CN102540215A - 一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计方法及系统；方法包括：通过BOC信号跟踪环路对中频信号进行伪随机噪声码、BOC副载波和载波相位跟踪，得到第一载波相位；对所述中频信号的上边带信号进行跟踪得到第二载波相位；对所述中频信号的下边带信号进行跟踪得到第三载波相位；根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC；由TEC计算电离层折射在载波相位和伪距观测量上引入的误差。本发明对于BOC信号，可以实现单频的电离层误差估计；由于使用载波相位计算TEC，因此受多径效应影响更小，受测量噪声影响也较小。

Description

一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计方法及系统

技术领域

本发明涉及导航领域，具体涉及一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计方法及系统。

背景技术

波在一种介质中传播的速度取决于该媒质的折射率。折射率n定义为电磁波在自由空间传播速度c与在介质中速度v的比值。对于GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球导航卫星系统)发射的电磁波，在自由空间中以光速传播，在电离层和对流层中的传播速度不等于光速。

折射率：n＝c/v(1)

如果波在一种介质中的折射率不固定，而是频率f的函数，则这种介质对于该波而言是色散的。对于L波段的电磁波，电离层是色散介质，对流层是非色散介质。在色散介质中，信号载波相位的传播速度(相速v_p)与波所承载的信号信息的传播速度(群速v_g)不相等。

n_p＝c/v_p    n_g＝c/v_g    (2)

群折射率n_g与相折射率n_p的关系(可参见Hofmann-Wellenhof，B.，H.Lichtenegger，and J.Collins，GPS Theory and Practice，New York：Springer-Verlag，1993)如下：

$n_g=n_p+f\frac{{\mathrm{dn}}_p}{\mathrm{df}}---\left(3\right)$

电离层相折射率的表达式为：

$n_p=1+\frac{c_2}{f^2}+\frac{c_3}{f^3}+\frac{c_4}{f^4}...\left(4\right)$

由关系式3可知，群折射率为：

$n_g=1-\frac{c_2}{f^2}-\frac{2c_3}{f^3}-\frac{3c_4}{f^4}...\left(5\right)$

忽略高阶项后得到：

$n_p=1+\frac{c_2}{f^2}$ $n_g=1-\frac{c_2}{f^2}$ c₂＝-40.3n_e  (6)

n_e为电离层折射率。

卫星SV与用户接收机User间距离l及其测量值(伪距)S分别为：

$l={\∫}_{\mathrm{SV}}^{\mathrm{User}}\mathrm{ds}$ $S={\∫}_{\mathrm{SV}}^{\mathrm{User}}\mathrm{nds}---\left(7\right)$

由折射引起的测量误差为：

${\mathrm{\Δ}S}_{\mathrm{ion}}={\∫}_{\mathrm{SV}}^{\mathrm{User}}\mathrm{nds}-{\∫}_{\mathrm{SV}}^{\mathrm{User}}\mathrm{ds}---\left(8\right)$

因此，折射在载波相位和伪距观测量上引入的误差分别为：

${\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p}=-\frac{40.3}{f^2}{\∫}_{\mathrm{SV}}^{\mathrm{User}}{n}_e\mathrm{ds}$ ${\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},g}=\frac{40.3}{f^2}{\∫}_{\mathrm{SV}}^{\mathrm{User}}{n}_e\mathrm{ds}---\left(9\right)$

沿电磁波传播路径的电子密度称为总电子含量，定义为：

$\mathrm{TEC}={\∫}_{\mathrm{SV}}^{\mathrm{User}}{n}_e\mathrm{ds}---\left(10\right)$

公式9可以被改写为：

${\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p}=-\frac{40.3}{f^2}\mathrm{TEC}$ ${\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},g}=\frac{40.3}{f^2}\mathrm{TEC}---\left(11\right)$

