基于伽利略卫星导航系统的多径误差仿真精.docx

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基于伽利略卫星导航系统的多径误差仿真精

　收稿日期:

2008-05-02　　　　修回日期:

2008-08-10　作者简介:

李　强（1976-　,男,湖北荆州人,主要研究方

文章编号:

1002-0640（200906-0158-03

基于伽利略卫星导航系统的多径误差仿真

李　强,刘　兵,李会锋

（西安卫星测控中心,陕西　渭南　714000

　　摘　要:

着重讨论伽利略卫星导航系统中采用的线性偏移载波调制技术,对GALILEO中可能用到的几种信号的基本特性作具体分析,提出对于BOC信号,应采用余弦副载波调制方式。

并在此基础上对GALILEO各种信号的多径误差、平均多径误差进行仿真验证。

仿真结果表明,在参数相同的条件下,余弦副载波类型BOC信号的平均多径误差均优于同参数下的正弦副载波类型BOC信号的平均多径误差。

关键词:

卫星导航,线性偏移载波调制,副载波中图分类号:

TP391.9　　　　文献标识码:

A

SimulationofMultipathErrorinGalileoNavigationSatelliteSystem

LIQiang,LIUBing,LIHui-feng

（Xi'anSatelliteControlCenter,Weinan714000,China

　　Abstract:

InGALILEONavigationSatelliteSystem,anewtechnologythatwascalledlinearoffsetcarriermodulationwouldbetaken.Thispaperanalyzedthiskindofmodulationintimeandfrequencydomainsuchassubcarrierwaveform,powerspectraldensityandautocorrelationfunction,andshowedthatcosinesubcarriersignalwasquitedifferentfromsinesubcarriersignal.InthefinalpapermultipatherrorandaveragemultipatherrorwereobtainedbythesimulationofseveralsignalsbeingusedinGIOVE-A（GalileoInOrbitValidationElement.Thesimulationresultshowedthataveragemultipatherrorofcosinesubcarriermodulationsignalwasbetterthanthatofsinesubcarriermodulationsignal.

Keywords:

satellitenavigation,linearoffsetcarriermodulation,subcarrier

引　言

欧洲的伽利略（GALILEO卫星导航系统的星座由平均分布于3个轨道面的30颗卫星组成,轨道倾角为56°,轨道高度约为23600km,而且每个轨道中还有一颗备份卫星（即所谓的10+1工作模式。

2005年12月28日在哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场,GALILEO计划的首颗实验卫星GIOVE-A（GalileoInOrbitValidationElement,伽利略在轨验证部件被成功送入太空,这标志着GALILEO计划进入真正的实施阶段。

在不远的将来,GALILEO将完成布署并投入运营之中。

伽利略卫星定位系统

能够提供比GPS更为广泛和优良的服务,其中主要包括有公共管制服务（PublicRegulatedService、生命安全服务（SafetyofLifeService、开放服务（OpenService和商用服务（CommercialService四种,另外还有搜寻和营救（SAR服务和地区性组织提供的导航定位服务等其他内容[1]

。

GALILEO相对于GPS具有技术上的后发优势,其定位精度比现有GPS的精度要高。

本文讨论其采用的新调制技术--线性偏移载波调制技术,对GALILEO信号的多径误差进行仿真验证。

1　线性偏移载波调制

线性偏移载波调制是LinearOffsetCarrier（LOC的缩写,一般表示为LOC（x,y,其中第一参数x称为副载波指数,表示副载波的频率为1.023Vol.34,No.6

Jun,2009

火力与指挥控制

FireControl&CommandControl

第34卷　第6期2009年6月

图1　线性偏移载波调制示意图

速率为1.023Mcps的y倍;另外m=2x/y称为副载波调制指数。

线性偏移载波调制见图1所示[2]。

图中左边虚线框为扩频调制,输入信号为导航数据D（t和伪随机码PN（t,输出信号为两者的模二和,这一过程与GPS信号调制过程是相同的;图中右边虚线框即为线性偏移载波调制。

