王振嶺,何成龍

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

地基偽衛(wèi)星多址干擾對測距的影響及改善方法

王振嶺,何成龍

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

摘要：地基偽衛(wèi)星是一類發(fā)送類似衛(wèi)星導(dǎo)航信號的地基無線電導(dǎo)航增強(qiáng)設(shè)備,在獨(dú)立組網(wǎng)工作模式下具有基于無源擴(kuò)頻測距信號實(shí)現(xiàn)局域高精度定位的能力。在接收機(jī)同時(shí)接收多顆偽衛(wèi)星信號時(shí),偽衛(wèi)星信號間的多址干擾可導(dǎo)致偽衛(wèi)星測距誤差增大,進(jìn)而影響定位精度。針對這一影響,分析了多址干擾對測距性能的影響及其特點(diǎn),提出基于時(shí)分-碼分多址(TD-CDMA)和串行干擾抵消(SIC)改善偽衛(wèi)星多址干擾的方法,并對其性能及特點(diǎn)進(jìn)行了分析、仿真和對比。仿真結(jié)果表明:基于TD-CDMA和SIC的方法可降低信號間的多址干擾,提高地基偽衛(wèi)星測距精度。

關(guān)鍵詞：地基偽衛(wèi)星;多址干擾;串行干擾抵消;TD-CDMA

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.003

中圖分類號：TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：： A

文章編號：： 1008-9268(2015)02-0012-05

收稿日期：2015-03-05

作者簡介

Abstract:Terrestrially-based pseudolites is a onshore radio navigation system which has the similar signal to satellite navigation system. The independent pseudolites navigation network has the ability of local high-accuracy positioning by passive spread spectrum ranging signal. The MAI (Multiple Access Interference) of received pseudolites' signals might increase ranging error and then reduce positioning accuracy. A method of SIC (Serial Interference Cancellation) and TD-CDMA (Time division-Code division multiple access) for solving the problem was showed after analysis of MAI character, then showed the analysis, simulation and comparison of the methods. The simulation results showed that the method could reduce the MAI influence on ranging.

0引言

地基偽衛(wèi)星是建立于地面上的一種能發(fā)送類似空間衛(wèi)星導(dǎo)航信號的設(shè)備。相對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，地基偽衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的信號幾何分布,且不受由于信源移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒和軌跡誤差影響,相對具有更低的信號傳播路徑誤差,因此，更易依靠直接測距實(shí)現(xiàn)高精度定位。為達(dá)到高精度定位性能,除提高偽衛(wèi)星間的鐘差和優(yōu)化傳播路徑模型外,需要進(jìn)一步縮減多徑、噪聲及其他干擾帶來的測距影響[1-4]。

出于硬件兼容的考慮,地基偽衛(wèi)星多采用碼分多址體制的測距信號。信號間多址干擾是影響偽衛(wèi)星測距精度的因素之一,特別是在遠(yuǎn)近效應(yīng)下會(huì)產(chǎn)生較大測距影響,為實(shí)現(xiàn)高精度定位,需降低多址干擾帶來的測距影響[5-9]。

1多址干擾對地基偽衛(wèi)星測距影響

1.1　多址干擾對測距的影響

由于地基偽衛(wèi)星固定,對于靜態(tài)接收機(jī),傳播環(huán)境造成的多普勒產(chǎn)生頻率變化可忽略不計(jì),接收多個(gè)地基偽衛(wèi)星信號下的頻率一致;由于反射造成的左旋極化干擾信號不被接收,則接收機(jī)接收信號可表示為

(1)

式中: sr(t)為期望信號; n(t)為白噪聲信號; si(t)為接收的干擾測距信號,包括其他偽衛(wèi)星信號及多徑信號,表示為

si(t)=pidiPi(τi)ejθi，

(2)

式中: pi為干擾信號相對于期望信號的功率大小; di及Pi為干擾信號的相對電文和偽碼數(shù)據(jù); τi為信號相對時(shí)延;θi為相對相位大小。

對期望信號的相關(guān)輸出為

(3)

對測距誤差δt的影響包括兩個(gè)因素,一個(gè)是由n(t)引起的期望近似為0的隨機(jī)誤差抖動(dòng);另一個(gè)為干擾相關(guān)導(dǎo)致的偏離。若接收機(jī)超前滯后相關(guān)器間隔為2 d,則當(dāng)干擾信號滿足

d)cos(θi).

(4)

則疊加在期望信號相關(guān)輸出上的相關(guān)干擾會(huì)造成對測距誤差δt的影響。對于地基偽衛(wèi)星,由于信源間相對位置不變,在靜態(tài)或低動(dòng)態(tài)定位條件下信號間的相對時(shí)延τ近似不變,短時(shí)產(chǎn)生恒定的測距偏移影響,使測距誤差期望E(δt)≠0.

