伪码调相-线性调频的低轨导航信号波形及捕获性能

林红磊; 耿敏嫣; 付栋; 欧钢; 肖伟; 马明

doi:10.11999/JEIT240650

伪码调相-线性调频的低轨导航信号波形及捕获性能

doi: 10.11999/JEIT240650

1.
国防科技大学电子科学学院长沙 410073
2.
导航与时空技术国家级重点实验室长沙 410073

基金项目: 国家自然科学基金(U20A0193)

详细信息

作者简介:
林红磊：男，博士，副研究员，研究方向为星基导航定位技术

耿敏嫣：女，硕士生，研究方向为星基导航定位技术

付栋：男，博士生，研究方向为通信导航一体化

欧钢：男，教授，研究方向为导航与时空技术、卫星载荷与导航终端技术等

肖伟：男，讲师，研究方向为卫星导航信号体制设计

马明：男，讲师，研究方向为时间频率技术

通讯作者:
耿敏嫣　gmy1585206743@163.com

中图分类号: TN967.1
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出版历程
- 收稿日期: 2024-07-25
- 修回日期: 2024-12-03
- 网络出版日期: 2024-12-12

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

1.
College of Electronic Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2.
State Key Laboratory for Position, Navigation and Time, Changsha 410073, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (U20A0193)

摘要

摘要: 低轨导航星座卫星数量多，信号多普勒频偏大，接收机冷启动搜索空间巨大，捕获速度慢，该文提出一种伪码调相-线性调频(CSK-LFM)的导航信号波形，线性调频提高信号的多普勒容限，不同伪码相位实现不同卫星的多址播发，可以极大压缩卫星号、时延、多普勒3维搜索空间，加快了捕获信号捕获速度。仿真和实验结果表明，当信号强度为40 dBHz时，采用CSK-LFM调制的导航信号，其捕获性能比同等条件下的传统直接扩频序列(DSSS)调制的导航信号高1 dB左右，且信号搜索空间可降低为直接扩频序列调制的1/10。
- 低轨导航信号 /
- 线性调频 /
- CSK调制 /
- 信号捕获
Abstract: Low Earth Orbit navigation system has a large number of satellites and Doppler frequency deviation, so the search space of the receiver with cold start is huge and the acquisition speed is slow. A Code-phase Shift Key and Linear Frequency Modulation (CSK-LFM) navigation signal waveform is proposed, the LFM modulation improves the Doppler tolerance of the signal, and the multiple access broadcast of different satellites is realized by different pseudo-code phases, which can greatly compress the three-dimensional search space of satellite number, time delay, and Doppler. Simulation and experimental results show that when the signal strength is 40dBHz, the acquisition performance of CSK-LFM signal is about 1dB higher than that of traditional Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) modulation navigation signals under the same conditions, and the signal search space can be reduced to 1/10 of that of DSSS modulation.
- Low Earth Orbit satellite /
- Linear Frequency Modulation (LFM) /
- Code-phase Shift Key(CSK) modulated /
- Signal acquisition

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图 1 伪码调相-线性调频信号的载波频率和扩频码对应关系示意图

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图 2 CSK-LFM信号的自相关函数值

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图 3 不同采样率下引起的相关损耗对比

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图 4 不同可见卫星数量情况下引起的多址相关损耗

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图 5 CSK-LFM信号的捕获检测量构造示意图

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图 6 基于PMF-FFT结构的CSK-LFM信号并行捕获框图

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图 7 CSK-LFM调制信号的捕获参数优化结果

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图 8 两种体制的捕获性能仿真结果对比

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图 9 BPSK-CDMA信号和CSK-LFM信号的捕获仿真结果

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图 11 CSK-LFM和BSPK-CDMA信号捕获性能仿真结果

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图 10 case 4-1下CSK-LFM信号时延-多普勒解模糊处理结果

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图 12 CSK-LFM信号并行捕获结果(卫星号维度剖面图)

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表 1 不同调制方式下抗多普勒频偏能力和多址方式分析对比