这里的副载波可分为正弦副载波sin（2xfct和余弦副载波cos（2xfct两种,其中fc=1.023MHz,副载波的频率xfc随参数x而定。

应该说明的是:

如果副载波为方波,则称为二进制偏移载波调制（BinaryOffsetCarrier,BOC,记为BOC（x,y,图1示出的正是这种方波副载波情形。

在一个伪码周期内的LOC（x,y和BOC（x,y可分别表示为:

srLOC（t=sin（2xfct,0≤t≤Tc/y

（1crLOC（t=cos（2xfct,0≤t≤Tc/y（2srLOC（t=sgn[sin（2xfct],0≤t≤Tc/y（3crBOC（t=sgn[cos（2xfct],0≤t≤Tc/y

（4

另外,根据BOC信号的二进制电平还可发展成为四进制电平的ALTBOC信号,以及由多种BOC副载波混合形成的MBOC信号。

根据前面的式子,可以分别求出其自相关函数。

下面图形所示即为LOC、BOC和ALTBOC和MBOC

的时域波形和对应的自相关函数曲线。

图2　线性偏移载波调制信号的时域波形和自相关函数

图2中左边图形为时域波形,右边图形为对应

便作比较,引入GPS的C/A码（图中用BPSK-R（1表示的时域波形和自相关函数。

从图中可以看出:

线性偏移载波调制信号与GPS的C/A码信号相比,前者时域波形在一个伪码周期内有多次变化而后者的波形单一不变化;前者自相关函数有多个峰值而后者只有一个;另外,前者自相关函数的主峰宽度也小于后者。

此外,对于BOC信号和MBOC信号,余弦

副载波调制与正弦副载波调制相比,前者的自相关函数主峰宽度窄于后者。

由于主峰区间的宽度减小有利于减小超前相关器与滞后相关器之间的间隔,同时主峰点附近线段的斜率变大能增大鉴相灵敏度,有利于提高跟踪精度[3]

因此对于BOC信号和

MBOC信号,应该选用余弦副载波调制。

这一点还可从下面的功率谱中看出来。

图3　线性偏移载波调制信号的功率谱

图3是根据信号时域表达式推导得到的功率谱,横轴单位是MHz,纵轴单位是W/Hz,用分贝（dB表示。

由图3可以看出,线性偏移载波调制信号的主瓣不在横轴的中心零频位置,其相对于BPSK-R（1的主瓣向两侧偏移一定的距离,偏移值的大小

由x参数和y参数决定,在y相同的情况下,x越大则主瓣偏移得越远。

对于BOC信号和MBOC信号,在相同参数条件下,余弦副载波类型的主瓣区间与正弦副载波类型的主瓣区间相同,但前者的主瓣峰值横坐标要大于后者,说明前者Gabor带宽要大,因此选用余弦副载波调制为宜。

2　多径误差的Matlab仿真

对于非相干DLL类型的接收机,如果采用非相干点积（DP鉴相方法,多径误差的求解表达式为[4]

:

E（,=[R（-2-R（+2

]R（+!

2

[R（--2-R（-+2]R（-+!

[R（-2-R（+2]R（-cos∀m+!

[R（-（・

159・李　强,等:

基于伽利略卫星导航系统的多径误差仿真

（总第34-977　　　　

其中:

为本地信号与直达信号的时延,R（为伪随机码序列的自相关函数,d为超前相关器与滞后相关器之间的间隔,为多径信号与直达信号间的延迟,!

