CN102023299B - 一种抑制多径的相关器方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制多径的相关器方法，以Strobe相关器为基础，利用两组早迟码E₂、E₁、P、L₁、L₂构成相关器，由码环部分经过累加存储器后的输出结果，得到

代入Strobe相关公式

得到相关结果。其特征是将输入到模式鉴别器中，当

则为同相多径，此时，在相关公式中增加一个修正因子项：

来克服现有Strobe相关器对于短多径无能为力的缺点，而且提高了定位精度，尤其对于在城市环境中的GPS定位存在严重的多径干扰的情况有很大的意义。

Description

一种抑制多径的相关器方法

技术领域

本发明涉及GPS系统中的相关器(correlator)，尤其是一种抑制多径的相关器方法，属于GPS通信技术领域。

背景技术

GPS卫星发射的信号为将伪码(C/A码)和导航数据码调制在载波上所得到的信号。现代通用的数字GPS接收机主要由GPS天线、变频器、基带信号通道和数据输出等组成，完成信号的接收、捕获、跟踪、解调和定位解算等功能。基本的工作流程为：GPS天线接收所有可见GPS卫星信号，并将微弱电磁波转化为微弱电流，然后通过前置低噪声放大器对GPS信号电流进行放大，接着通过变频转换将高频信号下变频为中频数字信号后送入各个接收的数字基带信道进行处理。这个处理过程为：首先捕获模块通过对所有不确定的C/A码的时延和所有不确定的多普勒频移完成二维搜索，从而找到可视卫星、近似的C/A码延迟和多普勒频移，然后将结果输入到跟踪模块，而跟踪模块主要完成C/A码、相位和多普勒频移的跟踪，从而获得这些参数的精确估计值。采用相位和多普勒频移的估计来复制本地载波频率与接收到的数字信号的载波频率一致，从而去掉载波，得到C/A码和导航数据码，此为载波跟踪环路；利用估计的码延迟通过相关器的运算来得到超前码E、即时码P和滞后码L，从而复制本地C/A码和接收到的数字信号中的C/A码一致，进而去掉C/A码，此为码跟踪环路，其和载波跟踪环路统称为跟踪环路。然后得到导航数据，导航数据中包含了卫星的位置以及卫星信号的发射时间，结合本地时间我们可以得到卫星信号从卫星到接收机的传播时间，乘以光速后得到伪距(这个距离里面有诸如大气时延、接收机时钟误差以及接收机的测量误差等等所引起的距离上的偏差，故称其为伪距。)，至此我们得到了卫星位置和伪距，我们至少要4颗卫星的数据，就可以联立解方程组来得到接收机所在的位置，此为解算过程。

实际的GPS测量中，接收机天线接收的信号包括直接来自卫星方向的直达信号和直达信号经过一次或多次在接收天线四周的反射面反射后得到的信号，即多径信号，多径信号和直达信号的传播路径不同，因此有不同的幅度、相位和时延，从而导致合成信号的波形发生扭曲，从而影响定位精度，产生定位误差。对多径抑制方法的研究通常从空域、环路和数据后处理三个方面进行，空域抑制方法着眼于尽量减少接收机天线对多径信号的接收，如调整天线的摆放位置；环路抑制方法则是从环路内部的算法上考虑，或者估计出各个多径的参数并将其从合成信号中除去，或者由改进的相关器设置和码环相关器来直接获得多径被抑制后的结果；数据后处理方法则是通过一些滤波方法来减少多径的影响，如卡尔曼滤波、小波变换等等。它们各有利弊，一个完善的多径抑制策略往往是考虑设计目标后对这些方法的综合运用。在接收机内部环路的数字信号处理过程中采取多种措施来抑制多径效应显得相当现实和有效。

而跟踪环路抑制方法中一种代表性的为Strobe相关器，这是一种软件实现方法。它是一种双Δ相关器，它利用两组早迟码E₂、E₁、P、L₁、L₂所构成的一种相关器，它可以看成由一个早迟间隔为d的窄相关相关器和一个早迟间隔为2d的较宽相关器构成，由码环的相关器的输出结果，我们可以得到

代入Strobe公式：

得到相关结果，此即Strobe相关器。

Strobe相关器对于长多径的抑制效果很好，但是在码相位偏移较小时，误差依然较大，即现有的Strobe对于短多径的抑制效果并不明显。

发明内容

针对现有Strobe相关器对于迟延小于d的短多径无能为力的缺点，提出一种抑制多径的相关器方法。这种方法细化对于同相情况下多径的分类建模，在现有Strobe相关器的基础上增加了一个修正因子，使其在更加广阔的延迟范围内具有多径抑制作用。

