专利名称：导航信号的恒包络复用方法、生成装置以及接收方法
技术领域：
本发明属于卫星定位及导航领域，尤其适用于以DSSS信号作为测距信号的全球导航卫星系统，涉及导航信号的恒包络复用方法、生成装置以及接收方法。
背景技术：
随着全球导航卫星系统(GNSS)的持续建设，导航服务需求在不断扩展。各卫星导航系统在同一频段上播发的信号数量越来越多，使得原本有限的卫星导航频谱变得愈加拥挤。随着同一系统在同一频段内播发信号数量的増加，卫星载荷的复杂度不断提高。如果ー个频段内的不同服务信号使用彼此独立的发射天线及放大器链路，对天线设计的要求以及载荷的总功率、成本、体积、重量等方面都会带来较大的代价。因此，希望能 够将多个信号在一个载波上进行复用合成。而同时，在卫星发射功率受限的情况下，为了在接收端维持足够的接收功率，希望星上的高功率发射机具有尽可能高的功率效率。这就要求卫星上的高功率放大器(HPA)要工作在非线性饱和区。但当HPA在饱和点附近时，如果输入信号不具有恒定的包络，那么输出分量会产生幅度调制和幅相转换等畸变，造成发射信号的幅相失真，对接收端的性能造成很大的影响。因此需要保证合成信号的恒包络特性。对于同一频点上的多个DSSS信号的恒包络复用，已有ー些成熟的技术，例如，可以将两个不同的DSSS信号放置在载波的两个相互正交的相位上从而构成ー个QPSK信号进行发射。早期的GPS中，LI频点的C/A码信号和P(Y)码信号的恒包络复用就是以这种方式实现的。但当信号数目增多时，就需要使用ー些更为复杂的恒包络复用技术，例如美国专利 US6430213、美国专利 US 2002/0075907 Al、美国专利 US 2002/0150068 Al、以及美国专利US 2011/0051783 Al等等。但上述的这些技术主要针对同一频点上的多个信号分量的恒包络复用。对于ー些特定的系统建设要求以及应用需求，希望将两个不同频点上的信号进行恒包络复用。例如系统更新换代期间对信号中心频点调整的平稳过渡，或是两个相隔很近的频点搭载多组内容互为补充的服务信息等等。ー个代表性的实际应用案例便是欧洲伽利略(Galileo)系统在E5频段的信号所采用的恒包络AltBOC调制技术(美国专利US 2006/0038716 Al)。这种技术将两个相隔 30. 69MHz 的频点(E5a :1176. 45MHz、E5b 1207. 14MHz)上分别调制的两组BPSK-R(IO)信号复用成ー个中心频点在1191. 795MHz上的复合8PSK信号。这种技术所带来的好处首先是节约了卫星载荷上的发射机个数，其次构造出了一个宽带的复合信号，使得接收机既可以以窄带方式对E5a和E5b上的信号分量分别接收处理，也可以采用宽带接收的方式处理整个复合信号，以获得更好的测距性能。中国北斗系统的全球信号在B2频段上也计划使用类似的双频恒包络复用技术，将B2a(1176. 45MHz)上的两个服务信号和B2b(1207. 14MHz)上的两个服务信号复合成一个中心频点在1191. 795MHz上的混合信号。一种称为时分复用AltBOC (TD-AltBOC)的方式(中国专利公开号CN102209056A)曾被考虑使用在B2上，通过将同一频点上的两个信号分量时分复用来降低采用复用的总的信号分量数，之后的实现方式与两信号分量时的AltBOC相同。但这种技术所使用的时分复用显著恶化了 B2信号与同一频段上的伽利略E5信号以及GPS L5信号之间的多址性能。而且AltBOC以及TD-AltBOC中，几个參与复用的信号分量的功率必须是相等的。技术上的这种限制降低了 AltBOC和TD-AltBOC使用的灵活性。