引文格式：阎逸尧，邓晖，杨东凯，等. BDS MEOSAR接收机的设计与实现[J]. 导航定位学报, 2020, 8(4): 68-73.（YAN Yiyao， DENG Hui, YANG Dongkai, et al. Design and implementation of BDS MEOSAR receiver[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(4): 68-73.）BDS MEOSAR接收机的设计与实现
阎逸尧1，邓 晖1，杨东凯1，张 波1，景贵飞2
（1. 北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；
2. 北京航空航天大学 北斗丝路学院，北京 100191）
摘要：为了改进我国中轨道卫星搜救信号的接收设备不足的现状，以及进一步满足地面系统工程建设的测试验证需求，设计出北斗卫星导航系统（BDS）中轨道卫星搜救信号接收机，通过数据采集模块、信号检测模块、载波同步模块以及霍拉里斯（BCH）译码模块等共同实现搜救信号的接收处理。实验结果表明，该接收机可成功检测到中轨道卫星搜救信号，完成捕获跟踪并解调出有效信息实现定位。
关键词：中轨道卫星搜救系统；搜救信标；软件接收机；北斗卫星导航系统；全球卫星搜救系统
0 引言
全球卫星搜救系统（cospas-sarsat，C/S）是由美国、苏联、加拿大和法国联合发起的公益性全球卫星遇险报警系统，旨在全球范围内提供免费的遇险报警服务。鉴于静止轨道卫星搜救系统（geostationary Earth orbit search and rescue satellite system, GEOSAR）的技术局限和低极轨道卫星搜救系统（low-altitude Earth orbit search and rescue satellite system, LEOSAR）空间资源的不足，以及2者在传输实效性和定位精确度方面存在的缺陷，对搜索救援行动的影响日趋明显，C/S组织提出在中轨道导航卫星上搭载搜救载荷，以实现更高定位精度和更短等待时间，同时解决了卫星资源和轨道资源短缺的问题。自2000 年开始，C/S组织密切关注全球中轨道卫星导航系统的发展，并积极鼓励美国、俄罗斯和欧盟在各自的中轨道卫星导航系统中加入406 MHz国际遇险报警业务。2018年2月，C/S委员会同意将北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）纳入到全球中轨卫星搜救系统（medium-altitude Earth orbit search and rescue satellite system，MEOSAR）中[2]。2018年9月，BDS第 37颗及第38颗卫星进入预定轨道，这是我国首次发射装载搜救载荷的BDS导航卫星，同时BDS MEOSAR 地面系统工程也正式展开建设。目前针对 MEOSAR 搜救信号的接收处理，已有法国 Orolia Maritime 公司研制的 McMurdo SARSAT MEOLUT 和美国 Honeywell 公司生产的 MEOLUT-600[3] ，而国内还处于实现接收设备从无到有的起步阶段。本文设计的接收机是基于BDS中轨道卫星搜救信号的接收处理，以软件方式实现对搜救信号的检测和接收，可成功解调出信标信息，同时满足地面系统工程建设中，有效载荷的质量检测需求，即测试载荷各项指标是否满足在轨运行期间的设计要求，完成稳定性、可靠性试验。1 MEOSAR系统及其信号格式
本文设计的BDS MEOSAR 接收机是针对MEOSAR搜救信号的，下面介绍MEOSAR系统组成及搜救信号格式。1.1 MEOSAR 系统组成
如图1所示，MEOSAR 系统主要由3大部分组成：遇险位标、空间段和地面系统[4]。
图1 MEOSAR系统组成
遇险位标（一代/二代）：简称“信标”，具备 406 MHz 搜救信号的发射功能，在遇险事件发生时，以主动或被动方式触发援救信号。空间段（搜救卫星星座）：搭载转发器的卫星，用以接收遇险信标发出的406 MHz 搜救信号，并以1 544～1 545 MHz的下行频率向地面系统进行透明转发。地面系统：主要由中轨地面用户终端 （medium-altitude Earth orbit local user terminal，MEOLUT）和搜救任务控制中心（search and rescue mission control centre，SAR MCC）组成。MEOLUT接收和处理卫星下行链路信号以生成遇险告警，SAR MCC接收由 MEOLUT 产生的警报并将它们进一步发送至救援中心。1.2 搜救信标信号体制
