CN103580717A - 一种导航信号扩频码的优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星导航技术领域，公开了一种导航信号扩频码优选方法，该方法在待优选码族码长与目标码长不相等的情况下，通过计算截短码的平衡性和最大奇偶自相关旁瓣来确定截断点，并根据最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数，最大频谱幅度，最大奇偶互相关进一步优选，与现有技术相比，码长的选取更自由，奇相关的考虑也更符合实际应用情况，可以得到性能较好的扩频码，在不改变卫星导航系统软硬件设计方案和不增加系统建设成本的条件下，提高卫星导航系统的性能。

Description

一种导航信号扩频码的优选方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，更具体地，涉及一种导航信号扩频码的优选方法。

背景技术

在基于码分多址的卫星导航系统中，用户接收机通过导航信号中的扩频码来区分不同卫星的信号并进行导航定位，而民用信号领域互操作进程的加速，使得不同卫星导航系统之间的互操作信号采用功率谱特征相同的调制方式，因此不同系统之间互操作信号的隔离依赖于扩频码，所以研究改进的扩频码优选方法对于提升导航系统性能，改善系统兼容性，促进卫星导航系统的建设有重要作用。

GPS较新的信号分量L1C的主码码长为10230，码型为Weil码，通过自互相关性能的筛选而得到。而与GPSL1C采用Weil码不同，Galileo的ElOS和E6C采用Random码。Random码是基于存储的序列，它没有固定的产生模式，是从2Mn种(M为码序列个数，n为码长)可能的排列中挑选出来的。

现有技术分析了码平衡性，最大自相关旁瓣，最大互相关和最大频谱幅度对系统性能的影响，提出根据指标的权重值和在这4个指标上扩频码的计算值来计算各个扩频码的加权计算值，选取加权计算值小的扩频码为最优。该方法只描述了待优选码集合码长等于目标码集合码长的情况，但实际应用中待优选码集合码长往往不能直接取目标码长。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种码长可以自由选取、更符合实际应用情况且性能较好的扩频码的导航信号扩频码的优选方法。

本发明实施例提供的导航信号扩频码的优选方法包括下述步骤：

S1：判断扩频码集合M的码长L是否等于目标码长L_T，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S2；

S2：对扩频码集合M中N个扩频码进行截短，并根据扩频码的平衡性和奇偶自相关最大旁瓣获得N个最佳截短码并构成待优化码集合M1；其中N的大小由码型和码长决定；

S3：根据待优化码集合M1中所有扩频码的最大奇偶自相关旁瓣、干扰参数和最大频谱幅度以及设定的累积概率获得待优化码集合M2，M2中包括N′个扩频码；其中N′<N，N′的大小与步骤S33中累积概率a的取值直接挂钩；

S4：计算待优化码集合M2中N′个扩频码的两两奇偶互相关，并得到N′个扩频码的两两最大奇偶互相关；

S5：将两两最大奇偶互相关中最小值对应的一对扩频码作为种子码，并得到初始码集合code＝{code1，code2}；其中code为当前的码集合，code1和code2分别为初始化的两个码；code1和code2是码集合M3的初始化种子码，由这两个码然后根据S6和S7两个步骤就可以得到码集合M3。

S6：在待优化码集合M2剩余的N′-2个扩频码中每个码都与code1和code2分别存在一个最大奇偶互相关{a_i，b_i}，1≤i≤N′-2，取{a_i，b_i}中较大的那个值作为比较参数c_i，则得到一个集合{c₁，c₂，...，c_N′-2}；

S7：取集合中最小值对应的码序列作为code3，并将code3添加进初始码集合得到code＝{code1，code2，code3}，并以此类推，直到code集合中元素个数等于设定的个数N″时，得到大小为N″的最终码集合M3；其中N″<N，具体N″大小的设定与该系统发射的卫星数目有关。

作为更进一步优选地，步骤S3具体包括：

S31：依次计算待优化码集合M1中所有扩频码的最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数和最大频谱幅度；

