基于BOC调制的导航信号捕获算法研究

分类号密级UDC编号工学硕士学位论文基于BOC调制的导航信号捕获算法研究硕士研究生韩浩指导教师徐定杰教授学科、专业导航、制导与控制论文主审人周卫东教授哈尔滨工程大学2014年12月分类号密级UDC编号工学硕士学位论文基于BOC调制的导航信号捕获算法研究硕士研究生韩浩指导教师徐定杰教授学位级别工学硕士学科、专业导航、制导与控制所在单位自动化学院论文提交日期2014年12月26日论文答辩日期2015年3月8日学位授予单位哈尔滨工程大学CLASSIFIEDINDEXUDCADISSERTATIONFORTHEDEGREEOFMENGRESEARCHONACQUISITIONOFNAVIGATIONSIGNALSBASEDONBOCMODULATIONCANDIDATEHANHAOSUPERVISORPROFXUNDINGJIEACADEMICDEGREEAPPLIEDFORMASTEROFENGINEERINGSPECIALTYNAVIGATIONGUIDANCEANDCONTROLDATEOFSUBMISSIONDECEMBER,2014DATEOFORALEXAMINATIONMARCH,2015UNIVERSITYHARBINENGINEERINGUNIVERSITY哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字日期年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文在授予学位后即可在授予学位12个月后解密后由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者签字导师签字日期年月日年月日基于BOC调制的导航信号捕获算法研究摘要二进制偏移载波调制信号是一种非常重要的调制信号，将要应用于未来的导航系统里面，目前GPS现代化信号和GALILEO导航系统以及中国的北斗信号都决定采用BOC调制方式，该种调制方式具有比传统的BPSK调制方式更好的捕获性能以及抗干扰能力。BOC信号具有宽广的应用前景，所以关于该技术的研究引起了国内外学者的普遍重视。论文的主要研究内容概括如下在本文中，首先对BOC信号特征做了论述。通过分析该信号功率谱密度知道了该信号具有分裂的频谱；通过对这种信号的相关函数进行分析可知该信号有窄相关峰，拥有较高的跟踪精度潜力；对BOC调制和BPSK调制作对比分析，体现出BOC调制体制在信号特征上的优越性。随后，本文重点分析研究了新型卫星信号的捕获原理与方法，在该部分，列举了经常使用的BOC调制信号捕获方法，通过对这些捕获方法进行分析，针对将要应用于我国北斗导航系统中B3波段的BOC15,25调制信号的特点，构思了两种能够实现消除该调制信号多峰性的处理方法。两种算法都是通过在接收机本地产生一个辅助函数，将该辅助函数与BOC15,25调制信号自相关函数作和，重组卫星信号检测变量，可以实现完全消除BOC15,25信号自相关函数边峰，防止边峰干扰接收机对信号主峰进行捕获，有效提高了该调制信号的检测概率。通过仿真结果表明，这两种方法都能够达到预期目标。为了能够实现对处于低信噪比条件下的二进制偏移载波调制信号进行捕获操作，这里围绕着对于BOC信号的捕获方法以及如何实现快速提升信噪比增益的算法进行理论研究。能够实现提升卫星信号信噪比增益的主要方法是累积算法，在本文中，通过对传统GPS卫星信号的信噪比累积算法进行研究，并综合分析各种不同累积算法所存在的优点和局限性，得出差分相干积分最适合弱信号捕获；在相干积分算法和差分相干积分算法所结合的基础上，将相干积分法部分进行改进处理，提出一种新的算法，即重叠差分循环相干累积法，由于BOC调制信号特点，把该方法和自相关边峰消除算法相结合，改造成一种专门适合于微弱BOC信号的捕获方法。仿真结果表明，对低信噪比的BOC调制信号来说，新提出的这个方法具有优越的检测性能。在文章的最终部分对论文的研究内容进行了概况总结，并指明了该文章后续的研究方向。关键词二进制偏移载波；无模糊；合成相关函数；重叠差分相干积分哈尔滨工程大学硕士学位论文基于BOC调制的导航信号捕获算法研究ABSTRACTBINARYOFFSETCARRIERBOCMODULATIONISANESSENTIALTECHNIQUEINTHEFUTURESATELLITENAVIGATIONSYSTEM,EUROPEANCOMMISSIONANDUNITEDSTATESANDCHINESECOMPASSHADDECIDEDTOIMPLEMENTTHEBOCINTHEFUTUREBOCMODULATIONHASBEENAPPLIEDWIDELY,ANDITSTECHNOLOGYHASATTRACTEDTHEATTENTIONOFTHEMAJORITYOFTHESCHOLARSINTHEWORLDTHEMAINWORKSARESUMMARIZEDASFOLLOWSINTHISARTICLE,ITHASCARRIEDONTHEDETAILEDANALYSISTOTHEBINARYOFFSETCARRIERMODULATIONSIGNALCHARACTERISTICBYANALYZINGTHESIGNALPOWERSPECTRALDENSITYFUNCTIONKNOWSTHESPECTRUMOFSIGNALISSPLITTHISSIGNALBYTHECORRELATIONFUNCTIONOFTHESIGNALANALYSISSHOWSANARROWCORRELATIONPEAKASSOCIATEDWITHAHIGHTRACKINGACCURACYPOTENTIALATTHESAMETIME,BOCMODULATIONSIGNALANDBPSKMODULATIONSIGNALFORMAKINGCOMPARISONANALYSISONEACHASPECT,REFLECTINGTHESUPERIORITYOFBOCMODULATIONONTHESIGNALCHARACTERISTICSTHEN,THISPAPERANALYZESTHEACQUISITIONTECHNIQUESUSEDBYSATELLITESIGNALRECEIVERINTHESIGNALACQUISITIONPROCESS,COMMONWAYSOFACQUISITIONAREDISCUSSEDBECAUSEBOC15,25MODULATIONSIGNALISADOPTEDBYTHEBEIDOUNAVIGATIONSATELLITESYSTEMB3SPECTRUMSIGNAL,ALSOTHISSIGNALHASAMBIGUITYPROBLEMAMBIGUITYISONEIMPORTANTFACTORAFFECTINGTHEACQUISITIONACCURACY,INORDERTOALLEVIATEDTHEIMPACTOFAMBIGUITYFORBOC15,25SIGNAL,NEWCORRELATIONFUNCTIONSAREPROPOSEDTHENEWMETHODSAREIMPLEMENTEDTOCREATEANOSIDEPEAKCOMBINEDCORRELATIONFUNCTIONBYDESIGNINGTHEMODULATEDSYMBOLSOFONELOCALSIGNAL,ITTHENPLUSESTOTHEBOCAUTOCORRELATIONFUNCTIONSIMULATIONRESULTSSHOWTHETECHNIQUECANCOMPLETELYELIMINATETHESIDEPEAKSOFBOC15,25SIGNALANDACHIEVEUNAMBIGUOUSBOC15,25SIGNALACQUIRINGFORTHESAKEOFACQUISITIONTECHNIQUESOFTHEBINARYOFFSETCARRIERMODULATIONSIGNALINWEAKS/NCONDITION,THETECHNIQUEOFHOWTOIMPLEMENTFASTINTEGRATIONSNRGAINANDTHEBINARYOFFSETCARRIERSIGNALACQUISITIONMETHODARERESEARCHINTHEARTICLESEVERALMAINFACTORSNEEDTOBETAKENINTOCONSIDERATIONWHILEACQUIRINGWEAKSIGNALTHEMAINMETHODTOENHANCETHESATELLITENAVIGATIONSIGNALTONOISERATIOISCUMULATIVEGAINALGORITHM,INTHISPAPER,ITSTARTTHERESEARCHBASEDONTHETRADITIONALSIGNALTONOISERATIOACCUMULATIONALGORITHM,ANDCOMPREHENSIVEANALYSISOFTHEVARIOUSCUMULATIVEADVANTAGESANDLIMITATIONSOFEXISTINGALGORITHMS,THEDIFFERENTIALCOHERENTINTEGRATIONISMOSTSUITEDFORWEAKSIGNALACQUISITIONONTHEBASISOFCOHERENTINTEGRATIONALGORITHMANDDIFFERENTIAL哈尔滨工程大学硕士学位论文COHERENTINTEGRATIONALGORITHMCOMBINED,TOMODIFYTHEPARTOFCOHERENTINTEGRATION,ANDPROPOSEANEWMETHODOFTHEOVERLAPDIFFERENCECYCLECOHERENTINTEGRATIONDUETOTHECHARACTERISTICSOFTHEBINARYOFFSETCARRIERMODULATEDSIGNALANDTHEWEAKSIGNAL,THEPAPERUSETHISNEWMETHODANDAUTOCORRELATIONSIDEPEAKSCANCELLATIONALGORITHMCOMBINESTOFORMASPECIALIZEDBOCSIGNALACQUISITIONMETHODISSUITABLEFORWEAKSIGNALSIMULATIONRESULTSSHOWSTHATFORLOWSIGNALTONOISERATIOOFBOCMODULATIONSIGNAL,NEWPROPOSEDMETHODHASEXCELLENTDETECTIONPERFORMANCEINTHEFINALPARTOFTHEARTICLE,SUMMARIZESTHECONTENTOFTHERESEARCHANDPOINTOUTFUTURERESEARCHDIRECTIONKEYWORDSBINARYOFFSETCARRIERUNAMBIGUOUSCOMBINEDCORRELATIONFUNCTIONTHEOVERLAPDIFFERENTCOHERENTINTEGRATION基于BOC调制的导航信号捕获算法研究目录摘要9ABSTRACT11目录13第1章绪论111研究背景与意义112卫星导航系统的发展概况2121GPS系统2122GLONASS系统3123GALILEO系统4124中国的北斗导航系统513BOC调制技术的国内外发展与研究现状5131BOC调制技术的发展5132BOC调制技术的研究现状614微弱信号处理技术现状715本文的主要研究内容7第2章BOC调制信号特性分析921BOC调制信号的基本概念9211BOC调制信号的定义9212BOC调制信号的表示10213BOC调制信号的功率谱10214BOC调制信号的自相关函数1322BOC信号的调制原理1523BOC调制方式与PSKR调制方式的性能比较1624本章小结17第3章BOC调制信号捕获原理与方法1931导航信号的捕获原理19311搜索范围20312捕获过程中的数据长度2032导航信号的捕获方法20321串行搜索捕获算法21322FFT并行搜索2333BOC调制信号捕获算法25331BPSKLIKE捕获算法25332自相关边峰消除法27333相关重构法29334三路并行相关法31335副载波消除技术32336边峰消除技术33哈尔滨工程大学硕士学位论文337几种算法的性能比较3534本章小结36第4章BOC15,25调制信号捕获算法研究3741BOC15,25调制信号捕获算法原理3742BOC15,25调制信号捕获流程42421算法流程图42422算法描述4343合成相关函数法的性能分析与仿真44431算法原理仿真44432算法性能分析与仿真4544本章小结48第5章微弱信号的信噪比累积算法设计与仿真4951微弱信号的累积算法49511相干累积算法49512非相干累积算法51513差分相干累积算法53514累积算法的比较5452传统弱信号捕获算法54521半比特算法54522全比特算法5553低信噪比条件下累积算法设计56531传统算法所面临的问题56532改进算法原理56533算法流程57534算法步骤58535算法仿真与分析5854本章小结61结论62参考文献63攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果67致谢68第1章绪论1第1章绪论11研究背景与意义由于科技的不断进步，航天领域与卫星导航领域得到了极大的发展，使得全球卫星系统能够为普通人所用，成为了人们生活中非常重要的一部分。当前处于运行以及建设中的全球定位系统共4个，即由苏联建设并通过俄罗斯进行维持的GLONASS系统、由欧盟建设主要专注于民用领域的GALILEO系统、由美国建设的适用于军事以及民用领域的GPS系统以及我国自主开发的北斗系统。由于全球定位系统拥有定位精度高、实现精密授时、运行效率高等较强大的功能特点，在航空领域、航天领域以及战地指挥等多个方面实现了广泛应用。然而，随着各国对于导航安全的重视，各国纷纷开发本国的导航系统，由于卫星系统越来越多，卫星所发射的信号也随之增多，使得适合卫星信号传输的频段变得拥挤，信号之间产生的相互干扰也随着拥挤变得严重，但是用户对于卫星系统的定位精度、定位速度的要求却越来越高，所以必须发展新型的调制方式来调节这个相互矛盾的关系。BOC调制技术就是在这种背景下发展起来的，它是一种能够较好解决上述矛盾的方法。这种调制方式通过将卫星信号的主要能量从信号频带中央搬移到频带边缘处，可以实现对于频带有效资源的最大利用，避免在同一频带上不同信号的频谱出现混叠，并由此而产生干扰情况。该技术使得几大卫星系统可以实现共享信号的频带，同时信号频谱是分离的。经过BOC调制的卫星信号也具有其特殊的特点，那就是它的相关主峰所具有的宽度要远远的小于采用PSKR调制方式所获得的主峰宽度，可以在后续进行处理的跟踪环节实现更高精度，而且在热噪声或者是多径的处理环境里，依然可以保证较好的跟踪精度。在全球导航系统中，有三大导航体系打算使用该种新提出的调制方式，即GPS现代化、GALILEO系统还有我国开发的北斗系统。美国GPS在现代化改进中，军事导航码将要使用BOC10,5调制信号；GALILEO系统的E2L1E1波段的调制方式计划采用MBOC6,1,1/11调制，E6波段的卫星信号要采用BOCCOS10,5调制方式，E5波段将要使用ALTBOC调制形式；我国自主开发的北斗导航系统在B1频段采用的调制信号是MBOC6,1,1/11和BOC14,2，在B2频段将要采用的是ALTBOC15,10调制信号，而在B3波段将要采用BOC15,25调制方式。