阅读说明：本技术 一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号生成方法 (Satellite navigation signal generation method based on chip-level pulse time hopping ) 是由 蒙艳松 严涛 王瑛 周昀 雷文英 王国永 边朗 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号生成方法,包括基带扩频调制；信号伪码发生器生成信号伪码,进行码片赋形后,与编码后的电文调制在一起,得到基带扩频信号；码片跳时调制；跳频伪码发生器生成跳频伪码序列,控制码片选通脉冲发生器,生成码片选通脉冲,与所述基带扩频信号进行码片跳时调制,得到码片跳时信号；射频调制；载波发生器生成射频载波,与所述码片跳时信号进行射频调制,生成射频信号,经放大、滤波后,完成基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号的生成,通过天线播发给用户。本发明实现抗干扰能力的提升,同时保持与现有卫星导航信号体制的兼容性,并支持基于载波相位测量的高精度应用。(The invention relates to a satellite navigation signal generating method based on chip-level pulse time hopping, which comprises baseband spread spectrum modulation; a signal pseudo code generator generates a signal pseudo code, and after chip shaping, the signal pseudo code and the coded text are modulated together to obtain a baseband spread spectrum signal; chip time hopping modulation; the frequency hopping pseudo code generator generates a frequency hopping pseudo code sequence, controls the chip gating pulse generator to generate chip gating pulses, and performs chip time hopping modulation with the baseband spread spectrum signal to obtain a chip time hopping signal; radio frequency modulation; and the carrier wave generator generates a radio frequency carrier wave, performs radio frequency modulation on the radio frequency carrier wave and the chip time hopping signal to generate a radio frequency signal, completes generation of a satellite navigation signal based on chip-level pulse time hopping after amplification and filtering, and broadcasts the satellite navigation signal to a user through an antenna. The invention realizes the improvement of the anti-interference capability, simultaneously keeps the compatibility with the existing satellite navigation signal system, and supports the high-precision application based on the carrier phase measurement.)

一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号生成方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，特别涉及一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号生成方法。

背景技术

当前的卫星导航信号，容易受到干扰和遮挡，主要原因是由于导航卫星是一个功率受限系统，信号的平均发射功率是受限的。而卫星导航信号，主要采用的是直接序列扩频调制的连续播发信号，卫星导航信号落地电平低，一般是-160dBW左右。而且卫星导航信号的频率、调制方式是公开的，特别容易受到匹配谱干扰的影响。

为了提升信号的抗干扰能力，最有效直接的方法就是增加信号的发射功率，为此，在GPS现代化进程中，针对M码信号，设计了点波束功率增强模式，能够对区域进行功率增强20dB以上。另一种方法就是采用抗干扰信号体制，比如直扩跳频信号或者直扩跳时信号，通过在时域或者频域上与干扰信号分离来提升抗干扰能力。

在抗干扰信号体制方面，专利“扩跳频体制的无线电导航系统”(专利号：CN200910072086.8)给出一种跳扩频体制的无线电导航系统，导航电文在扩跳频调制模块中进行直扩调制和跳频调制，再经过高通滤波器和功率放大器由天线向外发射。专利“一种猝发式的导航信号体制与接收方法”(专利号：CN 201019114075.1)通过直发式卫星导航系统或转发式卫星导航系统卫星播发的猝发式卫星导航信标，或间隙的卫星导航信号。专利“一种时分体制的导航信号生成方法”(专利号：CN 201810245853.X)公开了一种时分体制的导航信号生成方法，通过时分复用的方式实现卫星间的双向传输，提升频带利用率。文献“基于混合扩频的导航卫星抗干扰技术”将DS/TH混合扩频技术与现有的导航卫星相结合，导航信号在经过DS码扩频后，将其直扩后的每一码片分成若干时隙，根据跳时序列选择时隙来发送导航信号。

可以看到，上述专利为了提升导航信号的抗干扰能力，采用混合扩频方案，包括直扩跳频(DS/FH)和直扩跳时(DS/TH)信号。直扩跳频信号的中心频率随时间跳动，由跳频码控制在哪个频率播发信号，通过在频率与干扰信号实现分离，提升抗干扰能力。然而，直扩跳频有两个不足，首先跳频体制信号与现有的卫星导航信号不兼容，其次，调频信号载波相位的高精度测量还存在一定的问题。传统的直扩跳时信号与当前的卫星导航信号不兼容，不能直接使用现有的接收方法接收。将一个码片划分为多个时隙的直扩跳时，会改变信号的功率谱，信号带宽变大。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，针对卫星平台功率受限，发射信号的平均功率给定下，设计提供一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号生成方法，实现抗干扰能力的提升，同时保持与现有卫星导航信号体制的兼容性，并支持基于载波相位测量的高精度应用。