基于以上定量分析可以得出以下结论：电离层折射对载波相位测量引入的误差是超前，对伪距则是滞后，但其绝对值相等，与频率的平方成反比，与TEC成正比。从理论上讲，利用频率引起的散射效应可能估计出TEC，再利用TEC和频率可以得到在每一个频点的测距误差。

由上文的分析可知电离层延时是频率的函数，从理论上，对双频接收机输出的GPS-L1和L2频点伪距观测量进行差分运算可以完全消除其影响。伪距的表达式如下：

P＝ρ+dρ+c(dt-dT)+ΔS_ion，g+ΔS_trop，g+ε_P    (12)

对于L1和L2两个频点的伪距观测量，真距ρ、卫星轨道误差dρ、卫星钟差dt、接收机钟差dT和对流层延时ΔS_trop，g相等，电离层延时满足以下关系：

f_L1 ²ΔS_ion，g，L1＝f_L2 ²ΔS_ion，g，L2    (13)

测量噪声和多径ε_P在两频点间没有确定的关系，因此被共同建模为噪声。根据关系式13，可以得到电离层延时估计值

${\mathrm{\Δ}\hat{S}}_{\mathrm{ion},g,L1}=\frac{{f_{L2}}^2}{{f_{L2}}^2-{f_{L1}}^2}(P_{L1}-P_{L2})---\left(14\right)$

根据前述分析可知

${\mathrm{\Δ}\hat{S}}_{\mathrm{ion},g,L1}=\frac{{f_{L2}}^2}{{f_{L2}}^2-{f_{L1}}^2}[({\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},g,L1}-{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},g,L2})+({\mathrm{\ϵ}}_{P,L1}-{\mathrm{\ϵ}}_{P,L2})]---\left(15\right)$

最终

${\mathrm{\Δ}\hat{S}}_{\mathrm{ion},g,L1}={\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},g,L1}+\frac{{f_{L2}}^2}{{f_{L2}}^2-{f_{L1}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_{P,L1}-{\mathrm{\ϵ}}_{P,L2})---\left(16\right)$

很明显，电离层延时估计值的精确性取决于噪声的大小，在多径误差很大的情况下，无法保证估计值的有效性。此外，如果频点间的频差过小造成f_L2 ²-f_L1 ²过小，噪声被放大，也会降低估计值的准确性。

严格地说，不同频点的伪距只有接收机钟差相等，由于电离层的色散效应，两个频率的电磁波如果在同一时刻到达接收天线，则其发射时刻一定不同，其传播路径也有微小差别。只是因为色散效应引起的延时最大不过几百米，则两个频点间发射时刻间隔在微秒级以下，如此之短的时间差内，卫星和用户接收机的运动可以忽略不计，卫星钟差的改变也微不足道，时间和空间的相关性使得两个频点对流层延时和电离层TEC的差别同样极为微小。

对于定位精度要求较高的GNSS用户，电离层延时是伪距和伪距变化率测量误差的重要来源。因此，在设计之初，GPS的军用信号就提供了两个频点，利用L波段电磁波的色散效应，估算并校正伪距和载波相位上由电离层引起的延时误差。单频GNSS接收机只能依靠粗略的电离层模型，或利用增强系统提供的网格模型去掉约50％的误差。工作在RTK(Real-timekinematic，实时动态差分法)模式，通过与基准站进行差分电离层校正的用户接收机通常要求接收到两个频点的信号，并且如果基线较长，差分也不能有效地去除电离层延时。一般而言，基于色散效应的双频或多频接收是最有效的电离层延时校正方案，因此各主要GNSS系统都规划为民间用户提供至少3个频点。但是多频接收机成本明显高于单频接收机，且上述方法均是在信号跟踪形成的观测量上提取和估计电离层延时，而如果多径效应等作用于观测量引起的误差过大可能导致电离层延时估计失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计方法及系统，能实现单频的BOC信号(二进制偏移载波)的电离层误差估计。