虽然BOC调制技术应用比较广泛，但是它也是有其不足之处，虽然通过使用该方法在一定程度上增加了卫星系统的可扩展能力，处理了卫星信号频段比较拥挤的情况，但因为该信号自身所具有的相关函数多峰性这一特殊情况，使得卫星接收机在捕获阶段哈尔滨工程大学硕士学位论文2具有很大的概率捕获到相关函数副峰，而且由于导航系统所占据的频段都是特高频段，使得卫星信号的强度会出现一个较快的衰减速度，所以用户接收到信号的信噪比往往是比较低，增加了用户捕获到信号的难度。为了解决BOC信号自相关函数多峰性对于接收机捕获所出现的干扰问题，本文提出了两种针对于消除BOC调制信号边峰的方法，这两种方法解决了由于BOC信号模糊性问题使得接收机对于卫星信号捕获所出现的漏检以及误检情况，该方法对于BOC调制信号捕获阶段的研究提供了一个新的方向，推动了该种调制方式的进展，存在着一定的工程利用价值。由于社会的不断发展与进步，对于城市现代化的建设越来越快，使得城市中出现高楼林立的情况变得非常普遍，而且随着人们对于环境的重视，关于城市的绿化建设也在不断改进，城市的植被覆盖率呈现出逐年上升的趋势，但是这些都会对卫星信号的传输产生影响，使得信号出现衰减情况，而人们对于卫星导航的依赖程度却变得越来越重，所以研究对于微弱信号进行捕获的算法，实现对于微弱信号的捕获也存在着比较重要的现实意义。为了解决微弱信号捕获问题，本文通过分析导航电文的数据长度以及翻转特点，提出了一种重叠差分循环相干累积算法，并将该算法与自相关边峰消除法相结合，改造成适合于BOC调制的弱信号捕获环境中，该方法实现了提高BOC弱信号的捕获概率，为BOC弱信号的捕获研究扩宽了方向，有利于BOC弱信号捕获的发展。12卫星导航系统的发展概况121GPS系统美国的GPS系统，其英文全称是GLOBALPOSITIONINGSYSTEM。该系统是基于卫星与地面基站，为全世界用户提供免费的全天候无线电定位、授时服务。可以将整个GPS系统的发展过程分为三个阶段。第一阶段主要进行的是理论与可行性研究，主体工作主要是在于对用户设备的测试，通过一个设置在地面上的信号发生装置，使其代替卫星发射信号，通过不断的实验，验证接收机是否能够通过解调信号而获得一个较高的定位精度。GPS的第二阶段始于1979年，最终要达成的目的是能够为一部分的特许用户实现GPS全球二维定位服务。在1985年之后，GPS系统就进入建设的最后一个阶段，开始为全球用户推出定位、授时服务。GPS系统是人类在实现登陆月球以及发明航天飞机之后在空间技术层面上实现的又一大突破成就。由于现代技术的不断发展，使得在现代计算机、微型处理器、原子钟以及信号处理等与空间领域相关的领域内技术实现井喷式发展，同样也为GPS系统能够出现现在的辉煌打下了坚固的基础。第1章绪论3可以将GPS系统分成三个不同的部分由卫星所组成用来发射卫星信号的空间部分、控制与监测整个系统运行并进行维护的地面监控部分以及由各种形式的接收机所构成的用户部分。空间部分即卫星星座部分，总共通过21颗工作卫星以及另外3颗有源备用卫星所构成，GPS系统中的卫星都是中轨卫星，轨道平均高度在20200KM左右，所有的卫星以不均匀的情况分布在6个不同的运行轨道面上，任何一个轨道平面上都存在着4颗卫星。每个轨道面和地球赤道面之间夹角度数均是55，由于地球自转的影响，使得在地球的每一个地方同一时刻均能够看到611颗卫星。GPS使用的是一种叫做码分多址CDMA技术，GPS信号占用了两个频率，即频率1L157542MHZ与频率2L12276MHZ，每一颗GPS系统中的卫星都要在这两个频率上连续不断播放自身的伪随机码信号。在1L波段上有频率为1023MHZ的粗码C/A码、频率为1023MHZ的军用码PY码及一个50BIT/S的导航电文，而在2L波段上只存在着军码以及导航电文。地面控制部分是通过全球范围内的1个主控站、6个监测站以及4个注入站共同构成，这些站点的作用是为空中卫星提供卫星星历以及控制数据，完成整个网络系统的协调任务。用户部分的任务就是通过对卫星信号进行捕获和跟踪，将信号进行处理与运算，剥离出定位所需要的测量值和导航数据，完成用户所需要的定位以及授时任务。当前，GPS为用户提供两种不一样的定位服务一种是针对全球用户的C/A码标准定位服务SPS（）；另一种是针对于美国军方和其盟友的PY码精确定位服务PPS（）12。122GLONASS系统GLONASS系统GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTEM，全球导航卫星系统是由前苏联在20世纪80年代建立，随后由俄罗斯继承并进行进一步完善的导航系统，该系统最初建立的主要用意在于要打破当时美国独揽卫星导航领域的现状。该系统共有24颗卫星组成，卫星轨道高度为19100KM，与GPS系统不同的是，该系统下的卫星采用均匀分布的方式存在于3个轨道平面上，轨道倾角达到了648，由这个较高的轨道倾角所获得的好处是GLONASS系统比GPS系统在高纬度区域更有优势，使得该系统的信号在高纬度区域具有更好的覆盖率。该系统与GPS系统不同之处，就是该系统卫星所播放的信号不是使用码分多址的调制方式，而是另一种，即频分多址FDMA（）调制方式，该方式是通过载波频率的不同来区分出是来自哪颗卫星的信号3。