本发明的技术解决方案是：

一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号生成方法，步骤如下：

(1)基带扩频调制；信号伪码发生器生成信号伪码，进行码片赋形后，与编码后的电文调制在一起，得到基带扩频信号；

(2)码片跳时调制；跳频伪码发生器生成跳频伪码序列，控制码片选通脉冲发生器，生成码片选通脉冲，与所述基带扩频信号进行码片跳时调制，得到码片跳时信号；

(3)射频调制；载波发生器生成射频载波，与所述码片跳时信号进行射频调制，生成射频信号，经放大、滤波后，完成基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号的生成，通过天线播发给用户。

进一步的，所述的基带扩频调制，具体通过以下方法得到：

(1.1)信号伪码生成；信号伪码发生器生成的伪码序列为{c_l}，c_l∈{1,-1}，l＝0,1,2,…；

(1.2)码片波形赋形；对伪码序列进行码片波形赋形，得到伪码波形：

式中，p_Tc(t)为码片波形，T_c＝1/R_c为码片宽度，R_c为码速率，t为时间变量；

(1.3)基带扩频调制；将电文d(t)与伪码波形C(t)进行调制，得到基带扩频调制信号s_b(t)＝d(t)·C(t)，电文d(t)∈{1,-1}。

进一步的，所述步骤(1.2)对伪码序列进行码片波形赋形，具体为：

在卫星导航信号中，采用矩形码片波形或者二进制偏移载波波形；

对于矩形码片波形，有：

二进制偏移载波波形即为正弦BOC码片波形，对于正弦BOC码片波形，有

式中，f_s为BOC调制的子载波频率，2f_s/R_c为整数。

进一步的，步骤(2)码片跳时调制，具体为：

(2.1)将基带扩频调制信号s_b(t)在时域上按照码片宽度T_c进行分组，每N个码片分为一组，记为0,1,2,…,N-1个，每N个码片中只有一个码片被选通，N个码片的功率集中在一个码片上；其中N为大于1的整数，表示每个分组包含的码片个数；

(2.2)跳时伪码发生器生成一个跳时伪码序列{c_TH,l}，通过跳时伪码序列映射，对应于每隔NT_c时间，在第i个码片分组，输出一个属于{0,1,2,…,N-1}的数L_i，控制码片选通脉冲发生器生成码片选通脉冲p_pulse(t)；

(2.3)在时间t∈[i·N·T_c,(i+1)·N·T_c)，跳时伪码发生器生成的伪随机数为L_i；其中i表示第i个分组，码片选通脉冲发生器生成的码片选通脉冲p_pulse(t)为：

(2.4)将基带扩频信号s_b(t)与码片选通脉冲p_pulse(t)相乘，实现码片跳时调制，得到码片跳时信号s_TH(t)：

s_TH(t)＝s_b(t)·p_pulse(t)。

进一步的，步骤(2.2)中所述跳时伪码序列映射，通过以下方法实现：

(2.2.1)将跳时伪码序列{c_TH,l}，c_TH,l∈{1,0}，l＝0,1,2,…，进行串并转换为路，表示向上取整，即每M个码片映射出一个整数L_i，第i个分组，对应的M路二进制码序列为{c_1,i}、{c_2,i}、…、{c_M,i}。

(2.2.2)译码器将第i个分组对应的M个二进制码片值译为一个属于{0,1,2,…,2^M-1}的十进制数，即

(2.2.3)将L_M,i对N进行求模，得到属于{0,1,2,…,N-1}的数L_i，即

L_i＝L_M,i mod N。

进一步的，步骤(3)射频调制，通过以下方法实现：

(3.1)载波发生器生成射频载波cos(2πf_RFt)；f_RF是射频载波频率，t是时间变量；

(3.2)码片跳时信号s_TH(t)与射频载波相乘，有s_TH,RF(t)＝s_TH(t)·cos(2πf_RFt)；

s_TH,RF(t)经脉冲放大器放大、滤波器滤波后，通过天线播发给用户。

进一步的，本发明还提出一种根据权利要求1所述的卫星导航信号生成方法实现的基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号生成系统，其特征在于包括：

基带扩频调制模块：通过信号伪码发生器生成信号伪码，进行码片赋形后，与编码后的电文调制在一起，得到基带扩频信号；

码片跳时调制模块：通过跳频伪码发生器生成跳频伪码序列，控制码片选通脉冲发生器，生成码片选通脉冲，与基带扩频调制模块生成的基带扩频信号进行码片跳时调制，得到码片跳时信号；