聯(lián)系人： 王振嶺E-mail:wangzlcti@163.com

1.2　單路干擾信號的影響

考慮單路干擾信號的影響。在期望信號的主峰斜率為±kr,在主峰內(nèi)存在疊加的斜率為ku的干擾相關(guān),若干擾相關(guān)右端相對于期望信號相關(guān)中心延遲為Δτ,偽碼碼寬為T,則在區(qū)間

上可導(dǎo)致最大的測距誤差,為

(5)

則兩個(gè)測距信號間存在的最大測距誤差為

(6)

在對干擾信號進(jìn)行相關(guān)時(shí),由于互相關(guān)形式相同,且兩信號的歸一相關(guān)峰斜率kr近似相同,則造成的最大測距誤差為

(7)

可得到,在確定的鑒相器間距下單路干擾信號影響程度與信號間功率比和碼相關(guān)形式高度相關(guān)。

本質(zhì)上,與接收功率高度相關(guān)的多址干擾是地基偽衛(wèi)星遠(yuǎn)近效應(yīng)問題的一部分。相對于空間衛(wèi)星,接收機(jī)與地基偽衛(wèi)星的距離變化程度高得多,可能接收具有高功率比的兩個(gè)或多個(gè)信號,此時(shí)弱信號對高功率信號的多址干擾相對于白噪聲引起的干擾可忽略不計(jì),而高功率信號對弱功率信號的多址干擾相對大得多,成為測距誤差的主要影響因素。

1.3　多路干擾信號的影響

在多路干擾信號影響下出現(xiàn)的測距誤差表現(xiàn)得更為復(fù)雜,這是由于不僅有可能在期望信號的相關(guān)峰內(nèi)多路信號干擾峰的疊加滿足條件

d)cos(θi).

(8)

使得測距誤差δt=0.另一方面,則有可能多個(gè)干擾峰疊加出現(xiàn)高干擾峰以致出現(xiàn)較大測距誤差,甚至由于多個(gè)強(qiáng)干擾信號在期望信號相關(guān)峰外出現(xiàn)高增益的疊加干擾峰使

(9)

導(dǎo)致接收機(jī)失鎖或錯(cuò)鎖,帶來更大的測距誤差。

2地基偽衛(wèi)星多址干擾的改善

根據(jù)影響偽衛(wèi)星多址干擾的影響因素,改善多址干擾的方法包括設(shè)計(jì)采用相關(guān)性能更優(yōu)的偽碼、基于應(yīng)用環(huán)境采用特定形式的天線、偽衛(wèi)星布設(shè)和功率調(diào)控等,通過多種手段的權(quán)衡解決多址干擾等遠(yuǎn)近效應(yīng)。在此提出一種基于TD-CDMA和SIC的方法。

2.1　TD-CDMA

在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的各地基偽衛(wèi)星分配給一個(gè)確定的信號發(fā)射時(shí)序,并且滿足相互不重疊。若接收兩個(gè)鄰近時(shí)隙的偽衛(wèi)星信號及其多徑信號距離差不超過a,保護(hù)間隙為σt,相對鐘差εt,時(shí)隙為TTD,則偽衛(wèi)星信號間的最大影響時(shí)間比例為

(10)

受限于民用接收機(jī)的硬件水平,地基偽衛(wèi)星的信號帶寬不高于10.23MHz,碼長不低于1 023,則有TTD>0.1ms.一般應(yīng)用下a不高于10km,且εt?TTD,則有ξ<33%,測距誤差影響降低4.8dB,若接收機(jī)具有脈沖消隱能力,測距誤差降低程度更大。

地基偽衛(wèi)星的TD-CDMA體制可采用偽隨機(jī)時(shí)隙序列使各時(shí)隙間的重疊情況隨機(jī)化,即單次由于時(shí)隙重疊造成的測距誤差為δti,使得接收機(jī)可基于平均的方式降低測距誤差,即

(11)

需要注意的是,地基偽衛(wèi)星采用TD-CDMA調(diào)制受信號基本體制及測距方式的限制,如時(shí)隙至少為1個(gè)偽碼周期,需要與空間信號滿足兼容等;且在TD-CDMA調(diào)制下各偽衛(wèi)星信號的測距具有相對時(shí)延,在高動(dòng)態(tài)下需采用偽距估計(jì)修正等方法提高定位精度。

2.2　SIC

圖1　SIC處理流程

(12)

在完成通道n的參數(shù)估計(jì)后進(jìn)行收斂判決后返回至通道1進(jìn)行再次估計(jì)和收斂,若估計(jì)參數(shù)變化低于判斷閾值或反饋估計(jì)到達(dá)迭代周期上限,則輸出最終估計(jì)的各路信號參數(shù)。

迭代周期上限的設(shè)定與接收機(jī)動(dòng)態(tài)相關(guān)。對于高動(dòng)態(tài)定位,為避免由于不可預(yù)估的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生估計(jì)參數(shù)不收斂及較大定位延遲,在缺少如慣導(dǎo)等其他傳感器輔助下,迭代周期上限不宜選取較大值;而對于靜態(tài)定位,迭代周期上限則可以選擇較高的值以允許估計(jì)參數(shù)充分收斂。此外,由于高功率信號受多址干擾影響低,參數(shù)的估計(jì)誤差相對小,對其它通道的多址干擾影響大,按功率高低選擇通道處理順序,可降低收斂時(shí)間及提高收斂穩(wěn)定性。