S32：将N个扩频码的最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数和最大频谱幅度分别构成旁瓣集合S¹＝[max AC₁，max AC₂，...，max AC_N]，干扰集合S²＝[IP₁，IP₂，...，IP_N]和频谱集合S³＝[Maxspec₁，Maxspec₂，...，Maxspec_N]；

S33：将集合中的元素从小到大排列，并根据设定的累积概率选取扩频码，得到待优化码集合M2，码集合大小为N′。

作为更进一步优选地，在步骤S31中，根据公式

计算干扰参数；l为码相位偏移，

表示序列C(n)在偏移量为l时的线性自相关归一化值。序列C(n)此处只是一个代号，指代任何需要计算干扰参数的码，实际上码就是一串数字，也可称为一个序列。

作为更进一步优选地，在步骤S31中，根据公式max spec＝max(|FT(C(n))|)计算最大频谱幅度，FT(C(n))表示序列C(n)的傅里叶变换。

作为更进一步优选地，在步骤S33中，根据设定的累积概率选取扩频码步骤具体包括：将3个集合中的元素都从小到大排列，并设定累积概率a，若a＝0.5，则取已排序集合的前50％予以保留，根据选定的累积概率a，选取3个参数都符合要求的扩频码予以保留。

作为更进一步优选地，在步骤S33中，累积概率的设定依据：累积概率a的取值在不同的伪码优化过程中可以不同，如果需要最终码集合的互相关性能较好，那么a的取值可以大一些，这样N′就大一些，在接下来的互相关优选步骤中就会有更大的优选空间，反之如果需要最终码集合的自相关性能，跟踪性能和抗窄带干扰性能好一些，则a取值应该小一些。

本发明中，待优选码族码长与目标码长不相等的情况，通过计算截短码的平衡性和最大奇偶自相关旁瓣来确定截断点，并根据最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数，最大频谱幅度，最大奇偶互相关进一步优选，和现有技术相比，码长的选取更自由，奇相关的考虑也更符合实际应用情况，可以得到性能较好的扩频码，在不改变卫星导航系统软硬件设计方案和不增加系统建设成本的条件下，提高卫星导航系统的性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的导航信号扩频码的优选方法的实现流程图；

图2是待优化码集合M1到待优化码集合M2的优选方法；

图3是待优化码集合M2到最终码集合M3的优选方法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例克服现有技术的不足，给出了一种优选导航卫星扩频码的方法，该方法包含待优选码族码长与目标码长不相等的情况，通过计算截短码的平衡性和最大奇偶自相关旁瓣来确定截断点，并根据最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数，最大频谱幅度，最大奇偶互相关进一步优选，和现有技术相比，码长的选取更自由，奇相关的考虑也更符合实际应用情况，可以得到性能较好的扩频码，在不改变卫星导航系统软硬件设计方案和不增加系统建设成本的条件下，提高卫星导航系统的性能。本发明实施例中加入了待优选码集合码长不等于目标码长的情况，并在计算自相关和互相关时加入了奇相关的计算。

如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的优选导航卫星扩频码的方法，具体步骤如下：

(1)对于包含N个扩频码的常用扩频码集合M，若其码长L等于目标码长L_T，则定义码集合M为待优化码集合M1进入步骤(6)；若其码长不等于目标码长，则取大于L_T的第一种可能码长L，并进入步骤(2)进行截短。比如gold码码长只能取2ⁿ-1，n取正整数，如果目标码长为1000，则取n＝10，原始码长为1023的gold码来进入步骤2进行截短，而不取n＝11或者更大的值。

(2)对M中的N个扩频码进行截短，每个扩频码都存在L种循环截短方式，首先生成每个扩频码的L个截短码，根据

得到每个截短码的平衡性，其中表示第i个截短码中码元0的个数，

表示第i个截短码中码元1的个数，1≤i≤L。留下D≤1的截短码形成集合S_i，1≤i≤N。D≤1的码平衡性较好。

(3)依次计算集合S_i中每个截短码的循环移位奇偶自相关值 ${\mathrm{AC}}_p^{e,o}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{l=1}{\overset{L_T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(-1)}^{\mathrm{\&tau;}}{C}_p\left(l\right)C_p(l-k),$