406 MHz遇险信标由数字消息产生器、调制器和406 MHz发射器组成。信标消息为脉冲式 曼彻斯特（Manchester）编码信号，调制方式为二相移相键控（binary phase shift keying, BPSK）调制，信标信号编码和调制方式如图2所示。信标在传输信息的同时，也将携带的时钟同步信号一起传输，因此具有良好的自同步能力和抗干扰性能。
图2 信标信号编码和调制方式
信标消息格式分为长消息和短消息2类[5]。2类消息的前15位固定为全“1”的编码，作为位同步使用，16到24位为帧同步。位25是格式标志位，值“0”表示短消息；值“1”表示长消息。信标消息字段采用霍拉里斯代码（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem code,BCH）纠错码进行编译。具体信号参数如表1所示。表1 信标信号参数
项目名称 | 项目数值 |
信标发射频率/MHz | 406.0~406.1 |
脉冲发射时间间隔/s | 0.5~120 |
发射功率 | 22~39 dB·m，步进0.5 dB |
总传输时间/ms | 短消息传输时间为440±1 %；长消息传输时间520±1 % |
脉冲重复速率范围/s | 50±2.5 |
未调制载波时间/ms | 160±1 % |
多普勒频移范围/kHz | ±200 |
多普勒频移变化率范围/(Hz·s-1) | ±10 |
码速率/(bit·s-1) | 400±1 % |
数字信息格式 | 短消息112 bit，（280±1 %）ms 长消息144 bit，（360±1 %）ms |
2 BDS MEOSAR接收机设计
主要包括数据采集模块、信号检测模块、载波同步模块以及BCH译码模块等4个模块，共同完成搜救信号的接收处理。
图3 接收机设计系统
2.1 数据采集模块
数据采集模块的主要功能是完成搜救信号从模拟到数字的转换，通过4通道数据采集卡对10 MHz的中频信号进行采集存储。2.2 信号检测模块
信号检测模块的主要功能是，检测是否存在遇险信标信号并估计出数据比特起始位。由于搜救信号为猝发式且持续时间极短，周期不确定，因此信号检测十分必要。此模块采用双滑动窗口法，即取2相邻窗口，以一定步进滑动，当2个窗口都只包含噪声时，它们的和与比值均是恒定的；当猝发信号逐渐进入第1窗口中，其能量逐渐增大，此时第2窗口只包涵噪声，2个窗口的能量比值逐渐增大；当第1窗口刚好全部为猝发信号、第2窗口全部包涵噪声时，2个窗口的能量比值达到最大；此后第2窗口逐渐包含猝发信号，2个窗口的能量比值逐渐下降。因此，2个窗口数值的比值最大时刻即为猝发信号的起始时刻。2.3 载波同步模块
载波的捕获跟踪过程在信号出现的时刻即开始启动，由于搜救信号持续不足1 s，且信号本身存在较大多普勒频移，所以其载波同步方法不同于常规BDS导航信号的接收处理[6]。当接收信号多普勒频移较大时，如果直接使用科斯塔斯（Costas）环进行猝发信号的捕获，同步时间较长且极有可能出现环路还未收敛信号就已结束的情况。除此之外，要对此类信号进行捕获，必须增加Costas环的环路带宽，以保证较大频偏或者带有频偏变化率的信号进入环路的捕获带内，但这会导致其精度难以满足系统性能要求[7]，且环路噪声功率也会随带宽的增大而增加，当噪声强度超过环路的噪声容限时，环路将进入失锁状态，无法完成载波跟踪[8]。因此考虑先进行载波频偏的预估计，然后再进行精确跟踪。传统的频率估计算法是直接对未分段的数据进行快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT），其结果的相关峰值衰减严重；因此，本设计采用短时相关匹配滤波器和FFT结合的信号捕获算法，由匹配滤波器及FFT运算模块组成。当多段匹配滤波并结合FFT 模块后，相关峰值的衰减变得缓慢，这会增加多普勒偏移的搜索范围。在信号的跟踪阶段，本地载波数控振荡器（numerical controlled oscillator, NCO）输出与接收信号混频后，经过低通滤波器可滤除高频分量，当接收信号与本地信号同步时，滤波器将输出直流信号。由于信标采用Manchester编码方式，每一比特中间都会有符号的跳变，设计积分模块可消掉跳变的影响。鉴相器用于鉴别本地载波与接收信号载波之间的差异，设计采用4个象限的反正切鉴相器，实现将差异反馈给载波NCO，载波NCO根据该差异调节本地载波，使其与接收信号载波保持一致。在跟踪环路的选择上，一般会考虑设计的复杂程度，当采用2阶Costas环实现环路滤波时，可以实现跟踪10 Hz以内的多普勒频移。多普勒变化率将产生一定的稳态相差，进而给数据解调带来误差，为克服2阶环路的这个缺点，采用3阶环路对频偏进行预估计，之后对较小的多普勒频移进行跟踪。仿真实验结果表明，3阶环路的入锁时间更短，更适于搜救信号的跟踪。2.4 BCH 译码模块