调制方式	抗多普勒能力	信号多址方式	典型应用
直接序列调制	弱	不同码序列	GSP、北斗、伽利略等系统
频分复用调制	弱	不同频点	GLONASS系统
码相位偏移调制	弱	不同码相位	数据链、QZSS等系统中信息调制
线性调频调制	强	不同调频斜率、起始频率等	雷达系统，Lora系统
伪码-线性调频调制	强	不同调频斜率、起始频率、码序列	-

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表 2 不同带宽和扩频比下的频率分格大小(kHz)

	N	31	63	127	255	511
CSK-LFM	B=4.092 MHz	79.20	38.97	19.33	9.63	4.80
	B=20.46 MHz	396.00	194.85	96.66	48.14	24.02
	B=40.92 MHz	792.00	389.71	193.32	96.28	48.05
BPSK-CDMA	T=1 ms	0.9

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1 基于PMF-FFT 结构的CSK-LFM 捕获算法

步骤1 生成本地复制的线性调频载波s_l(k)
步骤2 生成本地复制伪码c_l(n)，并进行FFT运算，求复共轭，得到参考序列C_l(j)^*
步骤3 在调频周期内将复制线性调频载波与接收信号相关并分段累加，得到累加结果y(n)
步骤4 对一个调频周期内的N段累加结果进行FFT运算，得到序列Y(j)
步骤5 将FFT结果与参考序列相关，对相关后的结果逆FFT处理，得到N颗卫星的捕获量z(k,i)
步骤6 对P个调频周期内的捕获量z(k,i)累加，得到Z(k,i)，并与门限比较，超过门限则捕获成功，跳至步骤9
步骤7 移动接收信号一个采样点，重复步骤3–步骤6，直至遍历完成2个调频周期
步骤8 移动一个频率搜索格子，重复步骤1–步骤7，直至遍历完成所有频率格子的搜索
步骤9 在上调频信号捕获时延附近，搜索上调频和下调频信号，根据捕获位置按式( 29 )计算捕获时延和多普勒

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表 3 捕获参数优化求解的信号条件

B(MHz)	f_d(kHz)	CN0(dBHz)	T(ms)	N	P
4.092	40	40	1	63	5

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表 4 两类信号的搜索空间比较

		多普勒范围(kHz)	多普勒格子(kHz)	搜索空间		多普勒范围(kHz)	多普勒格子(kHz)	搜索空间
BPSK-CDMA	case4	±5	0.5	8184×20	case5	±40	0.5	8184×160
CSK-LFM	case4-1		2.5	8184×8	case5-1		2.5	8184×64
CSK-LFM	case4-2		10.0	8184×2	case5-2		10.0	8184×16

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参考文献(25)

