CN102723966A - 二进制偏置载波信号精确同步装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二进制偏置载波信号精确同步装置及方法，装置包括：天线、射频前端处理模块和相关器，相关器中：相关运算子模块的一个输入端与射频前端处理模块相连传输数字中频导航信号，相关运算子模块的另一个输入端与本地辅助信号生成子模块相连传输辅助类BOC信号，相关运算子模块的输出端与重新组合及输出子模块相连传输相关运算的结果信息，重新组合及输出子模块输出重新组合后没有正旁峰的信号相关结果。本发明SPAR技术通过使用两个本地辅助信号，然后结合接收信号和本地信号间的相关结果及接收信号和另一个本地信号的相关结果，构造了一个完全移除不希望的侧峰的检测标准，从而具有能消除误捕获的问题的优点。

Description

二进制偏置载波信号精确同步装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种卫星导航技术，具体是一种二进制偏置载波信号精确同步装置及方法，即为SPAR（Symmetrical Pulse Ambiguity Removing，对称脉冲消除误差）技术。 

背景技术

现代GPS和欧洲伽利略卫星系统采用分裂频谱类型的调制信号，如二进制偏移载波（BOC）信号，以与现有全球定位卫星系统（GNSS）信号，如GPS C/A码信号更好的频谱分离。BOC信号使用正弦相位或余弦相位方波子载波调制伪随机噪声（PN）码。正弦相位BOC调制信号记为sinBOC(m,n)，m为方波频率f_s对1.023MHz的比，n表示扩频码速率f_c对1.023MHz的比。比值M=2m/n称为调制阶，必须为正整数。已经发现BOC调制能改进码跟踪性能，使多径效应衰减并抑制窄带干扰。然而，BOC信号的子载波在尖锐的自相关函数（ACF）的主峰两边都产生了边峰，这可能会导致在捕获和跟踪步骤里产生误差。 

DSSS信号的传统捕获已经讨论得很完善了。传统捕获方案的检测标准为： 

$\mathrm{\ψ}=\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}(I_{1,k}^2+Q_{1,k}^2)$

此处I_1,k和Q_1,k是当本地信号使用和接受信号相同的正弦BOC调制符号时，同相和正交相关器的输出。L是非相干累加器的数目。此方法按顺序一个接一个检测每个码延迟和多普勒值。一旦最大相关结果比门限大，便认为检测完成。 

由于有大量信号能量位于BOC自相关函数的边峰，在噪声和多径的影响下边峰的值很可能超过主峰，此时就发生了误捕获。主峰和第二个峰（图1）的功率比为： 

$P_{\mathrm{ratio}}={(1+\frac{1}{M+2})}^2$

从图1可看出，对M=2，边峰比主峰弱6dB，但对M=4，最大边峰和主峰的差距就只有2.5dB了。M越大，最大边峰和主峰之间的差别就越小，而误捕获的可能性就越大。 

如果发生了误捕获，码跟踪换初始时将锁定在边峰上。 

经过对现有技术的检索发现，总结出现有消除误锁定的技术如下： 

a，过采样方法，通过过采样码位置以通过能量比较确定主峰。虽然这对低频率信号（如BOC（1,1）和BOC（2,2））很方便，但对高频信号（通常为BOC（14,2））不合适。 

b，跳跃技术，通过测量和比较接收的相邻峰的功率与当前的跟踪峰的，根据比较结果向左或右跳跃，直到找到最大峰。 

c，类BPSK技术，此方法由马丁首先提出。它把接收的BOC(x,y)信号等效为两个载波频率对称位于BOC载波频率两边的两个BPSK(y)信号的叠加。这样每部分都当成独立的BPSK信号，能提供精确相关函数。类BPSK技术的缺点是，若其用于单旁瓣信号（单面带或单边带），由于相干损失，将至少减少3dB的信噪比。虽然平行用于双旁瓣（双面带或双边带）或使用高阶类BPSK方法可部分补偿-3dB的损失，此方法仍然会产生0.5dB到0.8dB的能量损失。 