为了解决上述问题，本发明提供了一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计方法，包括：

通过二进制偏移载波BOC信号跟踪环路对中频信号进行伪随机噪声码、BOC副载波和载波相位跟踪，得到第一载波相位；

对所述中频信号的上边带信号进行跟踪得到第二载波相位；

对所述中频信号的下边带信号进行跟踪得到第三载波相位；

根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC；

由TEC计算电离层折射在载波相位和伪距观测量上引入的误差。

优选地，所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对中频信号的上/下边带信号进行伪随机噪声码和载波相位跟踪。

优选地，所述的方法还包括：

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地伪随机噪声码与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行伪随机噪声码剥离；

所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对剥离了伪随机噪声码后的中频信号的上/下边带信号进行载波相位跟踪。

优选地，所述的方法还包括：

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地载波与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行BOC复载波剥离；

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地伪随机噪声码与进行BOC复载波剥离后的中频信号相乘，进行伪随机噪声码剥离；

所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对剥离了BOC复载波和伪随机噪声码后的中频信号的上/下边带信号残余载波进行跟踪。

优选地，所述根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC的步骤中，根据下式得到总电子含量TEC：

$\mathrm{TEC}=\frac{\left\{\right[({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_U)+({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_L)]\%1\}}{(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})}\frac{c}{40.3}$

其中，c为电磁波在自由空间传播速度；φ_C为第一载波相位，φ_U为第二载波相位，φ_L为第三载波相位；f_C为BOC调制信号中心频率，f_U为上边带信号频率，f_L为下边带信号频率；％1表示对1求余数，取得小数部分。

本发明还提供了一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计系统，包括：

二进制偏移载波BOC信号跟踪环路，用于对中频信号进行伪随机噪声码、BOC副载波和载波相位跟踪，得到第一载波相位；

上边带跟踪单元，用于对所述中频信号的上边带信号进行跟踪得到第二载波相位；

下边带跟踪单元，用于对所述中频信号的下边带信号进行跟踪得到第三载波相位；

电离层信息提取单元，用于根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC；

计算单元，用于由TEC计算电离层折射在载波相位和伪距观测量上引入的误差。

优选地，所述上/下边带载波跟踪单元是对中频信号的上/下边带信号进行伪随机噪声码和载波相位跟踪，得到第二/第三载波相位。

优选地，所述的系统还包括：

第一乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地伪随机噪声码与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行伪随机噪声码剥离；

所述上/下边带跟踪单元是对剥离了伪随机噪声码后的中频信号的上/下边带信号进行载波相位跟踪，得到第二/第三载波相位。

优选地，所述的系统还包括：

第二乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地载波与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行BOC复载波剥离；

第一乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地伪随机噪声码与所述第二乘法器输出的进行BOC复载波剥离后的中频信号相乘，对所述中频信号进行伪随机噪声码剥离；

所述上/下边带跟踪单元是对剥离了BOC复载波和伪随机噪声码后的中频信号的上/下边带信号残余载波进行跟踪，得到第二/第三载波相位。

优选地，所述电离层信息提取单元根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC，是指根据下式得到总电子含量TEC：

$\mathrm{TEC}=\frac{\left\{\right[({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_U)+({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_L)]\%1\}}{(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})}\frac{c}{40.3}$

其中，c为电磁波在自由空间传播速度；φ_C为第一载波相位，φ_U为第二载波相位，φ_L为第三载波相位；f_C为BOC调制信号中心频率，f_U为上边带信号频率，f_L为下边带信号频率；％1表示对1求余数，取得小数部分。

本发明的技术方案至少包括以下优点：对于BOC信号，可以实现单频的电离层误差估计；由于使用载波相位计算TEC，因此受多径效应影响更小，受测量噪声影响也较小。

附图说明

图1为BOC调制信号相关输出示意图；

图2为实施例二的二进制偏移载波信号的电离层延时估计系统的结构示意图之一；

图3为实施例二的二进制偏移载波信号的电离层延时估计系统的结构示意图之二；

图4为实施例二的二进制偏移载波信号的电离层延时估计系统的结构示意图之三。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