本发明采取的技术方案是：一种抑制多径的相关器设计方法，以跟踪环路抑制方法的Strobe相关器为基础，环路中的三个复制码：第一超前码、即时码、第一滞后码，即E₁、P、L₁，它们两两之间的间隔为1/2码片(即1/2chip)，而第二超前码、即时码、第二滞后码，即E₂、P、L₂，它们两两之间的间隔为1码片，经过载波剥离的输入信号I分别与它们相乘，相乘的结果经过累加和存储器后得到输出值信号功率的第二超前分量、第一超前分量、即时分量、第一滞后分量和第二滞后分量，即

将代入Strobe公式：获得相关结果，其特征在于：

将

输入到模式鉴别器中，当

为同相多径，此时，增加一个修正因子：

相关公式表达为：

$D_{\mathrm{corr}-\mathrm{in}-\mathrm{phase}}=D_{\mathrm{strobe}}+D_{\mathrm{\δ}-\mathrm{in}-\mathrm{phase}}$

$=2(I_{E_1}-I_{L_1})-(I_{E2}-I_{L2})+\frac{d}{2}\·\frac{(I_{E_1}-I_{E_2})-(I_P-I_{E_1})}{(I_{E_1}-I_{E_2})+(I_P-I_{L_1})}$

式中：D_{corr-in-phase}表示本发明带有修正因子的Strobe相关器表达式；D_strobe表示现有Strobe相关器表达式；D_δ-m-phase表示本发明的修正项。

与现有Strobe相关器相比，带有修正因子的Strobe相关器有如下优点：

1)带有修正因子的Strobe相关器更加深入的发掘了多径信号的特征，进一步对同相多径下的误差进行修正，提供了相关器在短多径下的抑制性能。

2)同相多径情况下，增加的修正因子的Strobe相关器使得相关结果不依赖于对噪声的估计，提供更加精确的码相位估计，从而得到更加精准的定位，这个性能对于城市环境中的定位意义很大。

3)本发明环路的多径抑制方法，同样利用了5个相关器的输出值，和现有Strobe相关器相比，它在提高性能的同时，并没有增加额外的硬件消耗。

4)当Strobe相关器工作正常，即工作在延迟大于d(d为一个C/A码码片的长度。)的长多径下时，修正项δ为0，不对相关结果产生影响；而当其工作在延迟小于d的短多径下时，

此时修正因子起到减少误差的作用。

附图说明

图1是GPS系统中多径信号产生的示意图；

图2是同相多径信号和反相多径信号与直达信号叠加后的示意图；

图3是Strobe相关器中相关三角的示意图；

图4是现有Strobe相关器的实现过程，包括预处理过程和现有Strobe相关器；

图5是存在一条延迟为0.15chip的多径信号的情况下，此时得到的直达信号、同相多径信号和合成信号的示意图，图中表明了合成后的信号分为五段；

图6是存在一条延迟为0.15chip的多径信号的情况下，此时得到的相关三角形发生畸变，

在相关三角形上的位置也发生变化；

图7是本发明相关器的实现过程，包括预处理过程和本发明相关器，这里只画出了同相之路I部分的操作，正交之路Q的操作是一样的。

具体实施方式

参看图1，卫星101发出信号，一部分为直达信号102，直接到达接收天线103；而另一部分则经过地平面或者其他建筑物105反射后到达天线，此即多径信号104，多径信号干扰了定位的精度。

参看图2，根据多径信号的相位和直达信号的关系，可以将多径信号分为同相信号和反相信号两种，图中给出了两种信号以及他们分别和直达合成后的信号的示意图。

参看图3，相关器输出的相关三角如图，而不同的相关间隔可以得到不同的超前分量和滞后分量，图中d1＝d，d2＝2d，d为一个C/A码码片的间隔，理想情况下，分别得到的E₂、E₁、P、L₁、L₂在相关三角上位置如图；若存在多径，他们的位置就会发生变动，就不是两边对称的位置。

现有Strobe相关器，参看图4，包括：输入信号401、本地振荡器402、伪随机噪声码发生器403、乘法器404、累加&存储器405、现有Strobe相关器406。其中401～405为预处理部分，将得到的结果