二进制的BCH译码一般采用彼得森（Perterson）算法、欧几里德（Euclid）算法和布勒卡普-梅西（Blekamp-Massey,BM）算法。对于纠错数较大的BCH译码器，一般采用BM算法和 Euclid算法，但相较于 Euclid 算法的复杂性，BM迭代算法较为简单。过程分为3步：①通过接收多项式计算伴随式；②由伴随式求差错位置多项式；③利用钱氏搜索法确定错误的位置，并对错误进行纠正。译码过程的关键在于第2步，通过伴随多项式的系数求错误位置多项式的系数 (为最多可纠正的错误个数），这一步若通过解线性方程组来求，计算量将会很大，当码长较长、纠错能力较大时，计算量也随之加大。BM算法解决了求的速度问题，工程上解决了BCH的译码问题[10]。3 BDS MEOSAR接收机的实现及测试
2018年10月8日—15日在北京市云岗进行了实际数据采集，采用国际卫星搜救系统标准信标为系统提供全链路测试环境。3.1 数据采集及信号检测
数据采集模块包含4个通道，最高支持每秒12 500万次的采样速率。模拟信号输入采用交流耦合方式，输入阻抗为50 Ω，满刻度输入电平峰峰值为2 V。模拟数字转换精度为14位偏置码，与主机传输速率高达1.2 GB/s。当开机接收时，2相邻滑动窗口长度取0.1 s，均以1 ms 的步进滑动。图4所示为本次测试数据接收处理的结果。检测到信号起始时刻和终止时刻分别为1 110.53和1 633.33 ms，总传输时间522.8 ms，满足长消息格式信标传输时长标准。
图4 信号检测结果
3.2 数据同步及解调
接收处理采样频率为100 MHz，量化比特为16位。搜救信号的前160 ms信号为单载波信号，之后的信号是调制信号。通过参数调试，以及FFT点数至少为2倍的匹配滤波相关器个数时效果最佳的原则，最终选定FFT点数81 920，匹配滤波相关器个数40 000，部分相关器长度200。求解的载波频偏的估计值即傅里叶变换最大值为80 919 Hz，如图5所示。
图5 FFT最大值及其位置
跟踪环路参数设计如表2所示。
表2 跟踪环路参数设计
载波NCO参数设计 |
| 低通滤波器参数设计 |
| 环路滤波器参数设计 |
参数名 | 参数值 | 参数名 | 参数值 | 参数名 | 参数值 |
NCO驱动时钟/MHz | 100 | 椭圆滤波器阶数/阶 | 15 | 阻尼系数 | 0.707 |
相位累加器位宽 | 32 | 通带最大衰减/dB | 0.1 | 环路自然角频率/Hz | 18 |
频率分辨率 | 0.0233 | 阻带最小衰减/ dB | 60 | 环路更新时间/ms | 1.25 |
初始频率字 | 429 076 209 | 通带截止频率/MHz | 10.50 | 环路等效噪声带宽/Hz | 14.12 |
相干积分时间/ms | 1.25 | 阻带起始频率/MHz | 10.58 | 锁定范围/Hz | ±15 |
跟踪结果如图6所示。解调出数据信息的2值化结果与发送数据的比对结果如图7所示，结果表明，接收处理系统可成功跟踪信号，并可将原始信号正确解调且跟踪性能良好，跟踪频率准确，入锁时间短。
图6 跟踪结果
图7 解调结果
3.3 译码
测试采用 BM 迭代算法进行译码，根据信标信号体制分别进行（82,61）和（38,26）的BCH译码。图8所示为BCH 译码结果及各字段标准含义，结果与字段标准含义相符，表明接收机可成功纠错译码。其中：前24 位为固定的位同步、帧同步字段；第25位为1，表明此消息为长消息格式；第26 位为0，表明此信标采用标准位置协议或国家位置协议；第 41 位到第85位为信标类别标识以及编码的位置信息；第113位到第132位为经纬度的偏移量。4 结束语
在搜索救援行动中，BDS中轨道卫星搜救系统与低极轨和静止轨道卫星相比，可以实现更高定位精度和更短等待时间，可以解决卫星资源和轨道资源短缺的问题；接收机是实现其功能、确保其发挥作用的核心。本文在分析信号结构、接收模块的基础上，给出了详细的设计和实现过程，测试结果证明了其有效性。
图8 BCH译码结果
参考文献（略）
第一作者简介：阎逸尧（1994—），女，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为卫星导航。