虽然俄罗斯政府前前后后共发射了将近80多颗卫星，但是因为卫星使用寿命是有限的，只有35年时间，导致一直跟不上整个网络的补网更新，甚至使得该卫星系统一度出现了崩溃现象，在2000年的时候，能够处于工作状态的卫星甚至只剩下了7颗4。在总统普京上台执政之后，俄罗斯政府对全球卫星导航系统进行了一系列的评估，最终肯定了该系统在军事以及民用这些方面所起到的功能，做出了继续开发此系统的决议5。俄罗斯计划发展该系统，使其能够在哈尔滨工程大学硕士学位论文420092010年实现正常运营，预估精度实现米级6。俄罗斯政府研制开发了两种新型的GLONASS卫星型号，分别是GLONASSM以及GLONASSK。型号为GLONASSM的卫星是第二代的GLONASS卫星，主要的技术突破之处是对于卫星的使用寿命实现了增长；对于卫星的姿态控制以及铯钟的稳定程度也进行了改进；对于卫星信号的L1频率进行改变处理，使其能够实现减少带外的辐射干扰，同时采取一种新型的测距技术；增加发射另外一个新的民用信号，并将该信号置于L2频率上，这样通过多增加一个民用信号，使得民用用户可以通过电离层校正提高定位精度7，实现了定位精度的改进。GLONASSK卫星是俄罗斯政府研制开发的第三代卫星型号，可以使卫星实现重量更加轻便，使用寿命更长的优点，能够使其有效的工作年限达到12年以上，同时在该卫星上能够实现增加播发第3个民用信号，该民用信号的工作频率位于12014MHZ左右，非常接近于GPS系统的L5波段。应用这种新型的卫星除了可以播发导航电文之外，新增加的民用信号也要播发GLONASS信号完好性与广域差分校正等信息，用户可以通过这些信息来调高定位精度以及信号可靠性8。到2010年3月2日为止，GLONASS系统已经拥有23颗卫星，其中22颗卫星的型号是GLONASSM型卫星。123GALILEO系统由于在政治、经济以及公共交通等众多不同领域，卫星导航都占据着重要地位，具有重大意义，在1998年，欧盟提出开发一个能够专门服务于全球民用用户的导航系统，就是GALILEO系统。04年6月26日，在爱尔兰，由美国和欧盟共同召开的EUUS首脑会议，会上就GALILEO以及GPS的相关问题达成了一致，签署了相关协议，GALILEO系统的发展就排除了最大的干扰。GALILEO系统可以根据用户需要，提供多种类型的服务，例如开放性服务OS,OPENSERVICE、商业方面服务CS,COMMERCIALSERVICE、以及关于人文搜索和自然灾害救援服务SAR,SEARCHANDRESCUESUPPORTSERVICE等多种不同的服务应对不同用户需求910。GALILEO系统的精度可以达到分米级，比其它导航系统要先进的多，即使是GALILEO系统中为全球用户免费提供的卫星信号其定位精度也可以达到6米11。GALILEO系统有一个比其他导航系统更先进之处，那就是可以保证在特殊条件下的一些应用，当该系统出现定位失败情况时，系统可以实现在出问题过后的几秒钟时间里知会该特定客户，该特点非常适合于一些有特殊需求的用户，例如应用于交通系统中进行线路调度、各大机场对客机起落的调度、车辆运输等过程中，因此，它可以为航海、陆地交通以及航空的安全运行提供很大便利5。所以，GALILEO系统更加先进也更加可靠12。由于一些内部和外部因素，使得GALILEO系统的进展情况一直不是很顺利，直到2008年4月23号，欧盟内部之间才形成协议，协议内容包括GALILEO系统的研制与开发、运营模式等。在协议中规定了20082013年是整个GALILEO系统的建设时间；之后GALILEO系统进第1章绪论5入正式运行时期，欧盟计划为这个系统共投资43亿欧元13。在2005年，欧盟成功发射了该系统的第一颗卫星，在2006年1月12日开始向外发射信号8。在2008年，欧盟又成功发射了第二颗试验卫星，在5月7日开始向地球发射测试信号。124中国的北斗导航系统虽然我国在卫星导航技术方面起步较晚，但是发展势头却是很迅猛，我国北斗项目的建设一共是由三步组成14第一步是建成北斗1代，该阶段已经于2003年完成，官方将该系统称之为北斗导航试验系统；第二步是在2012年能够在亚太地区实现区域导航，这是北斗2代的一个组成部分；在第三步，官方预计在2020年建设完成整个北斗2代，实现全球范围内的导航服务。到目前为止，北斗1代的注册用户已经达到了15万，主要是渔业和救灾应用中，北斗2代预计通过5颗静止轨道卫星以及另外30颗非静止轨道卫星共同构成整个导航体系。当整个系统建成之后，中国将会是第3个国家独立拥有一个完善的、整体的导航系统。13BOC调制技术的国内外发展与研究现状131BOC调制技术的发展GPS系统进行现代化的主要目的就是为了应对美国军方关于导航战的要求，传统的GPS系统采用的是扩频信号，但是它的信号传输功率非常弱，使得军用的用户还是很容易受到敌对方对其进行的电子干扰。GPS军用信号比较脆弱的主要原因就是信号功率太弱，所以为了提高信号的抗干扰能力就需要提高信号功率。但是在当前的卫星信号结构之下，想要只提升军用信号的功率而保持民用信号的功率不变基本上不可能，这主要因为两种信号频谱有重叠，如果只是对军用信号强度进行提升，那就会对民用信号产生一种相似于噪声干扰的影响，即使只是将军用信号功率提升到中等强度，依然会破坏接收机对于民用信号的捕获，而且，军用接收机也会受到干扰，因为对军用码捕获要借助C/A码。