CN101212234B - 双相偏置载频信号获取和追踪的方法及装置 - Google Patents

双相偏置载频信号获取和追踪的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双相偏置载频信号获取和追踪的方法及装置。本发明的实施例中，一接收信号产生至少一BOC信号、一BOC-cos信号以及一PRN编码信号。根据应用状态(如获取模式或追踪模式)，将BOC信号的自相关值与一交叉相关值合并，以产生一适当的合并相关性结果，交叉相关值为BOC信号与BOC-cos信号的交叉相关值以及BOC信号与PRN编码信号的交叉相关值中之一。本发明的双相偏置载频信号获取和追踪的方法及装置解决了由于多峰值的自相关性现象而导致的BOC方式在获取和追踪上的困难，有效降低了卫星导航系统间和系统内的干扰。

Description

双相偏置载频信号获取和追踪的方法及装置
【技术领域】
本发明是关于双相偏置载频(binary offset carrier，BOC)调变信号(以下简称为BOC信号)的处理，尤其是关于一卫星导航接收器在获取和追踪模式时，对BOC信号的处理方法及装置。 
【背景技术】
现今可利用的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，以下简称GNSS系统)不只一种。一个接收器支持多重规格定位服务(location basedservice，以下简称LBS)、无线多媒体通讯以及广播信号成为可预期的。以多重规格LBS为例，此种可支持GNSS信号多模态接收的接收器可以增强定位的准确度并接收更多的服务。在GNSS系统中，不同的信号频带支持不同的服务。由于愈来愈多的频带需要被支持，因此会发生频带重叠。 
全球定位系统(Global Positioning System，以下简称GPS)是美国卫星导航系统，它是一个持续传送高频无线信号的卫星网络。GPS接收器接收的信号承载了时间和距离信息，以便使用者可以在地球上精准定位。伽利略(Galileo)系统，一个新兴的欧洲卫星导航系统，提供更高的信号功率和更稳定的调变，能够让使用者即使在困难的环境下也能接收到微弱的信号。当结合两者时，Galileo和GPS将提供多达目前所使用的两倍的卫星来源数目。这个结合提供了冗余，而且对使用者也有很大的效益。除了安全与救援(Safe and Rescue；SAR)服务之外，GPS和Galileo的结合基本上会有四个频带。GPS和Galileo系统会共享某些信号频带。换句话说，GPS和Galileo会共享某些中心频率而且在相同的某些载波传送信号。举例来说，GPS L1和Galileo E2-L1-E1共享相同的频带。为了降低系统间和系统内的干扰，必须使用特定的调变方式。双相偏置载频调变(以下简称BOC)是一个广泛使用的方法。 
通过一个方波副载波乘上一伪随机噪声(pseudo-random noise；以下简称PRN)扩频码信号(以下简称为PRN码信号)可完成BOC调变。此方波的频率是PRN扩频码的码率(code rate)的倍数。图1是BOC调变的波形图。此BOC的正弦波(以下简称为BOC)信号的产生是通过混合一方波的正弦波信号和一PRN码信号，然而，BOC的余弦波(以下称为QBOC；其中Q表示正交相位)信号的产生是通过将一方波的余弦波信号和一PRN码信号混合。 
BOC信号具有一个利用副载波频率将中心频率的两个主波瓣位移的对称性分离频谱。BOC信号的特性取决于扩频码片率、副载波频率以及在一个PRN码片内的副载波相位。现有在GNSS领域内一BOC调变信号是以BOC(fc，fs)表示，其中fc为码片率；fs为副载波的频率。然而fc、fs一般表示参考频率1.023MHz的倍数。因此，BOC信号也可用BOC(n，m)表示，其中n为PRN码片率fc(1.023MHz)的倍数；m为副载波fs(1.023MHz)的倍数。 
对于卫星信号导航而言，BOC信号较适合应用于追踪白噪声(white noises)。此方式与独立扩频码相比较，提供了较佳的固有多径缓解(multipath mitigation)。然而，由于多峰值的自相关性现象使得BOC方式在获取和追踪上显得较为困难。存在BOC信号里的副载波在BOC自相关性的-1/+1码片范围内引起了次峰值的产生。图2是关于BOC(1，1)自相关性的示意图。也就是说，对BOC(1，1)和BOC(1，1)进行相关性计算。如图所示，中央的主峰值的两侧分别具有一谷值。为计算其相关功率，通常使用相关平方值。因此，从相关功率的角度来看，两个谷值将导致两个次峰值。而这样的次峰值将可能会导致失锁(mis-lock)问题。也就是说，一个接收器可能锁定次峰值而不是主峰值，因此造成错误的追踪。在范围测定时可能产生一个接近150米的严重误差，这样的错误在导航中是不被允许的。 
