高动态环境下载波信号的快速捕获方法探讨
【内容摘要】我国北斗二代卫星导航系统采用三类异质卫星组成的混合星座导航系统，高动态绘给载波信号带来较高的多普勒频移，造成载波跟踪环失锁，影响载波的同步，提高载波快速捕获能力极为重要。本文基于北斗二代卫星导航系统，研究了高动态环境下载波信号的快速捕获方法。
【关键词】北斗二代 高动态环境 载波信号 快速捕获
1 引言
我国北斗一代导航系统采用的是“双星定位”的方法，仅覆盖我国本土区域，采用主动式双向测距二维导航原理来实现定位，对于高速运动体的定位误差极大。北斗二代则同北斗一代不同，是由三类异质卫星组成的混合星座导航系统，采用“无源定位”的方法，理论上讲同GPS定位精度相差无几，拥有更强的军事应用能力。在设计上北斗二代需要发射35颗卫星，比美国GPS还要多出11颗，截止2012年5月，我国北斗二代已经成功发射了第十颗卫星。虽然理论上讲北斗二代拥有比GPS更高的精度，但北斗二代目前还不够完善，尤其是高动态环境下载波信号的快速捕获上能力还有所不足，极容易造成载波跟踪环失锁现象，影响载波和码跟踪的同步。下面，本文就高动态环境下载波信号的快速捕获方法进行简要的探讨。
2 高动态扩频接收技术简述
在上世纪七十年代中后期，GPS系统启动后，卫星通信开始使用扩频体制、伪码测距技术，至九十年代随着现代信号处理技术的发展，产生了基于FFT的频域方法，用于快速观测载波瞬时频率位置，以实现载波信号的快速捕获和跟踪。随着技术的发展，自适应滤波技术开始被应用于高动态多普勒条件下载波相位估计之中。目前，国外在高动态扩频技术与相关接收机设备方面对我国实行封锁，尤其是关键和核心技术自主化方面极低，极大的限制了我国航天与国防技术的发展，因此我国急需一套自主研发的针对北斗二代的高频动态载波信号快速捕获方法，以提升卫星导航系统的实时性和动态性。
3 影响高动态载波信号捕获的因素分析
3.1 载波信号二维捕获的影响
在高动态环境下，高速运动的C/A码接收机同高速运动的导航卫星之间受径向移动的影响，会产生多普勒频移，使得接收机接收到的L1波段的载波同发射频率并不相同，要对所接收到的导航数据进行解调必须进行载波捕获，搜索该卫星所产生的多普勒频移值。除此之外，还需要捕获卫星特定的C/A码，其中C/A码的起点和载波频率是跟踪程序所需要的两个重要参数，因此在高动态环境下载波信号的捕获实际上是一个二维搜索过程。
3.2 C/A码多普勒频率的影响
多谱勒频移是由于卫星同接收机的高速运动所产生的，主要包括运动多普勒频移和介质多普勒频移两个方面，不过由于介质多普勒频移量级通常都在10-2Hz，因此几乎可以忽略，只考虑运动多普勒频移即可。C/A码多普勒频移主要受卫星速度分量多普勒频率和用户运动分量多普勒频率两个方面的影响。在实际应用中，卫星速度分量可以通过卫星角速度、速度、卫星轨道平均半径来计算。
3.3 数据捕获长度和区间的影响
C/A码的周期为1ms，由于捕获数据的长度是一次捕获运算的数据长度和累加次数的乘积，因此要正确捕获载波信号并完成C/A码的剥离，必须要搜索到C/A码相位，因此至少要达到1ms的数据，其数据捕获的最小长度必须等于或大于1ms。理论上讲，捕获数据长度越长，捕获能力也就越高，但数据长度并不可能无限长，而是有一定限定的。数据长度主要受导航数据相位变化和C/A码多普勒频率的影响，如果在1ms长充的载波信号中出现了相位反转即无法正确捕获，而相位峰值出现滚降也会影响到捕获。一般捕获数据长度在1ms至78ms之间，在数据长度大于10ms时为了检测相位转换需要增加捕获计算量，因此长度越大捕获速度越慢，通常都限定在10ms以内。
3.4 码相位搜索和频率捕获步长的影响
码相位搜索步长与频率捕获步长同捕获速度都有极大的关系。码相位搜索步长直接影响了载波信号的捕获速度，步长越小则计算量越大捕获速度就越慢，尤其是当码相位搜索步长超过1/2码元时，将会严重影响捕获速度与捕获能力。频率捕获步长越大则载波信号的捕获速度就越快，考虑多普勒频率的影响，为了避免漏捕信号，当频率捕获步长为500Hz时需要进行多次搜索才能完成所有的频率范围，影响捕获能力，频率捕获步长越长捕获能力越弱。
4 基于FFT的载波信号并行快速捕获方法
载波信号的捕获通常采用串行捕获法和并行捕获法两大类，串行捕获法虽然结构简单但捕获时间较长，很难满足高动态环境下载波信号的快速捕获，但采用FFT载波信号并行快速捕获方法， 则能明显提高捕获效率，满足高动态环境下载波信号的快速捕获需要。
4.1 基于FFT的伪码快速捕获方法
载波信号的捕获实际上就是对载波频率和伪码相位的二维搜索，FFT并行捕获方法是在对两路基带信号构建新的序列求FFT的同时，对本地C/A码也进求FFT，最后再对两个FFT进行复数乘法得到IFFT，再对IFFT结果逐个求模并比较所获结果，以最大的模同设定门限进行比较，当大于门限则判断捕获信号将接收机转换为跟踪环路，当小于门限则判断未捕获信号调整多普勒频率重新进行二维搜索。相对来说，FFT并行捕获方法在捕获过程中的计算量远低于串行捕获方法，因此能获得更高的捕获效率，有效的提升捕获速度。
4.2 数据调制因子对FFT快速捕获的影响分析
采用FFT快速捕获方法时，数据调制因子对捕获效率有较大的影响。当本地伪码同信号伪码的相位保持滑动时，如果相位滑动一致且两者相乘后结果只剩残留载波，只需要进行简单的FFT谱分析就能获取多普勒频移值。当本地伪码同信号伪码相位同步时，不存在数据跳变的情况下FFT分析能直接获取谱峰，如果存在数据跳变则会改变谱峰形状，造成频谱的扩展。基于数据跳变对频谱的影响，同时FFT分析还会存在栅栏效应，因此在高动态环境下载波信号的快速捕获中，将最大谱峰作为观测量进行判断并不合适，根据帕斯瓦尔定理可知，数据跳变并没有改变信号能量的大小，因此可以将能量谱作为观测量来进行判断，用以消除数据跳变对信号捕获的影响，并避免栅栏效应所带来的影响。
5 结束语
从初始码相信、多谱勒频移、频谱特性等方面分析来看，在高动态环境下，采用FFT并行捕获的方法来实现载波信号的快速捕获，能获得更高的捕获效率，其硬件实现的难度也较小，能够适应高动态环境下载波信号的快速捕获需要，提升接收机的捕获能力，值得在高动态环境下载波信号的捕获中大量应用。
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