Locata信號的捕獲機制研究與仿真

吳利軍

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安710000）

0 引言

傳統的定位導航系統如：美國的GPS系統、俄羅斯的Glonass系統、歐洲的Galileo系統和中國的北斗定位導航系統等，提供了一種基于衛星測距的全方位、全天候的定位導航系統，并廣泛應用于陸、海、空等場合，具有高精度授時、定位的功能。然而，上述所有系統為完成定位解算至少需要無障礙跟蹤四顆衛星的信號，這在具有較多建筑的城市環境或者室內環境中是一個挑戰。

針對上述缺點，澳大利亞的Locata公司開發了一種新型的定位導航系統Locata。該系統具有的信號收發器、信號接收機和時間同步網絡使其可以獨立于傳統的定位導航系統工作，也可以與其兼容工作，旨在實現可應用于任何環境、高精度、高可靠性和節約成本的目標。目前該系統已在很多場合進行了測試并驗證了其可行性，如：Locata公司內部測試場地進行的運動定位測試、橋梁的畸形監控測試、鋼鐵工廠內部進行的室內環境測試[1]。

由于Locata系統的信號收發器和信號接收機同處于距離較近的區域內，因此其信號發射強度會遠遠高于傳統衛星導航系統。同時，單一信號接收機接收位于不同位置的信號收發器時會產生較大的信號功率差異，該差異會遠遠高于傳統衛星導航信號所允許的范圍，從而產生信號捕獲的互相關現象，即所謂的“遠近效應”，而Locata系統采用的CDMA+TDMA信號結構成功克服了信號捕獲造成的互相關效應。本論文針對Locata系統采用的CDMA+TDMA信號結構設計了相應的信號捕獲機制并進行了相關matlab仿真，證實了該捕獲機制的有效性。

1 Locata系統組成與信號結構

Locata系統主要由信號收發器和信號接收機組成。信號收發器由信號發射模塊和信號接收模塊組成，兩者的時鐘由同一晶體振蕩器驅動；信號接收機則由Locata公司根據系統的信號結構將傳統GPS接收機做適當修改和改進而成。在運行的初始階段，系統內所有的信號收發器通過時間同步機制消除各自的時鐘誤差，最終形成一個時鐘誤差在皮秒數量級的時間同步網絡。當該系統處于正常運行狀態時，信號接收機通過接收四顆以上信號收發器發射的信號以完成自身定位，定位精度可達厘米級。

為了克服由于信號收發器的距離差異帶來的“遠近效應”，Locata系統采用了CDMA和TDMA相結合的信號結構。信號收發器的測距碼依然采用CDMA多址技術，其碼速率為GPS偽碼的10倍，碼周期為0.1毫秒；不同信號收發器的信號發射采用TDMA多址技術，Locata系統將1毫秒劃分為10個連續的時隙，每個時隙時長100微秒，時隙之間無保護帶，10個信號收發器被分配到10個不同的時隙發射測距碼，構成了一個TDMA時幀，信號發射器在不同TDMA時幀按照跳時圖案滑動，200個TDMA時幀為一個超幀，系統以一個超幀為周期連續發射Locata信號，其信號組成如圖1所示[2]。Locata系統的載波調制則分成兩代，第一代系統的偽碼被調制在和GPS處于同一頻段的載波上，容易與傳統的GPS信號形成干擾，第二代系統的載波位于2.4GHz的專用頻段，消除了與GPS信號的干擾并無需向有關部門注冊[3]。

2 Locata信號的捕獲機制

傳統GPS信號的捕獲是一個搜索載波多普勒頻率和碼片相位的二維搜索過程，其捕獲框圖如圖2所示[4]。

數字中頻信號sIF（n）首先分別與接收機產生的正弦表和余弦表進行混頻，然后再和接收機的C/A碼發生器進行相關產生i（n）和q（n）信號，其次i（n）和q（n）信號分別進行相干積分產生I2和Q2信號，最后進行非相干積分產生V信號。捕獲算法通過將V與Vt進行比較來判斷捕獲幅值是否超過門限，如果V超過門限則聲明捕獲成功，接收機可以對當前捕獲結果進行進一步確認。

i（n）和q（n）信號分別進行相干積分可以表達為公式（1）、（2）：

其中，a代表信號的幅值，τ為接收C/A碼相位和與本地搜索C/A碼相位之間的碼片差異，R（·）代表最大值為1的C/A碼自相關函數，fe為接收載波頻率和本地搜索頻率之間的差異，Tcoh代表了相干積分時間，?e為兩載波之間的相位差異，n1和nQ分別代表了I支路和Q支路上均值為零且互不相關的正態噪聲。

I（n）和Q（n）信號進行非相干積分產生信號可以表達為公式（3）：

其中，Nnc代表了非相干積分數目。

由公式（3）可以看出，非相干積分幅值V主要受非相干積分數目Nnc、頻率差異fe和相干積分時間Tcoh影響，而信號捕獲常用的非相干積分數目Nnc通常為1，下面主要分析fe和Tcoh對Locata信號捕獲的影響。

由于Locata信號采用CDMA+TDMA的信號結構，信號收發器每隔1毫秒在其時隙內發射100微秒的信號。因此對該信號進行捕獲時需采用100微秒的相干積分時間，即Tcoh為100微秒。在τ為0的情況下，非相干積分幅值隨著fe的變化呈sin c函數分布[5]，如圖3所示。