射频调制模块：通过载波发生器生成射频载波，与所述码片跳时信号进行射频调制，生成射频信号，经放大、滤波后，完成基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号的生成，通过天线播发给用户。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明公开了一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号及生成方法，在平均发射功率一定的前提下，实现抗干扰能力的提升，同现有的方法相比，本发明公开的方法具有如下优点：

(1)当前的抗干扰导航信号体制，通常采用混合扩频的方式，与目前卫星导航信号的接收方式不兼容；本发明提出的基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号，与现有卫星导航信号体制完全兼容，能够使用已有的接收方法进行接收。

(2)现有的直扩跳时信号体制，将一个码片划分为多个时隙，通过跳时隙，每次只在一个时隙中播发信号，会改变信号的功率谱，信号带宽变大。本发明采用码片选通脉冲的方式，改变每组N个码片中选通一个码片的位置，实现的是等效码片跳时的效果，不改变信号的频谱。

(3)本发明在码片层面实现码片级脉冲跳时，实现将低平均功率的连续信号变为高瞬时功率的随机脉冲位置准连续信号。具体而言，是将N个码片的功率集中到一个码片上，对于一个码周期处理而言，载波相位是连续的，能够支持基于载波相位测量的高精度应用。对于具有跳时码序列的用户，能够提升抗干扰能力10lg(N)dB。抗干扰能力的提升可通过改变N的值进行灵活调整。

附图说明

图1为本发明公开的基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号技术方案；

图2为跳时伪码序列映射方法

图3为码片级脉冲跳时信号生成示意图

图4为码片跳时信号的基带波形

图5为码片跳时信号的功率谱

图6为码片跳时信号的相关函数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

发射信号的平均功率一定，为了提升信号的抗干扰能力，本发明采用码片级脉冲跳时方案，即将扩频码序列按码片分组，每组N个码片，每N个码片中只有一个码片选通，选通码片的位置由一个选通脉冲决定，选通脉冲可由一个跳时码生成，是伪随机的。在本发明方案中，原本N个码片的功率集中于一个码片上，对于没有跳时码的用户，可以采用传统的导航信号接收处理方法，因此本发明与现有卫星导航信号是兼容的；对于具有跳时码的用户，可以进行匹配接收后，等效于信号功率提升了N倍，抗干扰能力提升10lg(N)dB。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号生成方法，具体流程如图1所示。

步骤1、基带扩频调制。信号伪码发生器生成信号伪码，进行码片赋形后，与编码后的电文调制在一起，得到基带扩频信号。电文d(t)∈{1,-1}，t为时间变量，电文符号速率为R_s，符号宽度为T_s＝1/R_s；码速率为R_c，码片宽度为T_c＝1/R_c。

基带扩频调制，通过以下方法得到：

1)信号伪码生成。信号伪码发生器生成的伪码序列为{c_l}，第l个码片c_l∈{1,-1}，l＝0,1,2,…；

2)码片波形赋形。对码序列进行码片波形赋形，得到伪码波形：

式中，p_Tc(t)为码片波形，在卫星导航信号中，可以采用矩形码片波形或者二进制偏移载波(BOC)波形。对于矩形码片波形，有：

对于正弦BOC码片波形，有

式中，f_s为BOC调制的子载波频率，2f_s/R_c为整数。

3)基带扩频调制。将电文d(t)与伪码波形C(t)进行调制，得到基带扩频调制信号s_b(t)：

s_b(t)＝d(t)·C(t)

步骤2、码片跳时调制。跳频伪码发生器生成跳频伪码序列，控制码片选通脉冲发生器，生成码片选通脉冲，与基带扩频信号进行码片跳时调制，得到码片跳时信号。

码片跳时调制，通过以下方法得到：

(1)将s_b(t)在时域上按照码片宽度T_c进行分组，每N个码片分为一组，记为0,1,2,…,N-1个，每N个码片中只有一个码片被选通，N个码片的功率就集中在一个码片上，其中N为大于1的整数，表示每个分组包含的码片个数。

(2)跳时伪码发生器生成一个跳时伪码序列{c_TH,l}，通过跳时伪码序列映射，对应于每隔NT_c时间，在第i个码片分组，输出一个属于{0,1,2,…,N-1}的数L_i，控制码片选通脉冲发生器生成码片选通脉冲p_pulse(t)。

