基于辅助环路的双极性天线数据接收处理方法研究

刘畅，邰贺

(沈阳市勘察测绘研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000)

1 引 言

随着时代的进步，导航定位技术越发的成熟，我国北斗系统也即将完成全球化覆盖，多系统多星座的情况对接收机的要求更高[1]。如今GNSS已经成为几乎不可替代的定位手段，在室外环境中能够得到精度很高的定位结果，但是在一些遮挡严重的环境下获取位置仍旧受制于信号的强弱和干扰。

GNSS的信号是一种右旋极化电磁波，由于信号的这一特性，接收天线的增益性能也会选择为右旋极化[2]，然而实际上受到多路径效应的作用，接收信号会有一定的干扰，从而造成多路径误差，甚至会导致信号失锁。接收天线是数据得以获取的大门钥匙，获取更多的环境信息对数据的分析处理有很大的帮助。双极性天线具备两种独立的增益性能，不仅可以接收右旋信号还可以同步接收左旋信号，对于GNSS测量信号而言，可认为双极性天线接收直射信号和反射信号，这样便能够分析反射信号的一些特性，这就是双极性天线价值的体现，它增加了原始数据，更有益于分析处理。

对于双信号的接收处理方法，则可以通过软件接收机进行验证。在软件无线电的概念下，逐渐形成了以软件形式实现数字信号处理的接收机[3]，特定环路的软件接收机，更能适应特定的环境，甚至能够配合其他的硬件，在信号层面或者环路层面上取得更深层次的耦合。双极性天线也可以配合软件接收机，通过两个天线的独立处理或者联合数据处理，达到探测多径、削弱多径乃至辅助弱信号捕获的效果[4～7]。本研究在软件接收机平台上，设计了一种双信号处理辅助环路，探讨是否可以利用双极性天线进行信号解调，为未来多径探测或弱信号捕获提供研究依据。

2 双极性天线数据接收的处理方法

2.1 信号特性

电磁波的极化方式定义为其电场强度矢量的方向，一般通过右手来定义和判断信号的方向特性，其中符合右手螺旋的称为右旋圆极化(right-hand circular polarization，简称为RHCP)，反之则为左旋圆极化(left-hand circular polarization，简称为LHCP)[7]。GNSS所使用的载波的极化特性便是右旋圆极化性质。直射信号在经过反射界面后，相应的反射信号的极化性很有可能会发生变化，通常取决于反射体的布儒斯特角(Brewster)和电磁波的入射角度。GNSS信号经反射后，若入射角大于布儒斯特角，则反射信号呈现为左旋圆极化，反之则呈现为右旋极化[2]。如果接收天线能收集到GNSS卫星信号的极化性信息，那么就可以判断该信号是否存在有反射的情况，甚至可以推断出反射的次数，这样也可以提供更多的辅助信息。双极性天线是兼具左旋极化和右旋极化两种增益性能的接收天线，在信号接收方面，双极性天线有更好的使用前景，不仅可以接收右旋信号还可以同步接收左旋信号，为数据处理提供了更多的可能。

2.2 I/Q解调

信号的处理由接收机完成，在实现定位前，需要信号捕获和环路跟踪两个步骤。以GPS为例，接收机在成功跟踪信号前需要对信号进行捕获，一般通过接收的C/A码与本地C/A码进行相关计算，得到初始码相位和载波频率，然后启动跟踪环路，动态调整本地复制C/A码和接收信号吻合，这样就能将测量信息剥离开。其中剥离信息主要体现为导航电文的解调，通常是采用I/Q解调方法。I支路也称同相支路，是将输入信号与本地复制的正弦载波信号进行混频所生成的环路分支；Q支路称为正交支路，则是输入信号与本地复制的余弦载波信号进行混频所生成的环路分支。当锁相环锁定信号后，I支路所包含的是导航电文和一些噪声，而Q支路则基本上仅是噪声。以GPS为例，假定中频信号表示为SR，包含了经过导航电文调制的C/A码和载波，下角标R表示为RHCP，其信号表达式如式(1)：

SR=ADk(t)Ck(t)cos(2πft+θe)+eR(t)

(1)

式中，Dk(t)代表着第k颗卫星的导航电文，Ck(t)代表着第k颗卫星的C/A码，f代表GPS的L1载波频率，θe代表载波相位，eR(t)代表噪声。通过本地C/A码相关输出结果进行相干积分，可得到同相支路相干积分I和正交支路相干积分Q，分别表达为式(2)：

I=aDR(τ)sinc(feT)cos(φe)+eI

Q=aDR(τ)sinc(feT)sin(φe)+eQ

(2)

式中，R(τ)表示自相关值，fe是载波之间的频率差，φe为相位差。理论上如果锁定了信号，I与Q的值大致呈现图1的分布，根据I值判定数据码的电平，从而解调导航电文[2]。