另外，BOC相关性结果的主波瓣(主峰值)的宽度会影响接收器在信号获取和追踪时的性能。若主波瓣窄，则有益于追踪及定位，因为能够追踪到一个较精准的码相位。但是窄的主波瓣会使信号获取困难，因为窄的相关性计算功能会导致较细微的码相位搜寻间隔，而需要较长的获取时间。 
【发明内容】
因此，本发明提供了一种可以解决以上技术问题的BOC信号获取和追踪的装置及方法。 
依据本发明的一实施例的BOC信号获取和追踪的装置，包含：载波单元，用于产生载波；码单元，用于产生包含例如至少一个BOC副载波和一BOC的余弦副载波(BOC-cos)的多个副载波，以及一PRN码，并输出BOC副载波以及BOC余弦副载波与PRN码两者中的一者；以及码延迟估计器，用于接收一信号，通过利用来自载波单元的载波从所接收的信号中移除载波成分，利用BOC副载波产生接收到的信号的BOC信号并利用BOC余弦副载波和PRN码之一产生接收到的信号的BOC余弦信号或PRN编码信号，计算BOC信号的一自相关值及BOC信号与BOC余弦信号和PRN编码信号其中一者的交叉相关值，并将前述自相关值和前述交叉相关值合并以产生一合并相关值。此BOC信号获取和追踪装置进一步具有一用于控制载波单元、码单元以及码延迟估计器的控制器。控制器控制码单元以输出BOC余弦副载波或者PRN码。举例而言，在信号获取模式下，控制器控制码单元输出BOC副载波和BOC余弦副载波；而在信号追踪模式下，控制器控制码单元输出BOC副载波及PRN码。因此，码估计器能够基于内建的算法适当产生一合并相关值。 
依据本发明的一实施例的BOC信号获取和追踪方法，包含：接收一信号；产生一载波；产生的载波包括至少一BOC副载波和一BOC余弦副载波以及一PRN码；输出BOC副载波并选择输出该BOC余弦副载波与前述PRN码之一；通过利用所述载波从接收信号中移除载波成分；利用BOC副载波产生接收信号的BOC信号；利用BOC余弦副载波和PRN码之一产生接收信号的BOC余弦信号或PRN编码信号；计算BOC信号的自相关性结果；计算BOC信号与BOC 余弦信号的交叉相关值或BOC信号与PRN编码信号的交叉相关值；以及将自相关值与交叉相关值合并以产生一合并相关值。举例来说，在信号获取模式下，输出BOC副载波及BOC余弦副载波；而在信号追踪模式下，输出BOC副载波及PRN码。因此，可以基于内建的算法适当产生合并相关值。 
本发明提供的BOC信号获取和追踪的装置及方法，通过依据不同的模式产生不同的合并相关值。解决了由于多峰值的自相关性现象而导致的BOC方式在获取和追踪上的困难，有效降低了卫星导航系统间和系统内的干扰。 
【附图说明】
图1显示BOC信号和BOC-cos信号的产生的波形图。 
图2是BOC(1，1)自相关性的相关性结果的示意图。 
图3是BOC(1，1)/PRN码交叉相关性的相关性功率、BOC(1，1)自相关性的相关性功率，以及前述二者以特定系数合并的相关性功率的波形图。 
图4是BOC(1，1)自相关的相关性功率、BOC(1，1)/QBOC(1，1)交叉相关的相关性功率、以及前述二者以特定系数合并的相关性功率的波形图。 
图5是根据本发明的BOC信号获取和追踪装置的方框图。 
【具体实施方式】
为让本发明的以上和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。 
如前所述，由于副载波引起的BOC信号次峰值是不希望有的。移除次峰值的一种方法即合并相关性函数。如图3所示，BOC(1，1)的自相关(即BOC(1，1)与BOC(1，1)进行相关性计算)的相关性功率产生了具有一个主峰和两个侧峰(或次峰)的曲线。另外，BOC(1，1)与PRN码的交叉相关产生具有两个侧峰而没有主峰的曲线。通过适当合并BOC(1，1)自相关值(即BOC(1，1)/BOC(1，1))和BOC(1，1)与PRN码(即BOC(1，1)/PRN) 的交叉相关值，可有效去除侧峰。相关性合并函数可通过下式表达： 
Rcombi＝R2 BOC/BOC(τ)-α×R2 BOC/PRN(τ)(1) 
其中τ是码片的码延迟，α为可变系数。在图3中，使用的是BOC(1，1)以及α为1.4。如图所示，该合成相关性功率曲线具有一明显高峰而较窄的主波瓣，而无侧峰。为取得较高的精准率，此函数比较适合用在信号追踪上。 