众所周知，在GNSS系统中，由于测距是信号的首要目的，信号体制设计中更倾向于为导频信道分配比数据信道更多的功率，以提高伪距测量以及载波相位跟踪的精度和稳健性，而且信号分量采用不同的扩频码片波形(例如BPSK-R、正弦相位B0C、余弦相位BOC、TMBOC、QMBOC等)会在接收机中呈现出不同的捕获、跟踪、解调性能，因此有必要为GNSS信号体制提供一种比AltBOC技术更为灵活的双频恒包络复用技术，使得各信号分量之间的功率比可以自由选取，同时各信号分量所使用的扩频码片波形可以灵活选择。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种导航信号的恒包络复用方法、生成装置以及接收方法，可以实现两个频点上小于等于四个信号分量以任意功率 比进行的恒包络复用，不仅各信号分量之间的功率比可以自由选取，同时各信号分量所使用的扩频码片波形可以灵活选择，而且接收处理方式灵活。本发明可以应用在利用无线电完成的卫星定位、导航系统中，以及包括使用伪卫星的定位导航系统中，尤其适用于以DSSS信号作为测距信号的GNSS。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是导航信号的恒包络复用方法，包括如下步骤首先，生成各个信号分量的基带扩频信号Si (t)，i = l，2，3，4，Sl(t)和s2(t)载波相位彼此正交，S3 (t)和S4 (t)载波相位彼此正交；其次，在频率为fM的驱动时钟的驱动下将各路基带扩频信号Si (t)进行多路波形复用，根据t时间段内的Si(t)的符号Si,ne {+1,-1}的取值，生成多路复合后的同相基带波形I(t)和多路复合后的正交基带波形Q(t)，其中，ら为Si(t)的符号最小保持时间的倒数的最小公倍数，以确保每ー Si⑴的符号翻转点都与fM同歩，t e [n/fM, (n+l)/fM)，n是大于等于零的整数，在t时间段内Si (t)的符号Si,ne {+1，-1}保持不变；最后，在频率为fP =(も+ち)/2的载波驱动时钟驱动下，利用载波生成器生成相位彼此正交的两路载波COS (2 π fpt)和sin (2 π fpt)，并分别与多路复合后的同相基带波形I(t)和多路复合后的正交基带波形Q(t)相乘并相加，从而得到满足恒包络条件的射频信号SKF(t)，其中，も为Sl(t)和s2(t)在最终调制到射频上的恒包络复合信号中的中心频点，f2为S3(t)和S4(t)在最终调制到射频上的恒包络复合信号中的中心频点。所述基带扩频信号Si (t)的生成过程如下对于參与恒包络复用的第i个信号分量，将信源产生的信息流·(せ”通过编码产生
ニ进制的数据码流·^〉Iザe {0,1}}，在频率为/t“)的扩频序列驱动时钟驱动下，利用扩频序
列发生器产生ー个高速ニ进制扩频序列·，ぜ1与#进行模ニ加后，经过码片赋形得到基带扩频信号Si (t)。所述Si⑴的符号最小保持时间为)，其中Ki为正整数，指ニ进制编码符号波形在一个码片持续时间内分成Ki等份。所述多路复合后的同相基带波形I (t)和多路复合后的正交基带波形Q(t)为
权利要求
1.导航信号的恒包络复用方法，其特征在于，包括如下步骤 首先，生成各个信号分量的基带扩频信号Si(t)，i = l，2，3，4，Sl(t)和s2(t)载波相位彼此正交，S3 (t)和S4 (t)载波相位彼此正交； 其次，在频率为fM的驱动时钟的驱动下将各路基带扩频信号Si (t)进行多路波形复用，根据t时间段内的Si (t)的符号Si,n e {+I, -1}的取值，生成多路复合后的同相基带波形I(t)和多路复合后的正交基带波形Q(t)，其中，fM*Si(t)的符号最小保持时间的倒数的最小公倍数，以确保每ー Si⑴的符号翻转点都与fM同歩，t e [n/fM, (n+l)/fM)，n是大于等于零的整数，在t时间段内Si(t)的符号Si,ne {+1，-1}保持不变； 最后，在频率为fP =(も+ち)/2的载波驱动时钟驱动下，利用载波生成器生成相位彼此正交的两路载波cos (2 π fPt)和sin (2 π fPt)，并分别与多路复合后的同相基带波形I (t)和多路复合后的正交基带波形Q(t)相乘并相加，从而得到满足恒包络条件的射频信号SKF(t)，其中，も为S1 (t)和S2 (t)在最终调制到射频上的恒包络复合信号中的中心频点，f2为s3(t)和s4(t)在最终调制到射频上的恒包络复合信号中的中心频点。
2.根据权利要求I所述的导航信号的恒包络复用方法，其特征在于，所述基带扩频信号Si(t)的生成过程如下 对于參与恒包络复用的第i个信号分量，将信源产生的信息流卜!^通过编码产生ニ进制的数据码流·在频率为一)的扩频序列驱动时钟驱动下，利用扩频序列发生器产生ー个高速ニ进制扩频序列·与ぺ"进行模ニ加后，经过码片赋形得到基带扩频信号Si (t)。
3.根据权利要求2所述的导航信号的恒包络复用方法，其特征在于，所述Si(t)的符号最小保持时间为IZ(AXw)，其中Ki为正整数，指ニ进制编码符号波形在一个码片持续时间内分成Ki等份。
4.根据权利要求I所述的导航信号的恒包络复用方法，其特征在于，所述多路复合后的同相基带波形I (t)和多路复合后的正交基带波形Q(t)为 { = Λ(气 ，sXn,气 ,54, )X sgn I sm (2nfst + <p(sln,s2n，^3, ，^4,, j)Q{t)^A'ドM,s2 ，s3 ，)XsgnI sm{lnfst + φ'\sln,s2ll，s3n,s4jt)) 在上式中，fs= (fi-f^/^sgn是符号函数，有(、f+1, xkO sgnW [-1, Λ-<0 而A (Su, ’ ^2,H，s3,n ’ 4, ) = /( ψΛ,η +) + (Φ S2, — Φん) Α' (Sl, ，气 ，ち—,,,) =-^3,Π) +yC2S2, +^JC4S4,n)
5.根据权利要求1、2、3或4所述的导航信号的恒包络复用方法，其特征在于，所述信号分量中有任一个或任两个或任三个的发射功率为零。
6.权利要求I所述导航信号的恒包络复用方法的ー种生成装置，其特征在于，包括用于产生基带扩频信号Si (t)的基带扩频信号产生器(I)，i个基带扩频信号产生器(I)的输出接多路复用波形产生器(9)，多路复用波形产生器(9)的输出接载波生成器(10)，载波生成器(10)的一路载波cos (2 π fPt)与多路复用波形产生器(9)输出的多路复合后的同相基带波形I(t) 一起输入至第一乘法器(11)，载波生成器(10)的另一路载波SinQ3Ifpt)与多路复用波形产生器(9)输出的多路复合后的正交基带波形Q(t) —起输入至第二乘法器(12)，第一乘法器(11)与第二乘法器(12)的输出接加法器(13)。
7.根据权利要求6所述生成装置，其特征在于，所述基带扩频信号产生器(I)包括信源(2)，信源(2)的输出接编码器(3)，还包括接扩频序列驱动时钟(8)的扩频序列发生器(4)，编码器(3)的输出和扩频序列发生器(4)的输出接模ニ加法器(5)，接模ニ加法器(5)的输出接码片赋形器(6)。
8.权利要求4所述导航信号的恒包络复用方法的ー种生成装置，其特征在干，包括数据信息产生器(22)，其产生的四路信号接入四个驱动扩频调制器(24-1、24-2、24-3、24-4)，驱动扩频调制器(24-1、24-2、24-3、24-4)的输出接入相应的扩频码片赋形器(26-1、26-2、26-3、26-4)，扩频码片赋形器(26-1、26-2、26-3、26-4)的四路输出接入I支路状态选择器(27)，扩频码片赋形器(26-1、26-2、26-3、26-4)的四路输出还接入Q支路状态选择器(28)， I支路状态选择器(27)中执行