d，子载波相位消除（SCPC）技术。SCPC的基本想法是按和载波相同的方式处理子载波。除了本地同相和正交载波信号外，还需产生同相和正交的本地子载波信号。因此此处产生了两个相关通道。一个通道里，接收的滤波信号和本地BOC信号在同相子载波上相关，另一个通道里，接收的滤波信号和本地BOC信号在正交子载波上相关。当把这两个通道的相关结果结合的时候，借得到了与BPSK类似的ACF。主要缺点是SCPC需要更多相关器。 

e，单旁瓣技术。此方法由菲什曼和贝茨首次提出。只选择BOC谱的一个旁瓣操作，因为单旁瓣谱和BPSK调制的相似。 

f，自相关单峰消除技术（GRASS）和（ASPeCT）。GRASS和ASPeCT的本质是吧BOC(1,1)自相关函数的边峰移开，因为他们是误锁跟踪点的根源。ASPeCT的缺点是其只是对sinBOC(n,n)信号。对GRASS技术，本地辅助信号过于复杂难以使用，而结合的相关结果的正的边峰虽然幅度比主峰的小得多了，却仍然存在。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种对称脉冲消除误差（SPAR）技术，即二进制偏置载波信号精确同步装置及方法，适用于通用sinBOC(m,n)或cosBOC(m,n)信号且便于使用。通过使用两个本地辅助信号，然后结合接收信号和本地信号间的相关结果及接收信号和另一个本地信号的相关结果，SPAR技术构造了一个完全移除不希望的侧峰的检测标准，从而能消除误捕获的问题。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

本发明涉及一种二进制偏置载波信号精确同步装置，包括：天线、射频前端处理模块和相关器，其中：天线接收射频卫星导航信号，并与射频前端处理模块的输入端相连，传输射频卫星导航信号；射频前端处理模块的输出端与相关器的输入端相连，传输数字中频导航信号，相关器输出没有正旁峰的接收信号以及本地信号的相关结果。 

所述的射频前端处理模块包括：放大滤波子模块、多级混频子模块和模数转换子模块，其中：放大滤波子模块与天线相连传输射频卫星导航信号，放大滤波子模块与多级混频子模块相连传输经放大滤波后的射频卫星导航信号，多级混频子模块与模数转换子模块相连传输混频后的导航信息，模数转换子模块与相关器相连传输采样后的数字中频导航信号。 

所述的相关器将数字中频导航信号与本地辅助信号进行相关运算并组合得到没有正旁峰的接收信号以及本地信号的相关结果，该相关器包括：本地辅助信号生成子模块、相关运算子模块、重新组合及输出子模块，其中：相关运算子模块的一个输入端与射频前端处理模块相连传输数字中频导航信号，相关运算子模块的另一个输入端与本地辅助信号生成子模块相连传输辅助类BOC信号，相关运算子模块的输出端与重新组合及输出子模块相连传输相关运算的结果信息，重新组合及输出子模块输出重新组合后没有正旁峰的信号相关结果。 

本发明涉及一种二进制偏置载波信号精确同步方法，包括以下步骤： 

第一步，天线接收导航信号，并对接收到的导航信息进行射频前端处理，得到数字中频导航信号。 

所述的射频前端处理，包括以下步骤： 

1）通过射频滤波器滤出射频信号中的无关频率分量，并由低噪声放大器放大，得到放大的高频信号； 

2）将放大的高频信号和本地晶振产生的信号进行三级混频，得到模拟的数字中频导航信号； 

3）将模拟的数字中频导航信号进行量化后，得到数字中频导航信号。 

第二步，生成两个本地辅助类BOC信号。 

所述的生成本地辅助类BOC信号，具体是指：本地产生两个辅助类BOC信号S_ref1和s_ref2。 

第三步，对第一步的数字中频导航信号和第二步的两个本地辅助类BOC信号进行相关处理，分别得到这两个信号的相关信号R_BOC/ref1(τ)和R_BOC/ref2(τ)，τ是码中的码延迟。 