随着通信技术的发展，现代化的GPS和在建的Galileo系统应用了大量新的信号结构，如BOC(Binary-Offset-Carrier，二进制偏移载波)和伽利略交替二进制偏移载波AltBOC等。

本发明针对BOC调制方式提出了一种基于色散效应，在跟踪环路内部可实现单频接收机电离层误差估计的方法。

首先介绍一下BOC调制。

随着GNSS系统的发展，卫星信号的结构不断改进：引入导频信号提升信号跟踪的稳定性和灵敏度；采用更复杂的纠错算法提高系统抗衰落和干扰的能力；BOC调制导入的频谱分裂有助于抑制互相关干扰，尤其是军民信号的频谱分离使得军用信号可以通过功率增强提高抗干扰能力而不影响民用信号的接收。

BOC信号时域表达式：

$s\left(t\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{c}_k{w}_{\mathrm{Tc}}(t-k{T}_c)---\left(17\right)$

其中，k为整数，c_k是扩频后的导航电文，T_c是扩频码码元宽度，副载波可以为sBOC：

$w_{T_c}\left(t\right)=\mathrm{sign}\left(\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right)[u(t-T_c)-u\left(t\right)]---\left(18\right)$

也可以是cBOC：

$w_{T_c}\left(t\right)=\mathrm{sign}\left(\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right)[u(t-T_c)-u\left(t\right)---\left(19\right)$

f_s是副载波频率。假设扩频后的电文每一位都是二元均匀分布相互独立随机变量，则信号的功率谱为(参见Emilie Rebeyrol，Christophe Macabiau，Laurent Lestarquit，Lionel Ries，Jean-Luc Issler，Marie-Laure Boucheret，andMichel Bousquet，“BOC Power Spectrum Densities，”ION NTM 2005，San Diego，CA)：

S_BOC(f)＝|F_BOC(if，T_c)|²/T_c    (20)

其中F_BOC(if，T_c)是副载波的短时傅立叶变换。由此，可以获取副载波功率谱的解析表达式：

$S_{\mathrm{sBOC}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{T}_c{\left(\frac{\sin (\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c/n)\cos \left(\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c\right)}{\cos (\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c/n)\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c}\right)}^2& n& \mathrm{odd}\\ T_c{\left(\frac{\sin (\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c/n)\sin \left(\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c\right)}{\cos (\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c/n)\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c}\right)}^2& n& \mathrm{even}\end{array}\right.---\left(21\right)$

和

$S_{\mathrm{cBOC}}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{T}_c{\left(\frac{[\cos (\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c/n)-1]\cos \left(\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c\right)}{\cos (\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c/n)\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c}\right)}^2& n& \mathrm{odd}\\ T_c{\left(\frac{[\cos (\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c/n)-1]\sin \left(\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c\right)}{\cos (\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c/n)\mathrm{\π}{\mathrm{fT}}_c}\right)}^2& n& \mathrm{even}\end{array}\right.---\left(22\right)$

其中，

n＝2f_s/f_c＝2f_sT_c    (23)

BOC信号功率谱是个偶函数，关于中心频率对称，在载频上下各有1个主瓣和多个副瓣。随着参数n的增大，信号功率和主瓣在频域上的分布更加远离中心频率。

电离层对信号传播的影响同信号的频率有关，对BOC信号中心频率两侧频率分量造成不同的传播相位畸变。传统的BPSK和QPSK信号采用方波调制，大部分功率集中在唯一的主瓣上，因此接收机甚至可以只接收信号主瓣而完成对信号的捕获、跟踪和解调。从理论上讲，该类信号的副瓣和主瓣相位畸变也由于频率的差异而不同，但由于副瓣功率太弱，其携带的信息难以有效检测。BOC信号的功率谱则关于中心频率对称，左右各有一个主瓣，因此单边带接收左或右侧的频谱分量只造成约3分贝的信号功率损失。事实上，确实可以将一个BOC信号看作两个BPSK信号来处理(可参见Elena SimonaLohan，“Statistical analysis of BPSK-like techniques for the acquisition of Galileosignals”，AIAA Journal of Aerospace Computing，Information，and Communication，2006)。

