CN111694028A - 一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，每颗卫星的导航信号基准信号采用两段符号持续时间相同、频谱宽度相同但调频率完全相反的Chirp信号拼接而成，其中每一段Chirp信号又是由两段调频率相同但起始频率不同的Chirp信号拼接而成；对每颗卫星的基准信号进行伪随机相位调制；将编码后的导航电文调制到所设计的伪随机Chirp信号上，得到卫星导航信号。该方法兼具大多普勒容限、多址接入特性和物理层安全性，可从根本上将接收机捕获过程降维成时域一维搜索，缩短捕获时间，同时提升接收机的动态应力，满足高动态条件下的载波相位估计要求，适用于卫星导航系统、伪卫星定位辅助系统、室内定位系统等领域。

Description

一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法
技术领域
本发明属于导航信号设计领域，涉及一种利用Chirp信号来设计卫星导航信号的方法。
背景技术
传统直接序列扩频体制的卫星导航接收机在高动态环境下需要经过长时间的伪码-频偏二维搜索才能捕获到导航信号。即使采用主流的部分匹配滤波和频域FFT相结合的技术来实现码相位和部分频率单元的并行搜索，单颗卫星的捕获时间仍然远高于其时域搜索长度，接收机首次定位时间甚至达到分钟级。此外，为了获得厘米、分米级的定位信息，卫星接收机需要测得准确的导航信号载波相位。但是，传统直扩信号的伪码-频偏敏感性会导致接收机跟踪环路的噪声功率和失锁概率随着载体动态的提升而大幅提高，进而引起载波相位整周计数的跳变，使接收机无法估计准确的载波相位。
Chirp信号是一种频率线性时变的信号，具有恒包络、高时宽带宽积(即信号持续时间与信号带宽的乘积)、大多普勒容限以及时延-频偏线性耦合的特性。受益于上述特点，Chirp信号已经在超宽带通信与测距、广域物联网(LoRa)以及水声通信等领域获得了广泛的应用。将Chirp信号用于卫星导航系统，那么接收机就可以利用其大多普勒容限和时延-频偏线性耦合的特性将捕获过程简化为时域一维搜索，进而减少捕获时间、减少硬件资源消耗，并能利用其匹配滤波输出在高动态下实现稳定、准确的载波相位估计。
将Chirp信号应用于卫星导航系统尚面临以下技术挑战：(1)Chirp信号并不具有与直扩信号相匹配的多址接入特性，难以满足接收机同时接收多颗卫星导航信号进行定位解算的要求；(2)Chirp信号时频特征简单，难以阻止非法用户截获加密导航电文或对载体实施欺骗式干扰。专利“一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统及方法”针对该问题提出了一种解决方案，该方法直接利用伪随机序列在时域对Chirp信号进行调制，所得到的导航信号多普勒容限取决于伪随机序列的码片宽带，在利用伪随机序列增强Chirp信号多址特性的同时，也使得Chirp信号大多普勒容限的优势消失，在多普勒频偏较大时，仍然需要消耗大量时间和硬件资源对伪码进行精确搜索，同时在高动态条件下，码多普勒效应会导致该方法所提信号的失锁概率大幅提升。
发明内容
针对现有技术中存在的导航信号捕获时间长、高动态条件下载波相位不准确等技术问题，本发明提出了一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，通过伪随机相位调制、相反调频率Chirp信号的时域拼接以及导航电文的物理层安全编码等手段，使得所设计的卫星导航信号兼具大多普勒容限、多址接入特性和物理层安全性，从根本上将导航信号的捕获过程降维成时域一维搜索，降低捕获时间，提升导航信号动态应力，满足高动态条件下的载波相位估计要求。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，包括如下步骤：
S1、采用两段符号持续时间相同、频谱宽度相同但调频率完全相反的Chirp信号拼接得到卫星k的基函数sk(t)，每一段Chirp信号由两段调频率相同但起始频率不同的Chirp信号拼接而成；
S2、对基函数sk(t)进行伪随机相位调制得到伪随机相位调制基函数s′k(t)；
S3、对卫星导航电文数据进行编码；