输入到现有Strobe相关器406，从而得到相关结果。

参看图5，当多径延迟Δτ_m＜d时，锁定峰值P位于实际峰值的右边，受多径干扰，不在同一条直线上，但是由于窄相关间隔d较小，

始终处于同一条直线上，此时就产生了鉴相误差

因此只要能对该误差进行正确估计，并且作为修正项加到现有Strobe相关器表达式上，就能使其辨认出Δτ_m＜d时的误差。

同相多径干扰下，为方便起见，设直达信号的幅值为a，多径信号的幅值为b，延迟为Δτ_m，则可得到直达信号和多径信号的表达式分别为：

$S_{\mathrm{LOS}}=\left\{\begin{array}{cc}a(x+1)& x\≤0\\ -a(x-1)& x>0\end{array}\right.$

$S_{\mathrm{multipath}}=\left\{\begin{array}{cc}b(x+1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)& x-{\mathrm{\Δ\τ}}_m\≤0\\ -b(x-1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)& x-{\mathrm{\Δ\τ}}_m>0\end{array}\right.$

根据在各个区间段直达信号和多径信号的叠加关系，合成信号分为五段，如图5所示：

①：y＝a(x+1)

②：y＝a(x+1)+b(x+1-Δτ_m)

③：y＝-a(x-1)+b(x+1-Δτ_m)

④：y＝-a(x-1)-b(x-1-Δτ_m)

⑤：y＝-b(x-1-Δτ_m)

预处理部分的经过累加存储后的结果

落在第②上，I_P落在第③上，

落在第④上。设I_P与实际峰值之间的误差为δ，如图6中所示：

P＝P_LOS+P_multipath

＝-a(δ-1)+b(δ+1-Δτ_m)＝(-a+b)δ+a+(1-Δτ_m)b

$I_{E_1}=I_{E_{1_{\mathrm{LOS}}}}+I_{E_{1_{\mathrm{multipath}}}}$

$=a(\mathrm{\δ}-\frac{d}{2}+1)+b(\mathrm{\δ}-\frac{d}{2}+1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)=(a+b)(\mathrm{\δ}-\frac{d}{2})+a+(1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)b$

$I_{E_2}=I_{E_{2_{\mathrm{LOS}}}}+I_{E_{2_{\mathrm{multipath}}}}$

$=a(\mathrm{\δ}-d+1)+b(\mathrm{\δ}-d+1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)=(a+b)(\mathrm{\δ}-d)+a+(1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)b$

$I_{L_1}=I_{L_{1_{\mathrm{LOS}}}}+I_{L_{1_{\mathrm{multipath}}}}$

$=-a(\mathrm{\δ}+\frac{d}{2}-1)+b(\mathrm{\δ}+\frac{d}{2}+1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)=(-a+b)(\mathrm{\δ}+\frac{d}{2})+a+(1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)b$

$I_{L_2}=I_{L_{2_{\mathrm{LOS}}}}+I_{L_{2_{\mathrm{multipath}}}}$

$=-a(\mathrm{\δ}+d-1)-b(\mathrm{\δ}+d-1-{\mathrm{\Δ\τ}}_m)=-(a+b)(\mathrm{\δ}+d)+a+(1+{\mathrm{\Δ\τ}}_m)b$

由此可得到：

$(I_{E_1}-I_{E_2})-(I_P-I_{E_1})=2\mathrm{a\δ}$

其中的2a是未知的常数，需用等价的表达式进行替换。由于存在短多径的情形下I_P和在同一直线上，有：

$I_{E_1}-I_{E_2}=(a+b)\frac{d}{2}$

$I_P-I_{L_1}=(a-b)\frac{d}{2}$

$(I_{E_1}-I_{E_2})+(I_P-I_{L_1})=\mathrm{ad}$

将其代入表达式

中，整理得到修正项：

$\mathrm{\δ}=\frac{d}{2}\·\frac{(I_{E_1}-I_{E_2})-(I_P-I_{E_1})}{(I_{E_1}-I_{E_2})+(I_P-I_{L_1})}$

对于上式，当Strobe相关器工作正常，即工作在延迟大于d的多径下时，修正项δ为0，不对相关结果产生影响；而当其工作在延迟小于d的短多径下时，

则得到带有修正因子的Strobe相关器为：

$D_{\mathrm{corr}-\mathrm{in}-\mathrm{phase}}=D_{\mathrm{strobe}}+D_{\mathrm{\δ}-\mathrm{in}-\mathrm{phase}}$