所以为了完成美国军方的需求，就必须将两种信号的频谱进行分离处理。美国政府为了能够将这两种信号重叠的频谱分开，进行了一些理论研究，综合现存的优势以及现实的情况，最后还是决定依然利用GPS系统现有频段的方式，实现GPS现代化的军事目标15。在最终方案里，第一步，通过在L2波段上增加发射一个新的民用信号，使该信号的频谱占据两个频段中央位置，保证其带宽为2MHZ；其次，将之前就存在于两个频段上的PY码信号保留下来，使得更新后的GPS系统实现兼容，使之前开发的接收机依然能够正常使用；最后，在这两个频段上增加发射新开发的M码信号，该信号的频谱呈现出一种对称分布的趋势，能够使其信号的主要功率分布在两个频段边沿处。为了实现这个要求，美国军方进行了大量实验，实验了很多不同的方法，经过深入对比研究，选取了二进制偏移载波BOC,BINARYOFFSETCARRIER调制方式。哈尔滨工程大学硕士学位论文6欧盟一直在构建的GALILEO导航系统同样也要应用这种调制方式16，用来提供公共法规服务以及其它类型的服务，实现将不同类型的服务信号频谱分离开，防止相互干扰。通过欧盟对于GALILEO系统也应用这种方式可知，BOC调制方式是现阶段最适合使卫星信号实现频段共享、频谱分离的调制方式。我国正在建设的北斗导航系统要采用的是PSK与BOC以及它的扩展调制方式等多种调制方式混合使用，其中公开服务OS要采用MBOC6,1,1/11和ALTBOC15,10两种调制方式，授权服务AS将要应用BOC14,2和BOC15,25调制方式17。我国自主研制的北斗系统可以提供给用户两种不同类型的服务，即公开服务OS,OPENSERVICE以及授权服务AS,AUTHORIZEDSERVICE，其中公开服务是面向全球用户，实现供人们无偿使用，该种服务类型可以实现定位精度达到10M、授时精度50NS；授权服务是一种能够提供更高定位精度和授时服务的服务类型，它的服务对象主要是军事部门和有较高精度要求的付费用户1819。132BOC调制技术的研究现状BETZ于2002年在文献2中首次提出了一种新型调制方式，即BOC调制方式，该方式是为了应用于现代化后的GPS中，主要是针对GPS的军用M码所设计，应用该种调制方式能够实现军用码与已有其他信号进行有效分离，不会发生频谱重叠以及出现干扰现象。2003年，BOC调制信号开始正式实现使用，实验证明，BOC调制方式和之前卫星信号采用的PSK调制方式不冲突，能够实现频谱的有效隔离，BOC调制方式的实质是把之前经过PSK调制的卫星信号处于中心频率处的频瓣进行搬离处理，将其搬到信号频谱高频分量处，使之前的频瓣改变成分布在中心频点两侧的两个频瓣，BETZ通过对这种信号的多径效应以及跟踪精度等方面的性能进行理论分析，证明了BOC信号比PSK信号所表现出的性能要好。BOC调制技术中包含有两个参数变量，一个是关于扩频码的频率，另一个是关于方波副载波的频率，设计者通过任意改变这两个参数值，实现自由控制BOC信号其频谱主峰所在位置。近些年，关于BOC调制信号捕获方法的研究也取得了长足的进步，其中PFISHMAN与JWBETZ发明了一种名为非相干边带捕获算法2021，该方法通过理论分析得出BOC信号任何一个边带所含信息都是一样的，所以可以使用非相干累积算法做捕获处理，可是该方法的缺点是算法非常复杂。ADINABURIA发明了能够过滤出BOC信号主瓣的BPSKLIKE方法22，这个方法首先要将BOC信号的频率主瓣提取出来，再用处理BPSK信号的方法来进行后续相关处理，缺点是由于使用了滤波器，使得接收到的信号会出现能量损耗23。GAVELLONE发明了一种新的相关函数法，该方法是利用改变相关函数来实现BOC信号的捕获2224，该方法只适合BOC1,1型信号，对高阶的BOC信号所产生第1章绪论7的捕获效果不是很理想。邢兆栋提出了一种三路并行相关法25，该方法是为了消除BOC信号自相关函数在其零点处非常容易让用户发生漏检现象这一问题26。这个算法的硬件实现比较简单，缺点是只适合于BOCN,N型调制信号，并不是很适合于阶数比较高的BOC调制信号。14微弱信号处理技术现状在低信噪比情况下进行卫星定位一直是这个领域的研究热点，许多机构都在致力于这个方面的研究。由于国外对于卫星导航研究开始的比较早，同样在这个方面也处于领先地位，但是这方面的研究存在着一定的难点，所以虽然获得了一些成果，但依然不太成熟，所以现阶段生产适用于弱信号的接收机在信号定位精度、解算稳定性等各个方面都不太好；由于我国关于微弱信号的研究还处在起步阶段，所以取得的成果也较少。目前，国内外关于改善微弱信号捕获效果的方法本质上都是采取增加码片的累积时间来达到目的。PSIAKI在这个领域进行了比较多的研究27，他通过对相干累积算法以及非相干累积算法进行理论分析，发现这两种算法都或多或少存在着不足之处，例如当采用相干累积算法时，该方法的相干累积时间要受到导航数据位翻转的限制；当采用非相干累积算法时，又存在着平方损耗，使得该方法对于信号信噪比的改善效果不理想。