S4、将步骤S3所得的编码导航电文数据调制到步骤S2得到的伪随机相位调制基函数s′k(t)上，得到完整的卫星导航信号。
进一步的，所述步骤S1中，卫星k的基函数sk(t)为：
Figure BDA0002549606450000031
其中，Ts为导航信号的信号周期，Bs为导航信号的信号带宽，Es表示导航信号一个信号周期内的能量，
Figure BDA0002549606450000032
表示调频率为
Figure BDA0002549606450000033
起始频率为b1k的Chirp信号，
Figure BDA0002549606450000034
表示调频率为
Figure BDA0002549606450000035
起始频率为b2k的Chirp信号，T1k为p1k的持续时间，T2k为p3k的持续时间，t为时间。
进一步的，所述步骤S2中，使用在[0,2π]区间范围内服从均匀分布的伪随机相位
Figure BDA0002549606450000036
对基函数sk(t)进行伪随机相位调制，得到
Figure BDA0002549606450000037
其中
Figure BDA0002549606450000038
是调节s′k(t)随机化程度的伪随机相位尺度因子。
进一步的，所述伪随机相位尺度因子根据系统所需要的多普勒容限、物理层安全编码的译码门限来确定。
进一步的，所述步骤S3选用具有物理层安全特性的信道编码方式，所述信道编码方式为基于LDPC、基于Polar或者基于BCH的物理层编码。
进一步的，所述步骤S4中调制方式为相位调制或者偏移键控调制。
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明提出的一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，所设计的伪随机Chirp信号利用信号时域拼接保证了不同卫星的信号均具有相同的符号持续时间和符号带宽，使得卫星接收机可以采用统一的射频通道来处理不同的卫星信号。
本发明利用伪随机Chirp相位调制来提升导航信号安全性，同时也进一步降低多址接入干扰，与传统利用伪随机序列直接进行时域调制的方法相比，该方法兼具大多普勒容限、多址接入特性和物理层安全性，可从根本上将接收机捕获过程降维成时域一维搜索，缩短捕获时间，同时提升接收机的动态应力，满足高动态条件下的载波相位估计要求，应用领域包括但不限于卫星导航系统、伪卫星定位辅助系统、室内定位系统等。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法的原理图；
图2是本发明具体实施例中Chirp信号拼接后的时频分布示意图；
图3是本发明具体实施例中伪随机Chirp和原始Chirp信号的时频特征对比图，其中，(a)为原始Chirp信号的时频特征，(b)为伪随机相位调制后Chirp信号的时频特性；
图4是本发明具体实施例中伪随机Chirp和伪码序列的模糊函数对比图，其中，(a)为伪随机Chirp信号的模糊函数，(b)为传统伪码序列的模糊函数；
图5是本发明具体实施例中不同尺度因子条件下的互相关系数对比图；
图6是本发明具体实施例中非法用户导航电文误码率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细阐述。
本发明为了满足卫星导航信号的多址接入性能，每颗卫星的导航信号基准信号采用两段符号持续时间相同、频谱宽度相同但调频率完全相反的Chirp信号拼接而成，其中每一段Chirp信号又是由两段调频率相同但起始频率不同的Chirp信号拼接而成。拼接后所得的不同卫星的基准信号均具有相同的符号持续时间和符号带宽，但是具有不同的起始频率或者调频率。图2给出了两颗卫星基准信号的时频特征示意图。
其次，为了提升导航信号安全性，进一步降低多址接入干扰，对每颗卫星的基准信号进行伪随机相位调制，得到伪随机Chirp信号，调制所采用的伪随机相位序列包括一个称为尺度因子的系数，通过调整尺度因子可以调整伪随机Chirp信号的伪随机程度，尺度因子越大，伪随机Chirp的伪随机特性、多址接入特性就越好，但是相应的多普勒容限也会减小。不同的卫星采用互不相关的伪随机相位序列，利用伪随机相位良好的自相关特性来进一步降低多址接入干扰。