3仿真與分析

3.1　TD-CDMA地基偽衛(wèi)星測距仿真

設(shè)子網(wǎng)內(nèi)有5個(gè)偽衛(wèi)星節(jié)點(diǎn),其中4個(gè)以1顆高度50 m的偽衛(wèi)星為中心對稱分布在5 km×5 km的方形區(qū)域內(nèi)。各偽衛(wèi)星采用無保護(hù)間隙的偽隨機(jī)時(shí)隙序列,時(shí)隙為單偽碼周期,各偽衛(wèi)星基于編號1～5的Gold碼,載波頻率1 575.42 MHz,采用BPSK(10)調(diào)制。

3.1.1小區(qū)內(nèi)測距誤差

在4 km×4 km的區(qū)域內(nèi)基于連續(xù)信號下多址干擾產(chǎn)生的測距誤差如圖2所示。在中心區(qū)域內(nèi),期望信號的接收功率相對高,多址干擾基本不產(chǎn)生影響,約為2 cm;隨著與干擾偽衛(wèi)星距離的增加,干擾信號對測距影響逐漸增大,在中心1.5 km區(qū)域約為0.6 m,至接近于干擾偽衛(wèi)星測距誤差快速增長至米級并至捕獲失敗。

在采用時(shí)分調(diào)制的方式下,多址干擾產(chǎn)生的測距誤差分布如圖3所示。由于時(shí)分調(diào)制下測距誤差受到信號重疊比例的約束,使得大部分區(qū)域的影響降到毫米級;在靠近干擾偽衛(wèi)星時(shí),由于時(shí)隙重疊增長及干擾信號功率的增加,測距誤差快速增長,但由于重疊區(qū)域仍在5%以下,測距誤差在4 cm以下。

圖2　連續(xù)信號測距誤差分布

圖3　時(shí)分信號測距誤差分布

3.1.2小區(qū)間測距誤差

鄰近偽衛(wèi)星小區(qū)間存在能接收到分屬兩小區(qū)偽衛(wèi)星的信號的區(qū)域,在時(shí)分調(diào)制下信號的發(fā)送時(shí)隙可能與另一小區(qū)的信號重疊。若將前文中的5顆星視為小區(qū)間重疊區(qū)域,在基于偽隨機(jī)時(shí)隙序列下,對中心偽衛(wèi)星的測距影響如圖4所示。

圖4　重疊區(qū)域的測距誤差分布

相對于圖3,由于時(shí)分調(diào)制使干擾信號的影響離散化,允許接收機(jī)采用平均的方法降低干擾影響,測距誤差降低了1/4左右。圖5所示為邊沿區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)低噪聲下的測距誤差。

圖5　邊沿某點(diǎn)的測距誤差及平均值

3.2　SIC接收處理測距仿真

由于偽碼的相關(guān)增益一般在20 dB以上,當(dāng)干擾信號與期望信號的功率比高時(shí)碼間干擾的影響才會(huì)體現(xiàn),在時(shí)分調(diào)制下,出現(xiàn)這一影響的主要區(qū)域?yàn)橹丿B區(qū)域。在偽衛(wèi)星覆蓋的大部分區(qū)域內(nèi)碼間干擾的影響低于熱噪聲影響,因此SIC適用于靠近干擾偽衛(wèi)星的區(qū)域,即存在強(qiáng)干擾信號的環(huán)境。

對橫縱坐標(biāo)為[ 5 km,5 km]的區(qū)域進(jìn)行仿真,得到在靜態(tài)SIC接收處理下的測距誤差對比如圖6所示。

圖6　基于SIC方法的測距誤差

與時(shí)分方法性能不同的是,SIC在臨近偽衛(wèi)星區(qū)域內(nèi)具有良好的測距性能,而在中心區(qū)域內(nèi)測距誤差較大。這是由于在中心區(qū)域內(nèi)信號功率相似,由于多址造成對信號的功率幅值和載波相位估計(jì)不穩(wěn),進(jìn)而導(dǎo)致干擾消除中不能完全將干擾消除;而對于臨近偽衛(wèi)星的區(qū)域,強(qiáng)干擾信號是造成多址影響的主要因素,但強(qiáng)信號可獲得更優(yōu)的功率和相位測量精度,可實(shí)現(xiàn)良好的消除效果。

4結(jié)束語

針對地基偽衛(wèi)星多址干擾對測距影響的特點(diǎn)提出了基于TD-CDMA和串行干擾抵消改善測距精度的方法,分析表明：時(shí)分方法可在偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)域獲得良好測距精度,而SIC可提高臨近偽衛(wèi)星區(qū)域的測距精度,在保證時(shí)間同步和高精度載波測量精度的條件下,通過兩種方法的混合可提高偽衛(wèi)星測距網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

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王振嶺(1975-),男,高級工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)。

何成龍(1987-),男,博士,主要研究方向?yàn)閭涡l(wèi)星導(dǎo)航與導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)。

Influence of MAI on Terrestrially-Based Pseudolites

Ranging and Improving Method

WANG Zhenling,HE Chenglong

(The54thReserchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

Key words: Terrestrially-based pseudolites; MAI; SIC; TD-CDMA