具有一宽主波瓣的相关性曲线比较适合用来迅速获取一信号。一种取得宽相关性函数而降低侧峰的方法是合并BOC自相关值和BOC与BOC-cos(QBOC)的交叉相关值。图4所示为BOC(1，1)自相关的相关性功率、BOC(1，1)/QBOC(1，1)交叉相关的相关性功率、以及前述二者以特定系数合并的相关性功率的曲线。通过一适当系数将前述二者合并，可以取得具有一宽主波瓣的合并相关性结果。合并函数可以由下式表达： 
Rcombi＝R2 BOC/BOC(τ)+β×R2 BOC/QBOC(τ)(2) 
其中τ是码片的码延迟，β为可变系数。在图4中，是采用BOC(1，1)及QBOC(1，1)，且β为0.8。如图所示，此合成相关具有一个宽形主波瓣。尽管仍有侧峰存在，但侧峰已经有一定程度的缩减并且比较平滑。此函数适合于信号的获取。值得注意的是，在任一种相关性合并中，系数(α，β)都可以根据实际需要加以变化。 
图5是根据本发明的BOC信号获取和追踪装置的方框图。此装置可以作为一GNSS信号接收器(如一GPS接收器)的一部分实行。例如，此装置接收来自GNSS信号接收器的一RF前端的输入中频(IF)数据。如图所示，载波单元10提供一个载波信号至载波混频器102及104以移除数据的中频成分。此载波信号可通过一个由载波数控振荡器12实现的本地振荡器产生。相位偏移器14 用以进行相位偏移。信道I和信道Q中已移除中频成分的信号分别传送至混频器202、204以及206、208。码单元20包含用于提供一码信号的码数控振荡器(numeral controlled oscillator，NCO)22、用于接收来自码数控振荡器22的码信号以产生PRN码的PRN码产生器24、以及脉冲整形单元25。脉冲整形单元25接收PRN码，并通过利用PRN码产生BOC副载波和BOC-cos副载波。这些副载波是通过脉冲整形单元25中的副载波产生器252产生的。脉冲整形单元25输出BOC副载波，同时输出BOC-cos副载波与PRN码中之一。脉冲整形单元25具有一多工器254，其接收BOC-cos(QBOC)副载波和PRN码，并选择输出其中之一。 
BOC副载波被传送至混频器202及206，以在信道I和信道Q中产生BOC信号。多工器254选中的输出被传送至混频器204和208。当选中的输出是BOCcos副载波频率时，即会产生一BOC-cos(QBOC)信号。当选中的输出是PRN码时，则会产生一PRN编码信号。混频器202、204、206、208的输出被分别传送至积分与倾印单元302、304、306、308以做积分与倾印的处理。接着将积分与倾印单元302、304、306、308的积分结果传送至合并单元40。合并单元40通过合并来自积分与倾印单元302、304的积分结果以在信道I获得组合相关性，并且合并来自积分与倾印单元306、308的积分结果以在信道Q获得组合相关性来合成积分结果。合并单元40根据方程式(1)或方程式(2)合并前述积分结果。本实施例中的系数α或β是由合并单元40所决定的。此外，系数α或β也可以由外部传送至合并单元40。 
合并单元40的一输出被传送至一鉴别器50，鉴别器50从接收到的相关值中输出一追踪误差反馈给载波单元10及码单元20，以使这些单元能执行适当的调节。混频器102、104、202、204、206、208，积分与倾印单元302、304、306、308，合并单元40以及鉴别器50构成了一码延迟估计器100。 
依据本发明的BOC信号获取和追踪装置还包含一控制器60。控制器60控制载波数控振荡器12、码数控振荡器22以及多工器254。例如，控制器60控 制多工器254在信号获取模式时输出BOC-cos信号并在信号追踪模式时输出PRN码。控制器60能接收外部命令并相应地控制各单元。在另一实施例中，使用于合并单元40的系数α或β是由控制器60所决定。 
虽然本实施例描述BOC的正弦波信号(BOC信号)、BOC-cos信号(QBOC信号)，以及PRN码，但也可使用其它信号组合，例如BOC信号及其BOC谐波信号和/或BOC-cos谐波信号。所谓的BOC谐波信号表示具有频率为fs的倍数的BOC信号，举例来说，BOC副载波的双频谐波副载波可用BOC-sin(2fs)来表示，且BOC-cos副载波的双频谐波副载波可用BOC-cos(2fs)来表示。依此类推。 
另外，以上实施例中，码单元20输出PRN编码、BOC副载波以及BOC-cos副载波。然而，除了PRN码及前述两种副载波，更多副载波(如BOC及BOC-cos副载波的谐波)，均能通过码单元20产生并输出。多工器254可在控制器60的控制下从PRN码以及多个副载波中输出被选中的一个或多个。 