然后，对卫星导航信号的导航电文进行信道编码。最后，将编码后的导航电文调制到所设计的伪随机Chirp信号上，得到卫星导航信号。
本发明提出的一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
假定共有K个卫星，设计卫星k的导航信号，其中k＝1,2,…,K。
(1)信号时域拼接
采用两段符号持续时间相同、频谱宽度相同但调频率完全相反的Chirp信号拼接得到卫星k的基函数sk(t)，其中每一段Chirp信号又是由两段调频率相同但起始频率不同的Chirp信号拼接而成，如公式(1)所示：
Figure BDA0002549606450000061
其中，信号p1k与p2k组成第一段Chirp信号，p1k与p2k调频率相同但起始频率不同，信号p3k与p4k组成第二段Chirp信号，p3k与p4k调频率相同但起始频率不同；Ts为导航信号的信号周期，Bs为导航信号的信号带宽，Es表示导航信号一个信号周期内的能量，
Figure BDA0002549606450000062
表示调频率为
Figure BDA0002549606450000063
起始频率为b1k的Chirp信号，
Figure BDA0002549606450000064
表示调频率为
Figure BDA0002549606450000065
起始频率为b2k的Chirp信号，T1k为p1k的持续时间，T2k为p3k的持续时间。图2给出了两颗卫星基准信号的时频特征示意图。
(2)伪随机相位调制
使用在[0,2π]区间范围内服从均匀分布的伪随机相位
Figure BDA0002549606450000066
对公式(1)所得的卫星k的基函数sk(t)进行伪随机相位调制，得到如公式(2)所示的卫星k的伪随机相位调制基函数s′k(t)：
Figure BDA0002549606450000071
其中
Figure BDA0002549606450000072
是调节s′k(t)随机化程度的伪随机相位尺度因子，系统根据所需要的多普勒容限、物理层安全编码的译码门限来选取伪随机相位尺度因子的大小。当多普勒容限要求较大时，选取小的尺度因子，反之，则选择大的尺度因子来增强物理层安全性。
(3)信道编码
选用一种具有物理层安全特性的信道编码方式对卫星导航电文数据d(n)进行编码，编码方案可以根据系统所需要的编码效率、编码增益、物理层安全编码的译码门限来灵活选择基于LDPC、基于Polar或者基于BCH的物理层编码等公知技术，得到编码导航电文数据D(n)。当接收机已知导航信号的伪随机相位时，能够获得足够高的信噪比来对编码数据进行译码，并得到正确的导航电文；非法用户不知道伪随机相位，无法得到足够高的信噪比来进行译码，无法得到正确的导航电文。
(4)扩频调制
根据系统需要选择相位调制、偏移键控调制或者其他信号调制方式将步骤三所得的D(n)调制到s′k(t)上，即得到完整的卫星导航信号。
下面结合一个具体实施例对本发明进行详细阐述，一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，步骤如下：
(1)采用两段符号持续时间10ms、频谱宽度均为2MHz但调频率完全相反的Chirp信号拼接得到卫星k的基函数sk(t)，其中每一段Chirp信号又是由两段调频率相同但起始频率不同的Chirp信号拼接而成，如公式所示：
Figure BDA0002549606450000081
其中，
Figure BDA0002549606450000082
bk＝1MHz表示信号的起始频率，
Figure BDA0002549606450000083
Bs＝4MHz，Ts＝20ms，Tk＝Ts/4。
(2)利用在[0,2π]区间范围内服从均匀分布的伪随机相位
Figure BDA0002549606450000084
对公式所得的信号进行伪随机相位调制，得到如公式所示的基函数：
Figure BDA0002549606450000085
其中
Figure BDA0002549606450000086
当ρk＝0时，伪随机相位
Figure BDA0002549606450000087