[1]	李俊. 基于联邦卡尔曼滤波器的容错多传感器组合导航算法研究[D]. [硕士论文], 南京邮电大学, 2023. doi: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2023.000673. LI Jun. Research on fault tolerant multi-sensor integrated navigation algorithm based on federated Kalman filter[D]. [Master dissertation], Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2023. doi: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2023.000673.
[2]	王玉, 边启慧, 廖军, 等. 惯性稳定万向架中基于SBG惯导的捷联控制技术[J]. 光电工程, 2023, 50(5): 220238. doi: 10.12086/oee.2023.220238. WANG Yu, BIAN Qihui, LIAO Jun, et al. Strapdown inertial stabilization technology based on SBG inertial navigation in inertial stabilization gimbal[J]. Opto-Electronic Engineering, 2023, 50(5): 220238. doi: 10.12086/oee.2023.220238.
[3]	邹涛, 王丽芬, 任元, 等. 冗余旋转惯导系统两位置初始对准方法[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(1): 20220414. doi: 10.3788/IRLA20220414. ZOU Tao, WANG Lifen, REN Yuan, et al. Two-position initial alignment method for redundant rotating inertial navigation system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(1): 20220414. doi: 10.3788/IRLA20220414.
[4]	张小红, 马福建. 低轨导航增强GNSS发展综述[J]. 测绘学报, 2019, 48(9): 1073–1087. doi: 10.11947/j.AGCS.2019.20190176. ZHANG Xiaohong and MA Fujian. Review of the development of LEO navigation-augmented GNSS[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2019, 48(9): 1073–1087. doi: 10.11947/j.AGCS.2019.20190176.
[5]	聂欣, 郑晋军, 范本尧. 低轨卫星导航系统技术发展研究[J]. 航天器工程, 2022, 31(1): 116–124. doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2022.01.016. NIE Xin, ZHENG Jinjun, and FAN Benyao. Study on development of technology path for LEO satellite navigation system[J]. Spacecraft Engineering, 2022, 31(1): 116–124. doi: 10.3969/j.issn.1673-8748.2022.01.016.
[6]	王磊, 李德仁, 陈锐志, 等. 低轨卫星导航增强技术——机遇与挑战[J]. 中国工程科学, 2020, 22(2): 144–152. doi: 10.15302/J-SSCAE-2020.02.018. WANG Lei, LI Deren, CHEN Ruizhi, et al. Low earth orbiter (LEO) navigation augmentation: Opportunities and challenges[J]. Strategic Study of CAE, 2020, 22(2): 144–152. doi: 10.15302/J-SSCAE-2020.02.018.
[7]	王磊, 陈锐志, 李德仁, 等. 珞珈一号低轨卫星导航增强系统信号质量评估[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2018, 43(12): 2191–2196. doi: 10.13203/j.whugis20180413. WANG Lei, CHEN Ruizhi, LI Deren, et al. Quality assessment of the LEO navigation augmentation signals from Luojia-1A satellite[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(12): 2191–2196. doi: 10.13203/j.whugis20180413.
[8]	陈延涛, 董彬虹, 李昊, 等. 一种高动态低信噪比环境下基于多样本点串行快速傅里叶变换的信号捕获方法[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(6): 1691–1697. doi: 10.11999/JEIT200149. CHEN Yantao, DONG Binhong, LI Hao, et al. A signal acquisition method based on multi-sample serial fast Fourier transform in high dynamic and low SNR environment[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(6): 1691–1697. doi: 10.11999/JEIT200149.
[9]	BORRE K, AKOS D M, BERTELSEN N, et al, 杨东凯, 张飞舟, 张波, 译. 软件定义的GPS和伽利略接收机[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009. BORRE K, AKOS D M, BERTELSEN N, et al, YANG Dongkai, ZHANG Feizhou, and ZHANG Bo, translation. A Software-Defined GPS and Galileo Receiver[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009.
[10]	COOK C E and BERNFELD M. Radar Signals: An Introduction to Theory and Application[M]. New York: Academic Press, 1967.
[11]	SPRINGER A, GUGLER W, HUEMER M, et al. Spread spectrum communications using chirp signals[C]. Proceedings of the IEEE/AFCEA EUROCOMM 2000. Information Systems for Enhanced Public Safety and Security, Munich, Germany, 2000: 166–170. doi: 10.1109/EURCOM.2000.874794.
[12]	JIN Xiaoping, ZHANG Peng, WAN Chuan, et al. RIS assisted dual-function radar and secure communications based on frequency-shifted chirp spread spectrum index modulation[J]. China Communications, 2023, 20(10): 85–99. doi: 10.23919/JCC.fa.2023-0143.202310.