第四步，对相关信号进行重新组合处理，得到没有正旁峰的相关信号，通过该信号实现信号的捕获和跟踪。 

所述的重新组合处理，是指用R_BOC/ref1(τ)减去R_BOC/ref2(τ)，得到最终的没有正旁峰的相关信号： 

T(τ)=R_BOC/ref1(τ)-R_BOC/ref2(τ)。 

其中，τ是码中的码延迟。 

与现有技术相比，本发明（SPAR）的有益效果是指：得到的本地辅助信号与接收数字中频导航信号的相关结果除主峰外没有正的旁峰，而因为只有正的值才能通过门限，负的旁峰不影响统计监测。这样在信号捕获和跟踪锁定过程中，就不会出现锁定在旁峰的情况，即消除了误捕获问题。 

附图说明

图1是传统捕获方案的主峰和第二峰的功率比示意图。 

图2是sinBOC(2n,n)信号的互相干函数包络R_BOC/ref1，R_BOC/ref2和最终监测标准示意图。 

图3是对cosBOC(n,n)的朱利安的方法示意图。 

图4是cosBOC(n,n)的SPAR技术示意图。 

图5是SPAR技术的结构示意图。 

图6是SPAR技术和传统技术在P_fa=10^-6下对sinBOC(n,n)和cosBOC(n,n)的检测概率的理论（T）、蒙特卡罗方法（M）、传统（C）和SPAR（P）结果示意图。 

具体实施方式

下面对本发明（SPAR）的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

实施例 

本实施例涉及的BOC调制信号的接收系统，包括：天线、射频前端处理模块和相关器，其中：天线接收导航信号，天线与射频前端处理模块相连传输导航信号，射频前端处理模块与相关器相连传输数字中频导航信号，相关器输出没有正旁峰的接收信号与本地信号的相关结果。 

所述的射频前端处理模块处理射频卫星导航信号，包括：放大滤波子模块、多级混频子模 块和模数转换子模块，其中：放大滤波子模块与天线相连传输导航信号，放大滤波子模块与多级混频子模块相连传输经放大滤波后的导航信号，多级混频子模块与模数转换子模块相连传输混频后的导航信息，模数转换子模块与相关器相连传输采样后的数字中频导航信号。 

本实施例中射频前端处理模块采用的是Zarlink公司的GP2015超小型射频前端器件。 

所述的相关器将数字中频导航信号与本地辅助类BOC信号进行相关运算并组合得到没有正旁峰存在的相关结果，包括：本地辅助类BOC信号生成模块、相关运算子模块、重新组合及输出子模块，其中：相关运算子模块的一个输入端与射频前端处理模块相连传输数字中频导航信号，相关运算子模块的另一个输入端与本地辅助类BOC信号生成模块相连传输辅助类BOC信号，相关运算子模块的输出端与重新组合及输出子模块相连传输相关运算的结果信息，重新组合及输出子模块输出重新组合后没有正旁峰的信号相关结果。 

本实施例中相关器采用的是Xilinx公司的Spartan-3A DSP 1800A开发板。 

本实施例涉及的上述BOC调制信号的接收系统的接收方法如图5所示，包括以下步骤： 

第一步，天线接收导航信号，并对接收到的导航信息进行射频前端处理，得到数字中频导航信号。本实施例中的导航信号是BOC(1,1)调制信号。 

所述的射频前端处理，包括以下步骤： 

1）通过射频滤波器滤出射频信号中的无关频率分量，并由低噪声放大器放大，得到放大的高频信号； 

2）将放大的高频信号和锁相环频率合成器产生的第一本振信号本地晶振产生的信号（1.4GHz)混频，经过滤波后得到差频信号(175.42MHz)；该175.42MHz差频信号与第二本振信号(140MHz)混频，经过声表面滤波器中心频率选择得到差频信号(35.42MHz)；该35.42MHz差频信号经过自动增益放大后与第三本振信号(31.11MHz)混频，经过低通滤波器得到模拟的数字中频导航信号(4.309MHz)； 