0≤k≤L_T-1，C_p(l)为S_i中第p个扩频码的第l个码片，k为码片循环移位的偏移量，0≤k≤L_T-1，C_p(l-k)为S_i中第p个扩频码的第l-k个码片，计算自相关和互相关时码由{-1，1}组成，转换原则是0变1，1变-1。

(4)根据步骤(3)中得出的S_i中第p个扩频码的循环移位奇偶自相关值，获得S_i中第p个扩频码的最大奇偶自相关旁瓣1≤k≤L_T-1，其中max()为取最大操作。

(5)根据步骤(4)得到S_i中所有截短码的最大奇偶自相关旁峰值，取最大奇偶自相关旁瓣中最小值对应的截短码作为码族M中第i个扩频码的最佳截短码予以保留，并依照步骤(3)和步骤(4)得到其他S_j中的最佳截短码，1≤j≤N，j≠i，得到码长为L_T，码集合大小为N的待优化码集合M1。

(6)依次计算待优化码集合M1中所有扩频码的最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数，和最大频谱幅度，干扰参数

l为码相位偏移，

表示序列C(n)在偏移量为l时的线性自相关归一化值。序列C(n)为任何需要计算干扰参数的扩频码。最大频谱幅度max spec＝max(|FT(C(n))|)，FT(C(n))表示序列C(n)的傅里叶变换。则得到待优化码集合M1中第i个码的3个参数{max AC_i，IP_i，max spec_i}。

(7)将待优化码集合M1中N个扩频码的3个参数构成3个集合S¹＝[max AC₁，max AC₂，...，max AC_N]，S²＝[IP₁，IP₂，...，IP_N]，S³＝[Maxspec₁，Maxspec₂，...，Maxspec_N]，将3个集合中的元素都从小到大排列，并设定累积概率a，若a＝0.5，则取已排序集合的前50％予以保留，根据选定的累积概率a，选取3个参数都符合要求的扩频码予以保留，得到待优化码集合M2，码集合大小为N′。累积概率a的取值在不同的伪码优化过程中可以不同，如果需要最终码集合的互相关性能较好，那么a的取值可以大一些，这样N′就大一些，在接下来的互相关优选步骤中就会有更大的优选空间，反之如果需要最终码集合的自相关性能，跟踪性能和抗窄带干扰性能好一些，则a取值应该小一些。

(8)计算待优化码集合M2中所有扩频码的两两奇偶互相关，公式为 ${\mathrm{CC}}_{p,q}^{e,o}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{l=1}{\overset{L_T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(-1)}^{\mathrm{\&tau;}}{C}_p\left(l\right)C_q(l-k),$

0≤k≤L_T-1，C_p(l)表示扩频码p的第l个码片，C_q(l-k)表示扩频码q的第l-k个码片。

(9)根据步骤(8)得到待优化码集合M2中所有扩频码的两两最大奇偶互相关

1≤k≤L_T-1，其中max()为取最大操作。找出两两最大奇偶互相关最小的一对扩频码作为种子码，得到初始码集合code＝{code1，code2}(code表示当前的码集合，code1和code2表示初始化的两个码)，在码集合M2剩余的N′-2个码中每个码都与code1和code2分别存在一个最大奇偶互相关{a_i，b_i}，1≤i≤N′-2，取{a_i，b_i}中较大的那个值作为比较参数，并设定为c_i，则得到一个集合{c₁，c₂，...，c_N′-2}，取集合中最小值对应的码序列作为code3添加进初始码集合，得到code＝{code1，code2，code3}，并以此类推，直到code集合中元素个数满足要求，得到大小为N″的最终码集合M3。

本发明与现有技术相比的有益效果是：给出了一种优选导航卫星扩频码的方法，该方法包含码族码长与目标码长不相等的情况，通过计算截短码的平衡性和最大奇偶自相关旁瓣来确定截断点，并根据最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数，最大频谱幅度，最大奇偶互相关进一步优选，和现有技术相比，码长的选取更自由，奇相关的考虑也更符合实际应用情况，可以得到性能较好的扩频码，在不改变卫星导航系统软硬件设计方案和不增加系统建设成本的条件下，提高了卫星导航系统的性能。