将被移除，s′k(t)退化为一个原始Chirp拼接信号；而当ρk＝1时，s′k(t)则成为一个伪随机噪声信号。当0＜ρk＜1时，s′k(t)既具有较大的多普勒容限，同时安全性也能够得到一定程度的增强。
图3给出了sk(t)以及ρk＝0.5时s′k(t)的时频特征的对比图，从图中可以看出，与辨识度非常高的Chirp信号相比，s′k(t)在时频域均具有一定的类噪声谱特性，因此安全性能够得到一定程度的增强。图4分别给出了ρk＝0.5时s′k(t)的模糊函数以及传统伪码序列的模糊函数图，从图中可以看出，s′k(t)的模糊函数呈脊型，而传统伪码序列则为图钉型，这意味着当s′k(t)的样本信号出现大的频率偏差时，匹配滤波器仍然能够输出峰值，因此具有远大于伪码序列的多普勒容限。
(3)选用编码码率为0.66的随机删余型LDPC编码对导航电文数据d(n)进行编码得到编码导航电文数据D(n)。
(4)采用BPSK调制方式将导航电文数据调制到s′k(t)上得到导航电文。
图5给出了带宽为4MHz时不同伪随机相位尺度因子条件下不同卫星信号间互相关系数的最大值。从图中可以看到，在卫星数量K固定时，互相关系数的最大值随着伪随机相位尺度因子的提高而不断降低。在其中一个卫星伪随机相位尺度因子固定的条件下，通过提高另外一个卫星的伪随机相位尺度因子也能够降低用户间的互相关系数。
图6给出了采用删余型LDPC编码后窃听用户在不同尺度因子ρ下的误码率性能。从图中可以看到，当尺度因子ρ＝0时，窃听用户的误码率小于10-6，而随着尺度因子ρ的提高，窃听用户的误码率不断升高，当尺度因子ρ∈(0.4,0.5)时，窃听用户的误码率将大于0.4，能够实现导航电文的物理层加密。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用两段符号持续时间相同、频谱宽度相同但调频率完全相反的Chirp信号拼接得到卫星k的基函数sk(t)，每一段Chirp信号由两段调频率相同但起始频率不同的Chirp信号拼接而成；
S2、对基函数sk(t)进行伪随机相位调制得到伪随机相位调制基函数s′k(t)；
S3、对卫星导航电文数据进行编码；
S4、将步骤S3所得的编码导航电文数据调制到步骤S2得到的伪随机相位调制基函数s′k(t)上，得到完整的卫星导航信号。
2.根据权利要求1所述的卫星导航信号设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，卫星k的基函数sk(t)为：
Figure FDA0002549606440000011
其中，Ts为导航信号的信号周期，Bs为导航信号的信号带宽，Es表示导航信号一个信号周期内的能量，
Figure FDA0002549606440000012
表示调频率为
Figure FDA0002549606440000013
起始频率为b1k的Chirp信号，
Figure FDA0002549606440000014
表示调频率为
Figure FDA0002549606440000015
起始频率为b2k的Chirp信号，T1k为p1k的持续时间，T2k为p3k的持续时间，t为时间。
3.根据权利要求1所述的卫星导航信号设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，使用在[0,2π]区间范围内服从均匀分布的伪随机相位
Figure FDA0002549606440000016
对基函数sk(t)进行伪随机相位调制，得到
Figure FDA0002549606440000021
其中
Figure FDA0002549606440000022
是调节s′k(t)随机化程度的伪随机相位尺度因子。
4.根据权利要求3所述的卫星导航信号设计方法，其特征在于，所述伪随机相位尺度因子根据系统所需要的多普勒容限、物理层安全编码的译码门限来确定。
5.根据权利要求1所述的卫星导航信号设计方法，其特征在于，所述步骤S3选用具有物理层安全特性的信道编码方式，所述信道编码方式为基于LDPC、基于Polar或者基于BCH的物理层编码。
6.根据权利要求1所述的卫星导航信号设计方法，其特征在于，所述步骤S4中调制方式为相位调制或者偏移键控调制。
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