由圖3可以看出，頻率差異在較大頻率搜索范圍內都具有較大的非相干積分幅值，由于接收機所允許容忍的最大頻率誤差fe通常設置為0.44/Tcoh，因此載波頻率和接收機復制載波頻率的差異在[-4400Hz 4400Hz]范圍內都可以獲得較大的非相干積分結果。通常情況下，Locata系統的信號收發器布局為靜止模式，信號接收機可以根據實際需求布局在低動態載體或高動態載體中，考慮高動態載體的最大運動速度為500m/s，此時信號收發器和信號接收機的多普勒頻移可以由公式（4）估算：

其中，v為信號接收機的最大運動速度，c為光速，f1為載波頻率。根據公式（4），將實際數值帶入，可計算出fe為4000Hz，處于接收機允許容忍的最大頻率誤差范圍內。

根據上述分析，對Locata信號的捕獲可分碼片搜索和載波搜索兩個獨立階段。在碼片搜索階段，本地接收機復制一份沒有多普勒的本地載波與接收信號進行混頻，然后接收機將本地1毫秒同樣劃分為10個時隙，分別進行相干積分和非相干積分，最后接收機對該10個時隙的非相干積分幅值進行比較，找出最大的非相干積分幅值和該幅值的所處時隙，當該幅值V超過非相干積分幅值門限Vt時聲明碼片捕獲成功，并對該次捕獲結果進行確認以消除假捕的可能性，否則，接收機延時半個碼片的時間重新開始碼片搜索。當碼片捕獲成功后進入載波搜索階段，本地接收機首先將多普勒搜索范圍[-4000Hz 4000Hz]以100Hz為搜索寬度劃分為81個區間并分別與接收信號進行混頻，然后本地接收機按照聲明捕獲成功的碼片相位連續產生本地碼片并與接收信號進行相關，分別求取其非相干積分幅值并比較其最大值，最后將載波多普勒值設置為最大非相干積分幅值所處的多普勒搜索區間。

該搜索算法的時間復雜度可以按照公式（5）計算：

其中，chip（n）為碼片的搜索次數，frequency（n）為載波多普勒的搜索次數。由于Locata信號的碼片長度為1023，因此chip（n）為2046次；由于多普勒的搜索范圍為[-4000Hz 4000Hz]，因此frequency（n）為81次。則O（n）為2127次，即捕獲時間最大為2127毫秒。

3 仿真驗

在前面對Locata信號的捕獲算法進行詳細分析的基礎上，使用計算機在matlab環境下對上述捕獲機制進行仿真驗證，仿真參數設置如下：中頻信號采樣頻率為60MHz、中頻信號載波頻率為23MHz、碼片速率為10.23MHz、載波多普勒為0Hz、C/A碼從第17個碼片開始播發。

首先，matlab軟件仿真生成2毫秒長的數字中頻信號，該數據按照第2小節的Locata信號結構生成包含10個時隙的數據，每個時隙調制碼片速率為10.23MHz的C/A碼數據，其C/A碼片與GPS的1-10號星的偽碼碼型相同。

其次，對Locata信號的捕獲劃分為碼片搜索階段和載波搜索階段。假設要完成對7號星的信號捕獲，在碼片搜索階段，信號接收模塊仿真生成多普勒為0Hz的載波信號并與仿真生成的數字中頻數據進行混頻，之后信號接收模塊仿真生成7號星的C/A碼并劃分成10個時隙，分別與混頻后的數據進行相干積分和非相干積分，搜索結果如圖4所示。由圖4可以看出，信號接收模塊通過延時2012次操作，在其第6個時隙捕獲到7號星。

最后，在碼片搜索成功后轉入載波搜索階段。在該階段，信號接收模塊在[-4000Hz 4000Hz]的搜索范圍內對載波按照100Hz的步長進行搜索，搜索結果如圖5所示。由圖5可以看出，載波多普勒在0Hz的情況下具有最大的非相干積分幅值。

4 總結與展望

本文通過分析Locata信號的捕獲特性，設計了一種時間復雜度較低的信號捕獲機制。該捕獲機制將對Locata信號的搜索劃分為碼片搜索階段和載波搜索階段，通過matlab仿真驗證了該捕獲機制的有效性。但是，當信號的載噪比較低時容易形成載波的頻率誤捕，因此，在以后的研究中需要在信號的跟蹤算法中將該頻率差異消除以獲得較高的跟蹤精度。

［1］Chris RIZOS,Yong LI,Nonie POLITI,Joel BARNES and Nunzio GAMBALE.Locata：A New Constellation for High Accuracy Outdoor and Indoor Posi-tioning.FIG Working Week 2011 Bridging the Gap between Cultures Marra-kech Morocco,18-22 May 2011.

［2］Locata Corporation Pty Ltd 111 Canberra Avenue GRIFFITH ACT 2607 Australia,ICD-LOC-100A,Locata Net Positioning Signal Interface Control Document 2011.

［3］J.Barnes,C.Rizos,M.Kanli,A.Pahwa.High accuracy positining using Locata’s next generation technology.Locata Corporation Pty Ltd,401 Clunies Ross Street,Acton,ACT 2601,Australia.

［4］謝剛.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社,2012,p：358.

［5］呂紅麗,姚昱萱.一種新型的多址導航信號體制研究[J].現代導航,2012,4(2)：79-86.