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偽碼調(diào)相-線性調(diào)頻的低軌導(dǎo)航信號波形及捕獲性能

林紅磊 耿敏嫣 付棟 歐鋼 肖偉 馬明

林紅磊, 耿敏嫣, 付棟, 歐鋼, 肖偉, 馬明. 偽碼調(diào)相-線性調(diào)頻的低軌導(dǎo)航信號波形及捕獲性能[J]. 電子與信息學(xué)報, 2025, 47(1): 211-222. doi: 10.11999/JEIT240650
引用本文: 林紅磊, 耿敏嫣, 付棟, 歐鋼, 肖偉, 馬明. 偽碼調(diào)相-線性調(diào)頻的低軌導(dǎo)航信號波形及捕獲性能[J]. 電子與信息學(xué)報, 2025, 47(1): 211-222. doi: 10.11999/JEIT240650
LIN Honglei, GENG Minyan, FU Dong, OU Gang, XIAO Wei, MA Ming. A Code-phase Shift Key-Linear Frequency Modulated Low Earth Orbit Navigation Signal and Acquisition Performance Analysis[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(1): 211-222. doi: 10.11999/JEIT240650
Citation: LIN Honglei, GENG Minyan, FU Dong, OU Gang, XIAO Wei, MA Ming. A Code-phase Shift Key-Linear Frequency Modulated Low Earth Orbit Navigation Signal and Acquisition Performance Analysis[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(1): 211-222. doi: 10.11999/JEIT240650

偽碼調(diào)相-線性調(diào)頻的低軌導(dǎo)航信號波形及捕獲性能

doi: 10.11999/JEIT240650
基金項目: 國家自然科學(xué)基金(U20A20193)
詳細信息
    作者簡介:

    林紅磊:男,博士,副研究員,研究方向為星基導(dǎo)航定位技術(shù)

    耿敏嫣:女,碩士生,研究方向為星基導(dǎo)航定位技術(shù)

    付棟:男,博士生,研究方向為通信導(dǎo)航一體化

    歐鋼:男,教授,研究方向為導(dǎo)航與時空技術(shù)、衛(wèi)星載荷與導(dǎo)航終端技術(shù)等

    肖偉:男,講師,研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航信號體制設(shè)計

    馬明:男,講師,研究方向為時間頻率技術(shù)

    通訊作者:

    耿敏嫣 gmy1585206743@163.com

  • 中圖分類號: TN967.1

A Code-phase Shift Key-Linear Frequency Modulated Low Earth Orbit Navigation Signal and Acquisition Performance Analysis

Funds: The National Natural Science Foundation of China (U20A20193)
  • 摘要: 低軌導(dǎo)航星座衛(wèi)星數(shù)量多,信號多普勒頻偏大,接收機冷啟動搜索空間巨大,捕獲速度慢,該文提出一種偽碼調(diào)相-線性調(diào)頻(CSK-LFM)的導(dǎo)航信號波形,線性調(diào)頻提高信號的多普勒容限,不同偽碼相位實現(xiàn)不同衛(wèi)星的多址播發(fā),可以極大壓縮衛(wèi)星號、時延、多普勒3維搜索空間,加快了捕獲信號捕獲速度。仿真和實驗結(jié)果表明,當(dāng)信號強度為40 dBHz時,采用CSK-LFM調(diào)制的導(dǎo)航信號,其捕獲性能比同等條件下的傳統(tǒng)直接擴頻序列(DSSS)調(diào)制的導(dǎo)航信號高1 dB左右,且信號搜索空間可降低為直接擴頻序列調(diào)制的1/10。
  • 圖  1  偽碼調(diào)相-線性調(diào)頻信號的載波頻率和擴頻碼對應(yīng)關(guān)系示意圖