本发明的设计原理如下：

依据载波跟踪理论，当载波环路进入信号稳定跟踪状态，如图1所示，BOC相关器输出的复相关信号能量集中于同相(I)支路，正交(Q)支路主要是噪声。如果构造出两个边带各自的相关器或匹配滤波器，则边带相关1和边带相关2的输出从相位上讲，一个超前、另一个则滞后于BOC信号相关矢量，且二者的矢量和即为BOC相关器输出。电离层对相位的影响与频率的平方成反比，这些矢量的相差反映了由频差导致的电离层效应之差。上下边带各自主瓣的频率已知，所以可以由相差提取出沿信号传播路径电离层TEC参数，从而在跟踪环路中完成电离层误差估计。

从载波相位中提取电离层信息的优势在于：对于BOC信号，可以完成单频自主/非差分电离层校正。载波相位的测量同样受到测量噪声和多径效应的干扰，但是载波相位测量噪声和多径的强度明显低于伪距观测量。基于前一原因和式(16)，GPS-L2和L5由于频差较小，其伪距双频电离层校正效果不理想。而单频BOC信号的主瓣间频差更小，但由于相位噪声远小于伪距噪声，使得利用载波相位提取电离层特征成为可能。

这一设计方案的核心思想是将一个BOC信号看作上边带和下边带两个部分，得到两个在频域上关于中心频率对称的虚拟复信号。这两个复信号各自的中心频率位于整个BOC信号中心频率的两侧，由于色散效应，电离层对整个信号的载波与上/下边带各自载波产生的相位畸变存在差异，由这种差异可以提取电离层特征。载波环鉴相器能够根据即时相关数据得到本地信号与输入信号的载波相位差，利用类似方法也可以产生上/下边带相关输出对应的载波相位差，最终依据上/下边带信号与原BOC信号载波相位差与电离层效应的相互关系估计电离层伪距延时/载波相位超前误差。

实施例一，一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计方法，包括：

通过BOC信号跟踪环路对中频信号进行伪随机噪声码、BOC副载波和载波相位跟踪，得到第一载波相位；

对所述中频信号的上边带信号进行跟踪得到第二载波相位；

对所述中频信号的下边带信号进行跟踪得到第三载波相位；

根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC；

由TEC计算电离层折射在载波相位和伪距观测量上引入的误差，可以但不限于由前文的式(11)计算。本实施例中，通过BOC信号跟踪环路对中频信号进行伪随机噪声码和载波相位跟踪，可以得到第一即时相关数据，根据该第一即时相关数据可获得所述第一载波相位；同样的，对所述中频信号的上/下边带信号进行跟踪可以得到第二/第三即时相关数据，根据该第二/第三即时相关数据可获得所述第二/第三载波相位。

本实施例的一种实施方式中，所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对中频信号的上/下边带信号进行伪随机噪声码和载波相位跟踪。

本实施例的另一种实施方式中，所述方法还可以包括：

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地PRN(pseudo random noise，伪随机噪声)码与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行PRN码剥离；

该实施方式中，由于在BOC信号跟踪环路的辅助下，伪随机噪声码已经被剥离，所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对剥离了PRN码后的中频信号的上/下边带信号进行载波相位跟踪。

本实施例的又一种实施方式中，所述方法还可以包括：

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地载波与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行BOC复载波剥离；

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地PRN码与进行BOC复载波剥离后的中频信号相乘，进行PRN码剥离。