$=2(I_{E_1}-I_{L_1})-(I_{E_2}-I_{L_2})+\frac{d}{2}\·\frac{(I_{E_1}-I_{E_2})-(I_P-I_{E_1})}{(I_{E_1}-I_{E_2})+(I_P-I_{L_1})}$

这里，D_{corr-in-phase}表示同相情形下的带有修正因子的Strobe相关器表达式；D_strobe表示现有Strobe相关器表达式；D_δ-in-phase表示同相多径情形下的修正项。

对于带有修正因子的Strobe相关器，若假设预处理部分累加存储的结果

中含有噪声n，则实际值分别为：

把它们代入到带有修正因子的Strobe相关器的表达式中，有：

$D_{\mathrm{corr}-\mathrm{in}-\mathrm{phase}}=D_{\mathrm{strobe}}+D_{\mathrm{\δ}-\mathrm{in}-\mathrm{phase}}$

$=2(I_{E_1}-I_{L_1})-(I_{E_2}-I_{L_2})+\frac{d}{2}\·\frac{(I_{E_1}-I_{E_2})-(I_P-I_{E_1})}{(I_{E_1}-I_{E_2})+(I_P-I_{L_1})}$

$=2(I_{E_1}-n-(I_{L_1}-n))-(I_{E_2}-n-(I_{L_2}-n))$

$+\frac{d}{2}\·\frac{(I_{E_1}-n-(I_{E_2}-n))-(I_P-n-(I_{E_1}-n))}{(I_{E_1}-n-(I_{E_2}-n))+(I_P-n-(I_{L_1}-n))}$

$=2(I_{E_1}-I_{L_1})-(I_{E_2}-I_{L_2})+\frac{d}{2}\·\frac{(I_{E_1}-I_{E_2})-(I_P-I_{E_1})}{(I_{E_1}-I_{E_2})+(I_P-I_{L_1})}$

由此可见，带有修正因子的Strobe相关器的输出并不依赖于对噪声n的估计，因此有更好的噪声抑制性能，可以提供更精确的码相位估计。

参看图5，由于多径信号存在延迟，同相多径情况下，叠加后右边的第④段相比左边的第②段在幅度上有所抬高，所以此时

反之若存在方向多径信号，则

这也是本文中模式鉴别器得来的原因。

参看图7，输入信号701、本地振荡器702、伪随机噪声码发生器703、乘法器704、累加&存储器705、模式鉴别器706、现有Strobe相关器707(与图4结构相同)、带有修正因子的Strobe相关器708。环路中的三个复制码E₁、P、L₁两两之间的间隔为1/2码片(即1/2chip)，而E₂、P、L₂两两之间的间隔为1码片，经过载波剥离的输入信号I701分别与它们相乘，相乘的结果再经过累加&存储器705后得到输出值此时，将得到的值输入到模式鉴别器706中，若满足条件1：

成立，则选择现有Strobe相关器：

$D_{\mathrm{strobe}}=2(I_{E_1}-I_{L_1})-(I_{E_2}-I_{L_2})$

若满足条件2：

则选择带有修正因子的Strobe相关器：

$D_{\mathrm{corr}-\mathrm{in}-\mathrm{phase}}=2(I_{E_1}-I_{L_1})-(I_{E_2}-I_{L_2})+\frac{d}{2}\·\frac{(I_{E_1}-I_{E_2})-(I_P-I_{E_1})}{(I_{E_1}-I_{E_2})+(I_P-I_{L_1})}.$

Claims (1)

1.一种抑制多径的相关器方法，以跟踪环路抑制方法的Strobe相关器为基础，环路中的三个复制码：第一超前码、即时码、第一滞后码，即E₁、P、L₁，它们两两之间的间隔为1/2个C/A码码片，第二超前码、即时码、第二滞后码，即E₂、P、L₂，它们两两之间的间隔为1个C/A码码片，经过载波剥离的输入信号I分别与它们相乘，相乘的结果经过累加和存储器后得到输出值信号功率的第二超前分量、第一超前分量、即时分量、第一滞后分量和第二滞后分量，即 

I_p、 

将 

I_p、 代入Strobe相关公式： 

获得相关结果，其特征在于：

将 

I_p、 

输入到模式鉴别器中，当 

则为同相多径，此时，增加一个修正因子： 

公式表达为：

式中：D_{corr-in-phase}表示带有修正因子的Strobe相关器表达式；D_strobe表示现有Strobe相关器表达式；D_δ-in-phase表示修正因子，d为一个C/A码码片的长度。 

Images