1973—），男，云南昆明人，2005年于中科院獲碩士學位，現(xiàn)為高級工程師，主要研究方向為軟件無線電技術。

ZHANG Li was born in Kunming，Yunnan Province，in 1973.He received the M.S.degree from Chinese Academy of Sciences in 2005. He is now a senior engineer.His research direction is software radio.

Email：zhangli＠csu.ac.cm

Mutual Coupling Effects Analysis and Solution of Different Channel COMPASS-1 Signals

QU Jiang-hua1，YUAN Hong1，ZHANG Li2
（1.Academy of Opto-electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；2.Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

This paper presents an analysis of Kasami code cross-correlations，and its impact on the acquisition of weak signals when coexisting with strong signals.A SIC（Successive Interference Cancellation）method is introduced to mitigate the interference to allow successful acquisition of the weak signals.Test result shows that cross-correlation effect cannot be ignored when strong signals are 15dB higher than the weak signals.The higher cross-correlation may result in complete loss or false acquisition of weak signals.Using SIC method，the weak COMPASS-1 signals can be captured successfully.

COMPASS-1；cross-correlation；software receiver；successive interference cancellation

The National Natural Science Foundation of China（No.41204031）

TN967

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.09.012

曲江華（1978—），女，遼寧沈陽人，2005年于中國科學院獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為衛(wèi)星導航差分定位及衛(wèi)星信號基帶處理技術；

1001-893X（2012）09-1474-06

2012-03-12；

2012-05-18

國家自然科學基金資助項目（41204031）