为多径信号与直达信号的幅值比（即反射系数,一般取为0.5,#m为多径信号与直达信号的相对相位。

在取定相关器间隔d之后,令上式为零,即得到与的关系式,进一步求解该关系式可以得到多径误差曲线。

这里,只考虑有一条多径信号的情况。

另外在具体求解多径误差时,一般分别令cos#m=1和-1,从而得到两条最坏情况下的多径误差包络,因此求解的多径误差实际上是指多径误差包络。

至于线性偏移载波调制信号的自相关函数,一般多用三角形函数来表示,在求解BOC信号和MBOC信号的多径误差时可用下面两式来表示。

R（tsin=（-1p[m

（p2-pm-p+2+（2m-2p+

1T/y

]（6R（tcos=（-1p[2m-2p+1+2（-1q+1]T/y

+

m{（-1p（p2-mp-p+2+4

[（-1q-1+1]（-1

（q-1+

4

[（-1q+1]（-1q}=R（tsin+2（-1p+q+1T/y+2m

{[（-1q-1+1]（-1（q-1+[（-1q

+1]（-1q}（7

其中p=ceil（T/y,q=ceil（T/y,m

=2x/y,T=

1/1.023∃s,天顶函数ceil（x表示大于等于x的最小整数。

根据目前GIOVE-A的工作现状[5],GALILEO中使用的线性偏移载波调制信号为BOC（1,1、BOC（15,2.5、BOC（10,5和ALTBOC（15,10。

图4是这几种信号的多径误差和平均多径误差的仿真结果,这里的所谓平均,是指两条包络所围面

积对横轴时延取平均。

图4　线性偏移载波调制信号多径误差和平均多径误差

图4中左边所示即为BOC（1,1、BOC（15,2.别为正弦和余弦时的多径误差曲线,横轴为多径信号的延迟,单位为米（m,纵轴为对应的多径误差包络,单位为米（m;右边所示为对应的平均多径误差,横轴为多径延迟,纵轴为对应误差,单位均为米（m。

反射系数!

取0.5,相关器间隔d取值与信号得伪码周期有关,其中BOC（1,1取1/10.23∃s,BOC

（15,2.5取1/51.15∃s,BOC（10,5取1/51.15∃s,ALTBOC（15,10取1/102.3∃s。

从图中可以看出,多径误差的大小与副载波类型很有关系,各信号的余弦副载波调制时的平均多径误差与正弦副载波调制时的相比较:

BOC（1,1在多径信号延迟为57m时,前者优于后者5cm;BOC（15,2.5在多径信号延迟为4.6m时,前者优于后者5cm;BOC（10,5在多径信号延迟为5m时,前者优于后者5cm;而ALTBOC（15,10在多径信号延迟为2.5m时,前者优于后者5cm。

另外,副载波调制指数m越大,多径误差包络的振荡越剧烈。

当然,如果减小相关器间隔,也能够减小多径误差,但相关器间隔不可能任意减小。

3　小　结

从上面讨论可以看出,线性偏移载波调制是一种宽带调制技术,根据多径误差的仿真结果可以看出,余弦副载波类型的BOC信号具有更好的抗多径能力。

参考文献:

[1]

KlausS,HansLT,ThomasW.ALILEOSystemArchitecture[A].IONGPS/GNSS[C].Portland,OR,2003:

549-566.[2]

StephanF,StefanB,JensH,etal.Simulation&VerificationofNew

ArchitecturesforGalileo

NavigationSignalDemodulation[A].IONGPS/GNSS[C].Portland,OR,2003:

2021-2030.[3]

RiesL,LestarquitL,Armengou-MiretE,etal.ASoftwareSimulationToolforGNSS2BOCSignalsAnalysis[A].IONGPS[C].Portland,OR,2002:

2225-2239.

[4]

ParkinsonBW,SpilkerJJ.GlobalPositioningSystem:

TheoryandApplications[M].AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,Inc,1996.

[5]

FalconeM,LugertM,MalikM,etal.Giove-AInOrbitTestingResults[A].IONGNSS19thInternationalTechnicalMeetingoftheSatellite,・

160・　　（总第34-978火力与指挥控制2009年　第6期