图1 I/Q支路分布图

2.3 辅助环路

传统接收机在信号捕获后，通过锁相环技术，对载波频率误差和伪码相位的误差进行跟踪，并动态调整本地产生的载波频率和码相位，控制环路跟踪误差在一定阈值范围内。这种动态调整的环路机制，可以确保接收信号中的测量信息能够正确地获取。双极性天线同时获取到RHCP信号与LHCP信号，其中RHCP信号可使用锁相环技术进行信号跟踪，然而LHCP信号是由原始信号经物体反射后产生的，信号强度会有所损失，严重的甚至不能稳地接收，在这种情况下，锁相环无法正常工作，将无法获取测量信息。因此提出一种辅助模式应用到LHCP通道中，即由同步处理的RHCP通道传递给LHCP可用信息，如接收到的RHCP的卫星信息，码相位以及载波处理信息，同步输送到LHCP通道直接进行跟踪，若LHCP信号较弱，则去掉其环路反馈；若LHCP信号较强，则保留环路反馈。从而输出LHCP观测值信息，其流程图如图2所示。

图2 辅助环路流程图

该辅助跟踪环路为较弱的LHCP信号提供了RHCP信号剥离的信息，包括载波和码相位的值，LHCP通道利用这些值对自身信号的测量值进行剥离，从而代替了LHCP信号自身的跟踪环路。这里假定了RHCP天线与LHCP天线的相位中心一致。在进行辅助环路跟踪时，我们可以利用两个通道的信息，一方面可以辅助LHCP输出观测值，另一方面LHCP的跟踪后得到的信息也可以反过来辅助RHCP通道的跟踪，优化多径干扰下的环路。需要注意的是，辅助环路严格依靠RHCP提供的载波与码相位，然而LHCP的信号并不能严格贴合RHCP环路反馈，因此会产生相关值的下滑以及I/Q解调后产生的相位偏转，这也是需要注意的地方。

3 实验与分析

本实验采用的双极性天线为相同相位中心的天线，具备同时输出RHCP与LHCP信号的能力，如图3所示。

采用的平台为USRP+MATLAB软件接收机平台[8]，其中双子板USRP用来接收双极性天线数据，因为共用同一个晶振，保证了天线数据采集位于同一时刻[1]，如图4所示。

图3同轴双极性天线 图4USRP

本实验在真实场地(图5)离线采集了一段数据，采样频率为 2.048 M，存储为复数形式 16 bit的文件。该环境附近存在一栋高大的建筑物，确保存在反射信号的可能。

图5 数据采集场地

采集后的中频数据通过MATLAB软件接收机进行数据处理，图6为两个通道RHCP通道和LHCP通道的独立捕获情况。

捕获门限由原有的2.5更改为2.1，此时RHCP天线捕获到7颗卫星，LHCP天线捕获到1颗卫星，在接近门限值的卫星有可能存在误捕获。实际上，LHCP信号不易捕获且较为容易失锁，图7为LHCP 12号卫星独立跟踪结果图。

其中，I/Q解调结果并没有分离，相关值均偏小，导航电文无法得出，信号失锁，在采用RHCP辅助LHCP结构后，LHCP通道去除了捕获部分，码相位以及卫星情况均由RHCP通道提供，直接进入跟踪状态，图8为RHCP辅助LHCP输出的12号卫星的跟踪信息。

图6 独立捕获结果

图712号卫星LHCP跟踪信息

图8 12号卫星LHCP辅助跟踪

可以看出，辅助跟踪的效果比较可观，虽然I/Q存在一定的相位偏转，和RHCP提供的载波相位有关，但是I支路信息较为明显，导航电文可见，图9为12号卫星RHCP导航电文与辅助通道解算的LHCP导航电文对比图，虽然结果正负值产生翻转但是导航电文完全一致。

除12号卫星外，仍有几颗卫星可以通过辅助跟踪解调出可用信息，如14号卫星。图10为14号卫星RHCP辅助LHCP的跟踪信息。

14号卫星的辅助跟踪情况同12号卫星类似，I/Q解调分离清晰，导航电文比较明显。同样，说明RHCP辅助LHCP通道是可行的。然而，并不是每颗卫星都存在较强的LHCP信号，如18号卫星辅助跟踪效果就比较弱，虽然相关结果不高，但是也能体现出LHCP信号的存在，如图11所示。此分析结果与实验结果保持一致。

图1014号卫星辅助跟踪信息

图11 18号卫星导航电文信息

4 结 论

利用双极性天线的特性，提出了一种与其耦合的信号处理方法，即由RHCP通道辅助LHCP通道对信号跟踪的环路，在软件接收机平台中实现了双信号的同步跟踪和解调，并探讨了该方法的可行性和有效性。双极性天线从信号源入手增加了数据的广度，为数据分析提取打下了坚实的基础，该技术可以作为一种手段进行探测多径，辅助定位甚至计算信号的延迟，这些也是未来工作的重点。