平衡性好的扩频码中正负电平大致相当，使得发送信号的直流分量小，而且具有更好的频谱特性。使用最大奇偶自相关旁瓣小的扩频码有利于降低接收机假锁的概率。最大奇偶互相关小的扩频码抗多址干扰的能力较强。扩频码对跟踪性能的影响可以用干扰参数表示。最大频谱幅度较小的扩频码抗窄带干扰的能力较强。因此，根据码平衡性，最大奇偶自相关旁瓣，最大奇偶互相关，干扰参数，最大频谱幅度这五个指标优选扩频码可以综合提升卫星导航系统的性能。

现结合实例，对本发明做进一步的阐述：

选取码长L为10243，码族大小N为5121的weil码族作为待优选码族，目标码长L_T为10230，目标码族M3大小N″为100。

当待优选码族的码长大于目标码长，根据以下步骤进行截短：

(1)生成码族中第一个扩频码的所有截短码，根据

得到每个截短码的平衡性，其中

表示第i个截短码中码元0的个数，

表示第i个截短码中码元1的个数，1≤i≤L。留下D＝0的截短码形成集合S_i，1≤i≤N。

(2)计算S_i中截短码的循环移位奇偶自相关值 ${\mathrm{AC}}_p^{e,o}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{l=1}{\overset{L_T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(-1)}^{\mathrm{\&tau;}}{C}_p\left(l\right)C_p(l-k),$

C_p(l)为S_i中第p个扩频码的第l个码片，k为码片循环移位的偏移量，0≤k≤L_T-1，C_p(l-k)为第S_i中第p个扩频码的第l-k个码片，计算自相关和互相关时码由{-1，1}组成，转换原则是0变1，1变-1。

(3)根据步骤(2)中得出的S_i中第p个扩频码的循环位移奇偶自相关值，获得S_i中第p个扩频码的最大奇偶自相关旁瓣

1≤k≤L_T-1，其中max()为取最大操作。

(4)根据步骤(3)得到S_i中所有截短码的最大奇偶自相关旁瓣值，取最大奇偶自相关旁瓣最小的截短码作为码族M中第i个扩频码的截短码予以保留。

(5)重复步骤(1)-(4)得到原始码族中其他扩频码的最佳截短码，并和第一个扩频码的最佳截短码组成待优化码集合M1，码长为10230。

(6)计算待优化码集合M1中所有码序列的最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数，和最大频谱幅度，干扰参数

l为码相位偏移，

表示序列C(n)在偏移量为l时的线性自相关归一化值。最大频谱幅度max spec＝max(|FT(C(n))|)，FT(C(n))表示序列C(n)的傅里叶变换。则对待优化码集合M1中第i个码得到3个参数{max AC_i，IP_i，max spec_i}。

(7)将待优化码集合M1中N个扩频码的3个参数构成3个集合S¹＝[max AC₁，max AC₂，...，max AC_N]，S²＝[IP₁，IP₂，...，IP_N]，S³＝[Maxspec₁，Maxspec₂，...，Maxspec_N]，将3个集合中的元素都从小到大排列，并设定累积概率a，若a＝0.5，则取已排序集合的前50％予以保留。对应每个累计概率我们可以得到三个阈值TD_acf(最大奇偶自相关旁瓣)，TD_spec(最大频谱幅度)，TD_ip(干扰参数)。对于三个参数都小于这三个阈值的码，我们予以保留，反之，则删除。不断的降低累计概率，例如从99.9％到99.8％，这样三个阈值就会不断的变小，使得码集合也不断的缩小，直到码的个数达到我们要求的大小N′。关于待优化码集合M2大小N′的确定，在于指标的权重考虑，如果需要最终的码集合M3有更好的抗多址干扰性能，则N′可以确定的稍大，如果需要最终码集合M3有更好的跟踪性能，更低的接收机假锁概率，更好的抗窄带干扰性能，则N′可以确定的稍小。