3）将模拟的数字中频导航信号进行量化后，得到数字中频导航信号s(t)。 

第二步，生成两个本地辅助类BOC信号。 

所述的生成本地辅助类BOC信号，具体是指：本地产生两个辅助类BOC信号s_ref1和S_ref2。 

第三步，对第一步的数字中频导航信号和第二步的两个本地辅助类BOC信号进行相关处理，分别得到这两个信号的相关信号R_BOC/ref1(τ)和R_BOC/ref2(τ)。τ是码中的码延迟。 

第四步，对相关信号进行重新组合处理，得到没有正旁峰的相关信号，通过该信号实现信号的捕获和跟踪。 

所述的重新组合处理，是指用R_BOC/ref1(τ)减去R_BOC/ref2(τ)，得到最终的没有正旁峰的相关信号： 

T(τ)=R_BOC/ref1(τ)-R_BOC/ref2(τ),。 

其中，τ是码中的码延迟。 

本实施例使用延迟锁定环（DLL）使用点积功率鉴别器，鉴别器输出的理论表达式为： 

$\begin{array}{c}{\mathrm{Ve}}_{\mathrm{DP}}\left(k\right)=V_{\mathrm{DP}}^{\mathrm{BOC}/\mathrm{PRN}}\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}\right)={[(I_{E_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}1}}-I_{L_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}1}})I_{P_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}1}}+(Q_{E_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}1}}-Q_{L_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}1}})Q_{P_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}1}}]}_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}1}\\ -{[(I_{E_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}2}}-I_{L_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}2}})I_{P_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}2}}+(Q_{E_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}2}}-Q_{L_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}2}})Q_{P_{\mathrm{BOC}/\mathrm{fre}2}}]}_{\mathrm{BOC}/\mathrm{fre}2}\end{array},$

其中，I和Q分别指同相和正交相关结果，下标E表示超前，L表示滞后，P表示同步，下标BOC/ref1和BOC/ref2分别表示接收的BOC信号与第一个辅助类BOC信号的相关及接收的BOC信号与第二个辅助类BOC信号的相关。 

采用本实施例技术（SPAR）对sinBOC(2n,n)和cosBOC(n,n)的相关结果图形分别如图2和图4所示，由该图可知：本实施例技术得到的相关结果只有主峰没有正旁峰，利用这个完全没有正旁峰的结果进行信号捕获与跟踪时，就不存在锁定在相关值旁峰的问题，这样就可以彻底消除误捕获问题存在的可能。为了比较，图3给出了对于cosBOC(n,n)，使用朱利安的方法的相关结果，可知其无法消除正旁峰。 

第五步，各项性能验证。 

为了测试本发明的性能，以用于现代GPS和伽利略系统的sinBOC(n,n)作为例子。图6所示为实施例方法和传统误差捕获在固定误警概率P_fa=10^-6下，对于不同的Tp和L检测概率与CNR之比。在提出的实施例SPAR方法的例子中，值是通过使用下式并通过蒙特卡罗（MC）10⁶次模拟得到的： 

${\mathrm{\δ}}^2=\frac{L}{2}\·\frac{C}{N_0}\·T_P\·(R_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}1}^2\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}\right)R_{\mathrm{ref}1/\mathrm{ref}1}\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}\right)+R_{\mathrm{BOC}/\mathrm{ref}2}^2\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}\right)R_{\mathrm{ref}2/\mathrm{ref}2}\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}\right)),$

$\left\{\begin{array}{c}{P}_n\left(x\right)=\frac{x^{2L-1}}{2^2{\mathrm{\σ}}^{4L}\mathrm{\Γ}\left(2L\right)}{e}^{-\frac{x}{{2\mathrm{\σ}}^2}},x>0\\ P_n\left(x\right)=0,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.,$

此处T_p是相干积分时间，ε_τ是PRN码相位误差，C/N₀是载噪比（CNR），Γ(x),是伽玛函 数。注意相关器输出地相关值和噪声功率已经归一化了。此处假设无码延迟和多普勒误差。 