    圖  2  CSK-LFM信號的自相關(guān)函數(shù)值

    圖  3  不同采樣率下引起的相關(guān)損耗對比

    圖  4  不同可見衛(wèi)星數(shù)量情況下引起的多址相關(guān)損耗

    圖  5  CSK-LFM信號的捕獲檢測量構(gòu)造示意圖

    圖  6  基于PMF-FFT結(jié)構(gòu)的CSK-LFM信號并行捕獲框圖

    圖  7  CSK-LFM調(diào)制信號的捕獲參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

    圖  8  兩種體制的捕獲性能仿真結(jié)果對比

    圖  9  BPSK-CDMA信號和CSK-LFM信號的捕獲仿真結(jié)果

    圖  11  CSK-LFM和BSPK-CDMA信號捕獲性能仿真結(jié)果

    圖  10  case 4-1下CSK-LFM信號時延-多普勒解模糊處理結(jié)果

    圖  12  CSK-LFM信號并行捕獲結(jié)果(衛(wèi)星號維度剖面圖)

    表  1  不同調(diào)制方式下抗多普勒頻偏能力和多址方式分析對比

    調(diào)制方式抗多普勒能力信號多址方式典型應(yīng)用
    直接序列調(diào)制不同碼序列GSP、北斗、伽利略等系統(tǒng)
    頻分復(fù)用調(diào)制不同頻點GLONASS系統(tǒng)
    碼相位偏移調(diào)制不同碼相位數(shù)據(jù)鏈、QZSS等系統(tǒng)中信息調(diào)制
    線性調(diào)頻調(diào)制不同調(diào)頻斜率、起始頻率等雷達系統(tǒng),Lora系統(tǒng)
    偽碼-線性調(diào)頻調(diào)制不同調(diào)頻斜率、起始頻率、碼序列-
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  不同帶寬和擴頻比下的頻率分格大小(kHz)

    N3163127255511
    CSK-LFMB=4.092 MHz79.2038.9719.339.634.80
    B=20.46 MHz396.00194.8596.6648.1424.02
    B=40.92 MHz792.00389.71193.3296.2848.05
    BPSK-CDMAT=1 ms0.9
    下載: 導(dǎo)出CSV

    1  基于PMF-FFT 結(jié)構(gòu)的CSK-LFM 捕獲算法

     步驟1 生成本地復(fù)制的線性調(diào)頻載波sl(k)
     步驟2 生成本地復(fù)制偽碼cl(n),并進行FFT運算,求復(fù)共軛,得到參考序列Cl(j)*
     步驟3 在調(diào)頻周期內(nèi)將復(fù)制線性調(diào)頻載波與接收信號相關(guān)并分段累加,得到累加結(jié)果y(n)
     步驟4 對一個調(diào)頻周期內(nèi)的N段累加結(jié)果進行FFT運算,得到序列Y(j)
     步驟5 將FFT結(jié)果與參考序列相關(guān),對相關(guān)后的結(jié)果逆FFT處理,得到N顆衛(wèi)星的捕獲量z(k,i)
     步驟6 對P個調(diào)頻周期內(nèi)的捕獲量z(k,i)累加,得到Z(k,i),并與門限比較,超過門限則捕獲成功,跳至步驟9
     步驟7 移動接收信號一個采樣點,重復(fù)步驟3–步驟6,直至遍歷完成2個調(diào)頻周期
     步驟8 移動一個頻率搜索格子,重復(fù)步驟1–步驟7,直至遍歷完成所有頻率格子的搜索
     步驟9 在上調(diào)頻信號捕獲時延附近,搜索上調(diào)頻和下調(diào)頻信號,根據(jù)捕獲位置按式(29)計算捕獲時延和多普勒
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  3  捕獲參數(shù)優(yōu)化求解的信號條件

    B(MHz)fd(kHz)CN0(dBHz)T(ms)NP
    4.09240401635
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  4  兩類信號的搜索空間比較

    多普勒范圍(kHz) 多普勒格子(kHz) 搜索空間 多普勒范圍(kHz) 多普勒格子(kHz) 搜索空間
    BPSK-CDMA case4 ±5 0.5 8 184×20 case5 ±40 0.5 8 184×160
    CSK-LFM case4-1 2.5 8 184×8 case5-1 2.5 8 184×64
    case4-2 10.0 8 184×2 case5-2 10.0 8 184×16
    下載: 導(dǎo)出CSV
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出版歷程
  • 收稿日期:  2024-07-25
  • 修回日期:  2024-12-04
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2024-12-12
  • 刊出日期:  2025-01-31

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