(8)计算待优化码集合M2中所有扩频码的两两奇偶互相关，公式为 ${\mathrm{CC}}_{p,q}^{e,o}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{l=1}{\overset{L_T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(-1)}^{\mathrm{\&tau;}}{C}_p\left(l\right)C_q(l-k),$

0≤k≤L_T-1，C_p(l)表示扩频码p的第l个码片，C_q(l-k)表示扩频码q的第l-k个码片。

(9)根据步骤(8)得到待优化码集合M2中所有扩频码的两两最大奇偶互相关

1≤k≤L_T-1，其中max()为取最大操作。

(10)找出两两最大奇偶互相关最小的一对扩频码作为种子码，得到初始码集合code＝{code1，code2}(code表示当前的码集合，code1和code2表示初始化的两个码)。

(11)在待优化码集合M2剩余的N′-2个码中每个码都与code1和code2分别存在一个最大奇偶互相关{a_i，b_i}，1≤i≤N′-2，取{a_i，b_i}中较大的那个值作为比较参数，并设定为c_i，则得到一个集合{c₁，c₂，...，c_N′-2}，取集合中最小值对应的码序列作为code3添加进初始码集合，得到code＝{code1，code2，code3}。

(12)依此类推，直到码集合大小为100，得到最终码集合M3。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种导航信号扩频码的优选方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：判断扩频码集合M的码长L是否等于目标码长L_T，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S2；

S2：对扩频码集合M中N个扩频码进行截短，并根据扩频码的平衡性和奇偶自相关最大旁瓣获得N个最佳截短码并构成待优化码集合M1；

S3：根据待优化码集合M1中所有扩频码的最大奇偶自相关旁瓣、干扰参数和最大频谱幅度以及设定的累积概率获得待优化码集合M2，M2中包括N′个扩频码；

S4：计算待优化码集合M2中N′个扩频码的两两奇偶互相关，并得到N′个扩频码的两两最大奇偶互相关；

S5：将两两最大奇偶互相关中最小值对应的一对扩频码作为种子码，并得到初始码集合code＝{code1，code2}；其中code为当前的码集合，code1和code2分别为初始化的两个码；

S6：在待优化码集合M2中剩余的N′-2个扩频码中每个码都与code1和code2分别存在一个最大奇偶互相关{a_i，b_i}，取{a_i，b_i}中较大的那个值作为比较参数c_i，则得到一个集合{c₁，c₂，...，c_N′-2}；1≤i≤N′-2

S7：取集合{c₁，c₂，...，c_N′-2}中最小值对应的码序列作为code3，并将code3添加进初始码集合得到code＝{code1，code2，code3}，并以此类推，直到code集合中元素个数等于设定的个数N″时，得到大小为N″的最终码集合M3。

2.如权利要求1所述的优选方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S31：依次计算待优化码集合M1中所有扩频码的最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数和最大频谱幅度；

S32：将N个扩频码的最大奇偶自相关旁瓣，干扰参数和最大频谱幅度分别构成旁瓣集合S¹＝[max AC₁，max AC₂，...，max AC_N]，干扰集合S²＝[IP₁，IP₂，...，IP_N]和频谱集合S³＝[Maxspec₁，Maxspec₂，...，Maxspec_N]；

S33：将集合中的元素从小到大排列，并根据设定的累积概率选取扩频码，得到待优化码集合M2，码集合M2大小为N′。

3.如权利要求2所述的优选方法，其特征在于，在步骤S31中，根据公式

计算干扰参数；l为码相位偏移，

表示序列C(n)在偏移量为l时的线性自相关归一化值；序列C(n)为任何需要计算干扰参数的扩频码。

4.如权利要求3所述的优选方法，其特征在于，在步骤S31中，根据公式maxspec＝max(|FT(C(n))|)计算最大频谱幅度maxspec，FT(C(n))表示序列C(n)的傅里叶变换。

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