9.根据权利要求I所述导航信号的恒包络复用方法得到的射频信号的接收方法，其特征在于，对某一信号分量単独接收时，首先接收该信号分量的射频信号对其进行滤波放大，其中滤波中心频率设在该信号分量的中心频点处，然后将要处理的信号分量的载频变换到相应的中频，再进行数模转换完成信号的采样与量化，最后对转换后的数字中频信号进行相应的数字信号处理实现解调。
10.根据权利要求I所述导航信号的恒包络复用方法得到的射频信号的接收方法，其特征在于，对整个复合信号作为ー个整体进行接收处理吋， 第一歩，接收复合射频信号对其进行滤波放大，滤波器的中心频率设在(f\+f2)/2 ； 第二步，将要处理的信号分量的载频变换到相应的中频，再进行数模转换完成信号的米样与量化； 第三歩，将转换后的数字中频信号分别与同相载波和正交载波相乘，得到同相基带信号SI⑴和正交基带信号SQ⑴； 第四歩，将转换后的数字中频信号在数字信号处理器中生成经过扩频码片赋形后的四个信号分量的扩频序列，在每ー时刻，根据这四个信号分量的本地复现基带ニ值信号所有可能的取值组合，对应每一种组合生成相应的本地复现同相基带波形^UO和本地复现正交基带波形么ひ)，记取值组合的个数为g，g彡16，对于g种取值组合中的每ー种特定情况S1 =トで),#,)，球)}，ゐ⑴和么(,)的生成规则为 IqIt) = Aqx sgn I sin (InfJ + φ ) j Qq (O = 4 X sgn [sin (2^// + φ')] 其中，fs = (f「f2)/2 A(slCJ\sif\4q\s\q}) =+^c2s(2q} - φ+人—ォすバオ)オ)オ1，オ))全—atm 2 + ，具 卜 )ダ(オ)オ)，ポオ))全atM 2 (具攻)+ ^オ)，— ^オ)) Ci (i = 1,2,3,4)为相应信号分量所期望的功率比； 第五步，将每ー组本地复现同相基带波形/ (/)分别与同相基带信号SI(t)和正交基带信号SQ (t)信号相乗，并将结果进行长度为TI的相干积分，分别得到第q组(q = 1，2，...，g)的第一同相相关值CorrlIq和第一正交相关值CorrlQq ;姆ー组本地复现正交基带波形Qq(t)也分别与同相基带信号SI (t)和正交基带信号SQ(t)信号相乘，并将结果进行长度为TI的相干积分，分别得到第q组(q= l，2，...，g)的第二同相相关值corrfl,和正交相关值 CorrfQq； 第六步，将第一同相相关值CorrlIq和第一正交相关值CorrlQq，第二同相相关值corr2Iq和第二正交相关值corrfQ,按以下规则进行组合
全文摘要
导航信号的恒包络复用方法、生成装置以及接收方法，利用基带扩频信号产生器生成各个信号分量的基带扩频信号，将各路基带扩频信号在多路复用波形产生器进行多路波形复用，生成多路复合后的同相基带波形和多路复合后的正交基带波形，再用载波生成器生成相位彼此正交的两路载波，并分别与多路复合后的同相基带波形和多路复合后的正交基带波形相乘并相加，从而得到满足恒包络条件的射频信号，接收时该信号分量的射频信号对其进行滤波、放大、变频、数模转换，最后对数字中频信号进行相应的数字信号处理实现解调，本发明实现了两个频点的多个信号分量合成为一个恒包络信号，且可以为其中的导频信道信号分量分配更多的信号功率，测距性能大幅提升。
文档编号H04B1/707GK102694569SQ20121018675
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者姚铮, 陆明泉 申请人:清华大学