该实施方式中，由于在BOC信号跟踪环路的辅助下，伪随机噪声码和BOC信号的载波已经被剥离，所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对剥离了BOC复载波和PRN码后的中频信号的上/下边带信号残余载波进行跟踪。

本实施例中，所述根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC的步骤中可以但不限于根据下式得到总电子含量TEC：

$\mathrm{TEC}=\frac{\left\{\right[({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_U)+({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_L)]\%1\}}{(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})}\frac{c}{40.3}$

其中，c为电磁波在自由空间传播速度；φ_C为第一载波相位，φ_U为第二载波相位，φ_L为第三载波相位；f_C为BOC调制信号中心频率，f_U为上边带信号频率，f_L为下边带信号频率；％1表示对1求余数，取得小数部分。

下面从理论上进行分析，利用任意两个频率的载波相位均可以提取电离层延时或超前信息。载波相位的表达式如下：

Φ＝ρ+dρ+c(dt-dT)+ΔS_ion，p+ΔS_trop，p+Nλ+ε_Φ  (24)

折算成周期

φ＝ρ/λ+dρ/λ+c(dt-dT)/λ+ΔS_ion，p/λ+ΔS_trop，p/λ+N+ε_φ(25)

类似于伪距(公式15)双频条件下可以得到电离层延时估计方法1(可参见M.Elizabeth Cannon，Lecture Notes of Satellite Positioning(ENGO561)，Winter 2005，University of Calgary)

${\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p}/\mathrm{\λ}=[({\mathrm{\φ}}_1-\frac{f_1}{f_2}{\mathrm{\φ}}_2)-(N_1-\frac{f_1}{f_2}{N}_2)]\frac{{f_2}^2}{{f_2}^2-{f_1}^2}---\left(26\right)$

但前提是必须知道整周模糊度N₁和N₂。上述三种实施方式均能给出上/下边带与中心频率间的相位差：

${\mathrm{\φ}}_U-{\mathrm{\φ}}_C=(f_U-f_C)\frac{\mathrm{\ρ}}{c}+(f_U-f_C)\frac{\mathrm{d\ρ}}{c}+(f_U-f_C)(\mathrm{dt}-\mathrm{dT})+(N_U-N_C)$

$+(f_U\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p,U}}{c}-f_C\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p,C}}{c})+(f_U-f_C)\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{trop},p}}{c}+(f_U\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},U}}{c}-f_C\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},C}}{c})---\left(27\right)$

和

${\mathrm{\φ}}_L-{\mathrm{\φ}}_C=(f_L-f_C)\frac{\mathrm{\ρ}}{c}+(f_L-f_C)\frac{\mathrm{d\ρ}}{c}+(f_L-f_C)(\mathrm{dt}-\mathrm{dT})+(N_L-N_C)$

$+(f_L\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p,L}}{c}-f_C\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p,C}}{c})+(f_L-f_C)\frac{{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{trop},p}}{c}+(f_L\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},L}}{c}-f_C\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},C}}{c})---\left(28\right)$

且

$f_C=\frac{f_U+f_L}{2}---\left(29\right)$

因此，

$({\mathrm{\φ}}_U-{\mathrm{\φ}}_C)+({\mathrm{\φ}}_L-{\mathrm{\φ}}_C)=\frac{1}{c}(f_U{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p,U}+f_L{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p,L}-2f_C{\mathrm{\ΔS}}_{\mathrm{ion},p,C})$

$+\frac{1}{c}(f_U{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},U}+f_L{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},L}-2f_C{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},C})+(N_U+N_L-2N_C)---\left(30\right)$

将前文的式(11)代入上式，得到

$({\mathrm{\φ}}_U-{\mathrm{\φ}}_C)+({\mathrm{\φ}}_L-{\mathrm{\φ}}_C)=-\frac{40.3\·\mathrm{TEC}}{c}(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})$

$+\frac{1}{c}(f_U{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},U}+f_L{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},L}-2f_C{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},C})+(N_U+N_L-2N_C)---\left(31\right)$