MOHAMMADH等提出了一种新的弱信号捕获算法，即差分相干累积算法。该算法的原理是通过把当前相关积分值和前一时刻相关积分值作共轭相乘再累积求和处理，实现对弱信号的捕获。该方法不敏感于数据位的翻转，同时由于该方法是通过将相邻数据对应点进行相乘处理，所以对于噪声的放大相对来说比较小，因此，该方法对于噪声的改善效果较好。由于国内外对于微弱信号捕获算法研究还是不成熟，所以需要继续通过大量的工作对该领域进行深入研究，使得接收机对于微弱信号的接收技术能够在实际应用中获得进步，能够使卫星导航技术可以更好的为人类服务。15本文的主要研究内容本文主要是基于BOC信号的相关知识展开研究。由于BOC信号自相关函数出现的多边峰特点，所以对该调制方式的捕获算法与传统的GPS信号捕获算法有不同之处。本文详细研究了BOC信号的捕获方法，并对该种信号特点进行分析，针对BOC15,25调制方式提出了两种新的捕获算法。新提出的算法可以有效消除BOC调制信号自相关函数边峰，降低在信号捕获阶段所出现的模糊问题，本文中首先对该方法进行了论述，并进行了仿真分析与验证，最终哈尔滨工程大学硕士学位论文8证明了算法是有效的。在信噪比条件较低的情况下，针对微弱信号的捕获进行研究，提出了一种重叠差分循环相干算法，并将该算法与自相关边峰消除法进行结合，使其能够应用到BOC1,1调制信号捕获中，针对该算法进行仿真分析，证明了算法的有效性，最后给出了本文的结论以及后续的研究方向。本文的结构安排如下第一章，阐述了论文的研究背景和意义，卫星导航系统的发展概况，论述了BOC调制技术的国内外发展与研究现状，微弱信号捕获的现状，最后给出了本文的主要研究内容以及整个论文的结构框架。第二章，介绍了BOC信号的基本概念，对BOC调制方式基本原理进行论述，分析了该种调制的性能，并与其他调制方式进行比较，最后做出小结，为后面的研究提供理论基础。第三章首先介绍了原始卫星信号的捕获原理，并介绍了主要的捕获方法，再对新型的卫星导航信号捕获方法进行介绍，介绍了几种应用较多的BOC调制信号捕获方案，对于这几种方法所存在的优缺点进行对比。第四章，针对即将应用于北斗导航系统中的一种BOC信号，提出了两种新的捕获算法。在本章中，首先对该算法做了原理介绍，然后列出该算法的流程以及处理步骤，最后对该算法进行性能分析，并仿真验证其有效性。第五章，关注了卫星导航弱信号领域，首先介绍了微弱信号的累积算法，以及应用较多的传统弱信号捕获算法，通过对于导航数据位长度以及翻转特点的分析，提出了一种新的弱信号捕获算法，即重叠差分循环相干算法，并将该算法与自相关边峰消除法相结合，改造出适合于BOC1,1型弱信号捕获，最后针对该算法是否适合于BOC信号进行了仿真分析。最后，总结全文，并针对本文后续的工作作出安排。第2章BOC调制信号特性分析9第2章BOC调制信号特性分析在传统的卫星导航中，比较熟悉且应用比较广泛的信号调制方式是PSKR调制方式，即相移键控方式，但是由于这种调制方式存在着一定的缺点和局限性，所以各主要卫星大国研制开发了一种新型的调制方式，并计划广泛使用这种被称之为二进制偏移载波BOC的调制方式。根据互联网上最新发布的GALILEO系统信号接口控制文件，在它要使用的10种导航信号里面，其中有多达8种导航信号是要使用BOC调制或者是BOC调制方式的改进型ALTBOCALTERNATEBOC2831，通过BOC调制信号能够得到广泛应用现状，可以看出BOC调制方式确实拥有PSKR调制方式所不具备的优势。BOC调制与PSKR调制的区别在于BOC调制不是将卫星信号的主要功率直接调制在载波频率主瓣上，而是将其调制到偏移载波中心频率，位于中心频率两边的旁瓣上，通过旁瓣来承载卫星信号的主要功率，这两个承载着卫星信号大部分功率的旁瓣之间距离是副载波频率的2倍。21BOC调制信号的基本概念211BOC调制信号的定义BOC调制方式主要是将经过BPSK处理后的信号再调制上一个高频的副载波，使信号的频谱进行一定的偏移处理32。经常使用如下表达式表示该种调制方式00SSIKNTSTKSTEATKNTTCTT21其中KA表示经过导航电文调制之后的扩频码，存在单位幅值，相位值随机选取；STCT表示高频副载波，该副载波是周期函数，周期值是2ST；SNTT代表一个矩形脉冲序列，该脉冲所持续的时间是SNT，N取值为正整数值，代表扩频符号所持续的时间比上半个高频副载波周期；以及0T代表相对于某一个参考系的相位与时间偏移量。0SKNTSKATKNTTSNT110STCTT11ST11ST图21BOC调制信号波形哈尔滨工程大学硕士学位论文10经常将经过BOC调制之后的信号称之为BOC调制信号，也可以简称为BOC信号。对BOC信号来说，KA的值只可以是1或者是1，经过数据码调制之后的扩频码和扩频符号的乘积0SKNTSATKNTT表示矩形脉冲，该脉冲值为1或1，持续时间为SNT，副载波STCT表示频率较高的方波。BOC调制信号波形如图21所示。