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限制本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种双相偏置载频信号获取和追踪装置，包括：
一载波单元，用以产生一载波；
一码单元，用以产生双相偏置载频副载波、双相偏置载频副载波谐波以及PRN码，并输出所述双相偏置载频副载波，以及根据控制信号，选择输出所述双相偏置载频副载波谐波或者所述PRN码；
一控制器，用以生成所述控制信号，以控制所述码单元输出所述双相偏置载频副载波谐波或者所述PRN码；以及
一码延迟估计器，用以接收一信号，利用来自所述载波单元的载波将一载波成分从所述接收信号中移除，通过接收的所述双相偏置载频副载波计算所述双相偏置载频信号的自相关值，通过接收的所述双相偏置载频副载波谐波或者所述PRN码计算交叉相关值，以及将所述自相关值与所述交叉相关值合并，以产生一合并相关值。
2.如权利要求1所述的双相偏置载频信号获取和追踪装置，其特征在于，所述双相偏置载频副载波谐波包括关于所述双相偏置载频副载波的一双相偏置载频的余弦副载波，或关于所述双相偏置载频副载波的双相偏置载频的余弦副载波的一谐波。
3.如权利要求1所述的双相偏置载频信号获取和追踪装置，其特征在于，在信号获取模式中，所述控制器控制所述码单元输出所述双相偏置载频副载波谐波。
4.如权利要求1所述的双相偏置载频信号获取和追踪装置，其特征在于，在信号追踪模式中，所述控制器控制所述码单元输出所述PRN码。
5.如权利要求1所述的双相偏置载频信号获取和追踪装置，其特征在于，所述码单元进一步包含：
一码产生器，用以产生所述PRN码；
一副载波产生器，用以产生所述双相偏置载频副载波；以及
一多工器，用以接收所述双相偏置载频副载波谐波和所述PRN码，并输出所述双相偏置载频副载波谐波以及所述PRN码之一。
6.如权利要求1所述的双相偏置载频信号获取和追踪装置，其特征在于，所述码延迟估计器包括一合并单元，当所述码单元输出所述PRN码时，所述合并单元通过平方所述双相偏置载频信号的自相关值、平方所述双相偏置载频信号与所述PRN码的交叉相关值，并从所述自相关平方值中减去经过一系数相乘后的交叉相关平方值来产生所述合并相关值。
7.如权利要求1所述的双相偏置载频信号获取和追踪装置，其特征在于，所述码延迟估计器包括一合并单元，当所述码单元输出所述双相偏置载频副载波谐波时，所述合并单元通过平方所述双相偏置载频信号的自相关值、平方所述双相偏置载频信号与双相偏置载频谐波信号的交叉相关值，并将经过一系数相乘后的所述交叉相关平方值添加到所述自相关平方值中来产生所述合并相关值。
8.一种双相偏置载频信号获取及追踪方法，包含：
接收一信号；
产生一载波；
产生双相偏置载频副载波、双相偏置载频副载波谐波以及PRN码；
输出所述双相偏置载频副载波，同时根据控制信号，选择输出所述双相偏置载频副载波谐波或者所述PRN码；
利用所述载波从所述接收信号中移除一载波成分；
利用所述输出步骤中的所述输出产生所述接收信号的双相偏置载频信号、双相偏置载频谐波信号；
计算所述双相偏置载频信号的自相关值；
计算所述双相偏置载频谐波信号或所述PRN码与所述双相偏置载频信号的交叉相关值；以及
合并所述自相关值与各交叉相关值以产生一合并相关值。
9.如权利要求8所述的双相偏置载频信号获取和追踪方法，其特征在于，在信号获取模式中，选择输出所述双相偏置载频副载波谐波；在信号追踪模式中，选择输出所述PRN码。
10.如权利要求8所述的双相偏置载频信号获取和追踪方法，其特征在于，所述双相偏置载频副载波谐波包括关于所述双相偏置载频副载波的一双相偏置载频的余弦副载波，或关于所述双相偏置载频副载波的双相偏置载频的余弦副载波的一谐波。
11.如权利要求8所述的双相偏置载频信号获取和追踪方法，其特征在于，当输出所述PRN码时，所述合并相关值是通过平方所述双相偏置载频信号的自相关值、平方所述双相偏置载频信号与所述PRN码的交叉相关值，并从所述自相关平方值中减去通过一系数相乘后的交叉相关平方值产生。
12.如权利要求8所述的双相偏置载频信号获取和追踪方法，其特征在于，当输出所述双相偏置载频副载波谐波时，所述合并相关值是通过平方所述双相偏置载频信号的自相关值、平方所述双相偏置载频信号与所述双相偏置载频谐波信号的交叉相关值，并将通过一系数乘方后的交叉相关平方值添加到所述自相关平方值中产生。
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