跳时伪码序列映射，可以通过以下方法得到：

(2.1)将跳时伪码序列{c_TH,l}，c_TH,l∈{1,0}，l＝0,1,2,…，进行串并转换为

路，

表示向上取整，即每M个码片映射出一个整数L_i。第i个分组，对应的M路二进制码序列为{c_1,i}、{c_2,i}、…、{c_M,i}，

(2.2)译码器将第i个分组对应的M个二进制码片值译为一个属于{0,1,2,…,2^M-1}的十进制数，即

(2.3)将L_M,i对N进行求模，得到属于{0,1,2,…,N-1}的数L_i，即

L_i＝L_M,i mod N

(3)在时间t∈[i·N·T_c,(i+1)·N·T_c)，跳时伪码发生器生成的伪随机数为L_i。i表示第i个分组，码片选通脉冲发生器生成的码片选通脉冲p_pulse(t)为：

(4)将基带扩频信号s_b(t)与码片选通脉冲p_pulse(t)相乘，实现码片跳时调制，得到码片跳时信号s_TH(t)：

s_TH(t)＝s_b(t)·p_pulse(t)

步骤3、射频调制。载波发生器生成射频载波，与码片跳时信号进行射频调制，生成射频信号，经放大、滤波、天线后，播发给用户。

射频调制，可以通过以下方法得到：

(1)载波发生器生成射频载波cos(2πf_RFt)；

(2)码片跳时信号s_TH(t)与射频载波相乘，有s_TH,RF(t)＝s_TH(t)·cos(2πf_RFt)；

s_TH,RF(t)经脉冲放大器放大、滤波器滤波、天线后，播发给用户。

本发明实施例如下：

本发明公开的一种基于码片级脉冲跳时的卫星导航信号及生成方法操作步骤如图1所示，具体如下：

(1)基带扩频调制。信号伪码发生器生成信号伪码，进行码片赋形后，与编码后的电文调制在一起，得到基带扩频信号。电文d(t)∈{1,-1}，符号速率为R_s＝100sps，符号宽度为T_s＝10ms；

信号伪码发生器生成的伪码序列为{c_l}，c_l∈{1,-1}，l＝0,1,2,…；码速率为R_c＝10.23Mcps，码片宽度为T_c＝1/R_c。

对码序列进行矩形码片波形赋形，得到伪码波形：

式中，p_Tc(t)为矩形码片波形，有：

将电文d(t)与伪码波形C(t)进行调制，得到基带扩频调制信号s_b(t)：

s_b(t)＝d(t)·C(t)

(2)码片跳时调制。跳频伪码发生器生成跳频伪码序列，控制码片选通脉冲发生器，生成码片选通脉冲，与基带扩频信号进行码片跳时调制，得到码片跳时信号。

将s_b(t)在时域上按照码片宽度T_c进行分组，每N＝16个码片分为一组，记为0,1,2,…,15个，每N＝16个码片中只有一个码片被选通，N个码片的功率就集中在一个码片上。

跳时伪码发生器生成一个跳时伪码序列{c_TH,l}，通过跳时伪码序列映射，对应于每隔NT_c时间，在第i个分组，输出一个属于{0,1,2,…,15}的数L_i，控制码片选通脉冲发生器生成码片选通脉冲p_pulse(t)。跳时伪码序列映射方法示意图如图2所示。

在时间t∈[i·N·T_c,(i+1)·N·T_c)，跳时伪码发生器生成的伪随机数为L_i。码片选通脉冲发生器生成的码片选通脉冲p_pulse(t)为：

将基带扩频信号s_b(t)与码片选通脉冲p_pulse(t)相乘，实现码片跳时调制，得到码片跳时信号s_TH(t)：

s_TH(t)＝s_b(t)·p_pulse(t)

基带扩频信号s_b(t)、跳时伪码序列{c_TH,l}、码片选通脉冲p_pulse(t)以及码片跳时信号s_TH(t)的时域示意图如图3所示。码片跳时信号s_TH(t)的基带波形如图4所示，功率谱如图5所示。

(3)射频调制。载波发生器生成射频载波，与码片跳时信号进行射频调制，生成射频信号，经放大、滤波、天线后，播发给用户。

对于具有跳时码的用户，可以进行匹配接收，提升抗干扰能力，对于没有跳时码的用户，可采用传统接收方法进行非匹配接收，匹配接收和非匹配接收的相关函数如图6所示。

本发明采用码片选通脉冲的方式，改变每组N个码片中选通一个码片的位置，实现的是等效码片跳时的效果，不改变信号的频谱。

本发明在码片层面实现码片级脉冲跳时，实现将低平均功率的连续信号变为高瞬时功率的随机脉冲位置准连续信号。具体而言，是将N个码片的功率集中到一个码片上，对于一个码周期处理而言，载波相位是连续的，能够支持基于载波相位测量的高精度应用。对于具有跳时码序列的用户，能够提升抗干扰能力10lg(N)dB。抗干扰能力的提升可通过改变N的值进行灵活调整。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。