[13]	GENG Xue, CHEN Zhuo, YANG Haixiao, et al. Timing synchronization based on Radon–Wigner transform of chirp signals for OTFS systems[J]. Physical Communication, 2023, 60: 102161. doi: 10.1016/J.PHYCOM.2023.102161.
[14]	PASOLINI G. On the LoRa chirp spread spectrum modulation: Signal properties and their impact on transmitter and receiver architectures[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2022, 21(1): 357–369. doi: 10.1109/TWC.2021.3095667.
[15]	EGEA-ROCA D, LÓPEZ-SALCEDO J, SECO-GRANADOS G, et al. Performance analysis of a multi-slope chirp spread spectrum signal for PNT in a LEO constellation[C]. Proceedings of 2022 10th Workshop on Satellite Navigation Technology, Noordwijk, Netherlands, 2022: 1–9. doi: 10.1109/NAVITEC53682.2022.9847559.
[16]	ORTEGA L, VILÀ-VALLS J, and CHAUMETTE E. Non-binary PRN-chirp modulation: A GNSS fast acquisition signal waveform[J]. IEEE Communications Letters, 2022, 26(9): 2151–2155. doi: 10.1109/LCOMM.2022.3185319.
[17]	QIAN Yubi, MA Lu, and LIANG Xuwen. Symmetry chirp spread spectrum modulation used in LEO satellite internet of things[J]. IEEE Communications Letters, 2018, 22(11): 2230–2233. doi: 10.1109/LCOMM.2018.2866820.
[18]	周新刚, 赵惠昌, 刘凤格, 等. 伪码调相与线性调频复合调制引信[J]. 宇航学报, 2008, 29(3): 1026–1030. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2008.03.055. ZHOU Xingang, ZHAO Huichang, LIU Fengge, et al. Pseudo—random code binary phase modulation combined with linear frequency modulation Fuze[J]. Journal of Astronautics, 2008, 29(3): 1026–1030. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2008.03.055.
[19]	ZHAO Xin, HUANG Xinming, TANG Xiaomei, et al. Chirp pseudo-noise signal and its receiving scheme for LEO enhanced GNSS[J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2022, 16(1): 34–50. doi: 10.1049/rsn2.12162.
[20]	王雷. 通信导航一体化关键技术研究[D]. [博士论文], 国防科技大学, 2020. doi: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2020.000271. WANG Lei. Research on key techniques of integration of communication and navigation[D]. [Ph. D. dissertation], National University of Defense Technology, 2020. DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2020.000271.
[21]	严涛, 田野, 李天, 等. CSK调制信号的跟踪方法[J]. 中国空间科学技术, 2023, 43(2): 117–127. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0026. YAN Tao, TIAN Ye, LI Tian, et al. Tracking method for code shift keying (CSK) modulated signal[J]. Chinese Space Science and Technology, 2023, 43(2): 117–127. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2023.0026.
[22]	靳舒馨, 姚铮, 贾深惠, 等. CSK调制在GNSS系统中的应用[C]. 第八届中国卫星导航学术年会论文集——S03卫星导航信号与信号处理, 上海, 2017. JIN Shuxin, YAO Zheng, JIA Shenhui, et al. Research on the application of CSK in the GNSS system[C]. Proceedings of the CSNC2017, Shanghai, China, 2017.
[23]	李晔, 周国栋, 肖林伟, 等. 基于部分输出FFT的CSK信号高效解调算法[J]. 全球定位系统, 2022, 47(3): 73–78. doi: 10.12265/j.gnss.2022019. LI Ye, ZHOU Guodong, XIAO Linwei, et al. An efficient demodulation algorithm for CSK modulated signals based on partial output FFT[J]. GNSS World of China, 2022, 47(3): 73–78. doi: 10.12265/j.gnss.2022019.
[24]	王环宇, 袁木子, 马春江, 等. 基于BPSK-CSK的电文调制与解调算法[J]. 全球定位系统, 2022, 47(6): 38–45. doi: 10.12265/j.gnss.2022170. WANG Huanyu, YUAN Muzi, MA Chunjiang, et al. Research on BPSK-CSK message modulation and demodulation algorithm[J]. GNSS World of China, 2022, 47(6): 38–45. doi: 10.12265/j.gnss.2022170.
[25]	林红磊, 唐小妹, 刘瀛翔, 等. 一种含导频GNSS信号的通道组合捕获检测量的设计与优化[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2014, 45(4): 1105–1112. LIN Honglei, TANG Xiaomei, LIU Yingxiang, et al. A design and optimization of channel combining acquisition detection with GNSS signal containing pilot channel[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2014, 45(4): 1105–1112.