由于在L波段内电离层残差

$-\frac{40.3\·\mathrm{TEC}}{c}(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})---\left(32\right)$

和多径及噪声残差

$\frac{1}{c}(f_U{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},U}+f_L{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},L}-2f_C{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},C})---\left(33\right)$

的绝对值均小于1，故可得电离层TEC估值为：

$\mathrm{TEC}=\frac{\left\{\right[({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_U)+({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_L)]\%1\}}{(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})}\frac{c}{40.3}$

实施例二、一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计系统，包括：

BOC信号跟踪环路，用于对中频信号进行伪随机噪声码、BOC副载波和载波相位跟踪，得到第一载波相位；

上边带跟踪单元，用于对所述中频信号的上边带信号进行跟踪得到第二载波相位；

下边带跟踪单元，用于对所述中频信号的下边带信号进行跟踪得到第三载波相位；

电离层信息提取单元，用于根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC；

计算单元，用于由TEC计算电离层折射在载波相位和伪距观测量上引入的误差，可以但不限于由前文的式(11)计算。

本实施例中通过BOC信号跟踪环路对中频信号进行伪随机噪声码和载波相位跟踪，可以得到第一即时相关数据，根据该第一即时相关数据可获得所述第一载波相位；同样的，所述上/下边带跟踪单元对所述中频信号的上/下边带信号进行跟踪可以得到第二/第三即时相关数据，根据该第二/第三即时相关数据可获得所述第二/第三载波相位。

本实施例的一种实施方式如图2所示，所述上/下边带载波跟踪单元是对中频信号的上/下边带信号进行伪随机噪声码和载波相位跟踪，得到第二/第三载波相位。

该实施方式中，上边带信号被视为一个频率高于BOC信号中心的BPSK信号，上边带跟踪单元对此BPSK信号进行伪随机噪声码和载波跟踪，得到相应的第二即时相关数据，从而获得第二载波相位；下边带信号被视为一个频率低于BOC信号中心的BPSK信号，下边带跟踪单元对此BPSK信号进行伪随机噪声码和载波跟踪，得到相应的第三即时相关数据，从而获得第三载波相位。在此方案中，上/下边带与BOC信号的跟踪过程相互独立。

本实施例的另一种实施方式如图3所示，所述系统还可以包括：

第一乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地PRN(伪随机噪声)码与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行PRN码剥离；

该实施方式中，由于在BOC信号跟踪环路的辅助下，伪随机噪声码已经被剥离，所述上/下边带跟踪单元是对剥离了PRN码后的中频信号的上/下边带信号进行载波相位跟踪，得到第二/第三载波相位。

本实施例的又一种实施方式如图4所示，所述方法还可以包括：

第二乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地载波与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行BOC复载波剥离；

第一乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地PRN码与所述第二乘法器输出的进行BOC复载波剥离后的中频信号相乘，对所述中频信号进行PRN码剥离。

该实施方式中，由于在BOC信号跟踪环路的辅助下，伪随机噪声码和BOC信号的载波已经被剥离，所述上/下边带跟踪单元是对剥离了BOC复载波和PRN码后的中频信号的上/下边带信号残余载波进行跟踪，得到第二/第三载波相位。

本实施例中，所述电离层信息提取单元根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC，可以但不限于是指根据下式得到总电子含量TEC：

$\mathrm{TEC}=\frac{\left\{\right[({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_U)+({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_L)]\%1\}}{(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})}\frac{c}{40.3}$

其中，c为电磁波在自由空间传播速度；φ_C为第一载波相位，φ_U为第二载波相位，φ_L为第三载波相位；f_C为BOC调制信号中心频率，f_U为上边带信号频率，f_L为下边带信号频率；％1表示对1求余数，取得小数部分。