对于BOC调制信号来说，令公式21中10001SSSSNMNTNTSTTSMQTTKNTTCTTTMT22则通过分析公式22中N是取奇数还是偶数，可以将BOC信号分为两类当N取值为偶数时,0SCSIBOCFFKNTSKSTEAQTKNTT23当N取值为奇数情况下,01SCSIKBOCFFKNTSKSTEAQTKNTT24由于SNTQT表示一个信号参考时间点为零点、持续时间是N个半周期方波，所以N取值是偶数时，SNTQT均值是零表示该方波中没有直流分量；N取值为奇数时，SNTQT均值不为零表示该方波中含有直流分量。212BOC调制信号的表示BOC信号拥有两种不同的表示方式33，一种是BOC,SCFF,其中SF表示高频副载波频率值，CF表示PRN码速率值。其中由于ST代表高频副载波的半周期值，所以12SSFT，信号的扩频符号脉冲宽度为SNT，所以PRN码速率可以表示如下122SSCSCFFFNNTNF，或者是25例如BOC1023MHZ,5115MHZ表示该BOC信号中，高频副载波频率值是1023MHZ，PRN码速率是5115MHZ。BOC信号还有另一种表示方式，即BOC,，该种记法经常在GPS或者是其他的卫星导航系统中使用，在这里表示副载波频率为1023MHZ，表示的是扩频码速率值为1023MHZ，根据公式可以得到22NN，或者是26所以BOC1023,5115MHZMHZ也可以表示成BOC10,5，N等于4。213BOC调制信号的功率谱假设扩频码序列KA在码元时间里取值为1以及1的概率相等，同时1以及1是随机出现，出现的可能性相互独立，所以该序列的频谱就只与扩频符号PT以及扩频码的第2章BOC调制信号特性分析11周期有关，设二进制扩频码序列功率谱为342GFPF27其中PF表示PRN码符号PT对应的傅里叶变换。BOC调制信号PRN码周期是SNT，对应着PT的PRN码符号是公式22中的SNTQT傅里叶变换为120SIN1SSSIFNTNIFNTMSNTMEFTQFEF28继续化简式，当N取值为偶数时12222210122402411112SINSINCOSSSSSSSSSSNIMFTIFTINFTINFTMMNIFTIKFTKNIFTIKMFTSKNINFTSSEEEEEEIEFTENFTIEFTL29结合公式，可知当N取值是偶数，BOC信号的功率谱2,221SINSINCOSSINSIN2COS2TANSIN2SCSSBOCFFSSSCCSSCCFTNFTGFNTFFTFFFFFFFFFFFFFF其中2SCFNF为偶数210同样，也可知当N取值是奇数，BOC信号功率谱哈尔滨工程大学硕士学位论文122,221SINCOSCOSSINCOS2COS2TANCOS2SCSSBOCFFSSSCCSSCCFTNFTGFNTFFTFFFFFFFFFFFFFF其中2SCFNF为奇数211所以，SF以及N取值不同时，就可以获得不同的功率谱，不同的信号功率谱有着不同的特征。图22到图24给出了卫星信号在接收机带宽为40MHZ内仿真得到的BOC1,1、BOC10,5以及BOC15,25信号的功率谱密度。2015105051015200123456X107偏离中心频率的频率值（单位MHZ）能量BOC1,1图22BOC1,1功率谱密度函数图22至图24都是依据功率谱密度函数的推导结果仿真出的波形图，通过观察图形，可以发现BOC信号功率谱密度函数的形状是通过信号主瓣以及旁瓣共同组成，存在着下列特点（1）将两个主瓣以及它们之间的旁瓣进行加和，和为N，即为22SCFNF。（2）扩频码速率值是信号主瓣宽度的一半，这等同于PSKR调制，但是BOC信第2章BOC调制信号特性分析13号旁瓣宽度与扩频码速率相等，也就是相当于主瓣宽度一半。（3）由于卫星信号在两个边带之间存在着一定的相互作用，使得信号主瓣最大值位于稍小于高频副载波频率SF的位置。2015105051015200123456789X108偏离中心频率的频率值（单位MHZ）能量BOC10,5图23BOC10,5功率谱密度函数2015105051015201010109108107106105偏离中心频率的频率值（单位MHZ）能量BOC15,25图24BOC15,25功率谱密度函数214BOC调制信号的自相关函数将公式210和公式211进行反傅里叶变换处理，即可以获得当N取值分别是偶数哈尔滨工程大学硕士学位论文14以及奇数时的BOC信号自相关函数。由于在现实中，卫星信号的发射装备以及用户接收机的接收带宽是带限的，所以，研究有带限范围的BOC调制信号自相关函数特点更加具有应用价值。为了能够更好的分辨自相关函数是有限带宽还是无线带宽，应用反傅里叶变换方法对带限的自相关函数进行求解运算222RRIFSSRGFEDF212其中，SGF表示BOC信号在无线带宽范围内的功率谱密度；R代表着被考察的有限带宽范围。功率谱经过带限处理之后的功率/2/2RRSGFDF213BOC信号自相关函数存在下列特点（1）通过多段过零点的线段连接构成BOC信号自相关函数归一化波形，波形中由正负峰所构成的数量和是21N，载波周期决定着峰值出现的周期，两次峰值的时间间隔是ST；（2）每个峰的高度值是/NLN，L表示该边峰远离信号主峰最大的峰值的编号，可以取为0,1,1NL。下图是BOC1,1、BOC10,5以及BOC15,25信号自相关函数波形。如图所示，可以将信号出现自相关函数主峰作为是不是成功复现出信号的凭据，使其成为接收机成功捕获到信号的判断标准。1510