从图6可看出，使用提出方案的捕获过程的敏感度比传统捕获方案略有下降。然而，需要牢记提出技术中的检测标准没有侧峰。这使得本技术比传统捕获方案更可靠。此外，尽管非相干求和能扩大传统方案和提出方案之间的新能差距，当多普勒不确定度足够小时，此新技术适用于想干积分时间长度为无线的少数据通道的捕获。与一些误差捕获方法相比，本发明提出的技术使用带窄峰的检测标准。它能提供足够小的码延迟不确定性。因此不再需要从捕获到跟踪的附加过渡。图中还能看出对更长的相干积分时间（>4ms），提出的捕获方案将超越传统方案。此现象主要是因为检测标准中的噪声成分的平均值为0，与其在传统捕获标准中一样。 

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (6)

1.一种二进制偏置载波信号精确同步装置，包括：天线、射频前端处理模块和相关器，其中：天线接收射频卫星导航信号，并与射频前端处理模块的输入端相连，传输射频卫星导航信号；射频前端处理模块的输出端与相关器的输入端相连，传输数字中频导航信号，相关器输出没有正旁峰的接收信号以及本地信号的相关结果；其特征在于：

所述的相关器将数字中频导航信号与本地辅助信号进行相关运算并组合得到没有正旁峰的接收信号以及本地信号的相关结果，该相关器包括：本地辅助信号生成子模块、相关运算子模块、重新组合及输出子模块，其中：相关运算子模块的一个输入端与射频前端处理模块相连传输数字中频导航信号，相关运算子模块的另一个输入端与本地辅助信号生成子模块相连传输辅助类BOC信号，相关运算子模块的输出端与重新组合及输出子模块相连传输相关运算的结果信息，重新组合及输出子模块输出重新组合后没有正旁峰的信号相关结果。

2.根据权利要求1所述的二进制偏置载波信号精确同步装置，其特征是，所述的射频前端处理模块包括：放大滤波子模块、多级混频子模块和模数转换子模块，其中：放大滤波子模块与天线相连传输射频卫星导航信号，放大滤波子模块与多级混频子模块相连传输经放大滤波后的射频卫星导航信号，多级混频子模块与模数转换子模块相连传输混频后的导航信息，模数转换子模块与相关器相连传输采样后的数字中频导航信号。

3.一种二进制偏置载波信号精确同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，天线接收导航信号，并对接收到的导航信息进行射频前端处理，得到数字中频导航信号；

第二步，生成本地辅助类BOC信号；

第三步，对第一步的数字中频导航信号和第二步的本地辅助类BOC信号进行相关处理，分别得到这两个信号的相关信号R_BOC/ref1(τ)和R_BOC/ref2(τ)，τ是码中的码延迟；

第四步，对相关信号进行重新组合处理，得到没有正旁峰的相关信号，通过该信号实现信号的捕获和跟踪。

4.根据权利要求3所述的二进制偏置载波信号精确同步方法，其特征是，所述的射频前端处理，包括以下步骤：

1)通过射频滤波器滤出射频信号中的无关频率分量，并由低噪声放大器放大，得到放大的高频信号；

2)将放大的高频信号和本地晶振产生的信号进行三级混频，得到模拟的数字中频导航信号；

3)将模拟的数字中频导航信号进行量化后，得到数字中频导航信号。

5.根据权利要求3所述的二进制偏置载波信号精确同步方法，其特征是，所述的生成本地辅助类BOC信号，是指：本地产生两个辅助类BOC信号S_ref1和S_ref2其中，τ是码中的码延迟。

6.根据权利要求3所述的二进制偏置载波信号精确同步方法，其特征是，所述的重新组合处理，是指：用R_BOC/ref1(τ)减去R_BOC/ref2(τ)，得到最终的没有正旁峰的相关信号：

T(t)＝R_BOC/ref1(t)-R_BOC/ref2(t)，

其中，τ是码中的码延迟。

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