其它具体实现细节可参见实施例一。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计方法，包括：

通过二进制偏移载波BOC信号跟踪环路对中频信号进行伪随机噪声码、BOC副载波和载波相位跟踪，得到第一载波相位；

对所述中频信号的上边带信号进行跟踪得到第二载波相位；

对所述中频信号的下边带信号进行跟踪得到第三载波相位；

根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC；

由TEC计算电离层折射在载波相位和伪距观测量上引入的误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对中频信号的上/下边带信号进行伪随机噪声码和载波相位跟踪。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地伪随机噪声码与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行伪随机噪声码剥离；

所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对剥离了伪随机噪声码后的中频信号的上/下边带信号进行载波相位跟踪。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地载波与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行BOC复载波剥离；

用所述BOC信号跟踪环路产生的本地伪随机噪声码与进行BOC复载波剥离后的中频信号相乘，进行伪随机噪声码剥离；

所述对中频信号的上/下边带信号进行跟踪得到第二/第三载波相位的步骤中，是对剥离了BOC复载波和伪随机噪声码后的中频信号的上/下边带信号残余载波进行跟踪。

5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC的步骤中，根据下式得到总电子含量TEC：

$\mathrm{TEC}=\frac{\left\{\right[({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_U)+({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_L)]\%1\}}{(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})}\frac{c}{40.3}$

其中，c为电磁波在自由空间传播速度；φ_C为第一载波相位，φ_U为第二载波相位，φ_L为第三载波相位；f_C为BOC调制信号中心频率，f_U为上边带信号频率，f_L为下边带信号频率；％1表示对1求余数，取得小数部分。

6.一种二进制偏移载波信号的电离层误差估计系统，其特征在于，包括：

二进制偏移载波BOC信号跟踪环路，用于对中频信号进行伪随机噪声码、BOC副载波和载波相位跟踪，得到第一载波相位；

上边带跟踪单元，用于对所述中频信号的上边带信号进行跟踪得到第二载波相位；

下边带跟踪单元，用于对所述中频信号的下边带信号进行跟踪得到第三载波相位；

电离层信息提取单元，用于根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC；

计算单元，用于由TEC计算电离层折射在载波相位和伪距观测量上引入的误差。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：

所述上/下边带载波跟踪单元是对中频信号的上/下边带信号进行伪随机噪声码和载波相位跟踪，得到第二/第三载波相位。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

第一乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地伪随机噪声码与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行伪随机噪声码剥离；

所述上/下边带跟踪单元是对剥离了伪随机噪声码后的中频信号的上/下边带信号进行载波相位跟踪，得到第二/第三载波相位。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

第二乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地载波与所述中频信号相乘，对所述中频信号进行BOC复载波剥离；

第一乘法器，用于将所述BOC信号跟踪环路产生的本地伪随机噪声码与所述第二乘法器输出的进行BOC复载波剥离后的中频信号相乘，对所述中频信号进行伪随机噪声码剥离；

所述上/下边带跟踪单元是对剥离了BOC复载波和伪随机噪声码后的中频信号的上/下边带信号残余载波进行跟踪，得到第二/第三载波相位。

10.如权利要求6到9中任一项所述的系统，其特征在于，所述电离层信息提取单元根据第一载波相位和第二载波相位之差，和第一载波相位和第三载波相位之差，以及BOC调制信号中心频率、上边带信号及下边带信号的频率，得到总电子含量TEC，是指根据下式得到总电子含量TEC：

$\mathrm{TEC}=\frac{\left\{\right[({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_U)+({\mathrm{\φ}}_C-{\mathrm{\φ}}_L)]\%1\}}{(\frac{1}{f_U}+\frac{1}{f_L}-\frac{2}{f_C})}\frac{c}{40.3}$

其中，c为电磁波在自由空间传播速度；φ_C为第一载波相位，φ_U为第二载波相位，φ_L为第三载波相位；f_C为BOC调制信号中心频率，f_U为上边带信号频率，f_L为下边带信号频率；％1表示对1求余数，取得小数部分。

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