CN104076370A - 适用于多路径信号的码跟踪环和码跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多路径信号的码跟踪环和码跟踪方法，码跟踪环包括依次相连的码跟踪环、码数字振荡器、本地码发生器、PVT解算单元，所述的码跟踪环为并联码跟踪环，由基于CCRW的码跟踪环和基于MUSIC的码跟踪环并联构成。卫星信号与本地信号的相关器的输出信号同时进入并联码跟踪环中各码跟踪环，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态，获得码多普勒估计值；码数字振荡器根据码跟踪环输出的码多普勒估计值控制本地码发生器。本发明结合窄相关、参考波形相关和MUSIC的优势，构造了一种组合型延迟锁定环，该组合型延迟锁定环能克服单个相关器的不足，更适用于多路径信号跟踪。

Description

适用于多路径信号的码跟踪环和码跟踪方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种适用于多路径信号的码跟踪环和跟踪方法。

背景技术

GNSS系统中，多径是由卫星信号经物体反射或散射后进入接收机引起的，城市峡谷和室内等环境下进行卫星信号跟踪的关键问题之一就是多路径信号抑制。此种环境下的信号可能只包含非视距传播的反射或散射信号或者是非视距传播和视距传播的直射信号的混合信号。传统的码跟踪环路采用码相关参考波形(CCRW)技术(例如窄相关技术)，来进行多路径信号抑制，这种方法尤其适用于高精度定位等，其思想是通过改变本地复现码波形以期获得更理想的鉴相函数，从而抑制多路径信号。CCRW技术具有相似的短延时多路径信号抑制性能，其中，窄相关的长延时多路径信号抑制性能最差，而噪声性能更好(相比于其他几种方法有2.4-7.8dB的优势)，因此得到了广泛应用。为了达到更好的短延时多路径抑制性能，生成的本地伪码宽度和相关器间距需要调整得很小(小于0.1码片)。虽然更窄的伪码宽度和相关器间距能够获得更好的降噪性能，但更窄的伪码宽度会降低城市峡谷等环境下的码跟踪稳定性。

跟踪多径信号的准则是跟踪最先到达的信号而不管这个信号是视距传播信号还是非视距传播信号。CCRW技术可以抑制当前跟踪信号中的多路径干扰，但是在城市峡谷环境中最先到达的信号可能存在快变的情况，尤其是当此信号是非视距传播信号，因为复杂的城市环境导致反射或散射信号有可能经过任意建筑物后进入接收机，因此非视距传播信号和接收机周围环境密切相关。现有解决接收信号快变的一种方法是开环跟踪，因为开环跟踪能够快速调整跟踪参数。但开环跟踪的缺点是无法利用卫星间相关性进行辅助跟踪，并且相比传统的闭环跟踪，开环跟踪的观测量噪声更大。解决接收信号快变的另一种方法是矢量跟踪环路，与标量跟踪法不同，矢量跟踪环路会利用卫星间相关性，从而利用其它卫星的跟踪结果进行辅助跟踪。但是矢量结构接收机中由于真实码相位包含电离层等误差，导致通过定位解算估计的码相位和真实码相位存在差异，因此窄相关技术不适用于矢量跟踪环路。

多路径信号跟踪的分辨率也是城市环境应用的关键因素。无线通信中信道可被建模成包含一系列随机相位和随机幅度的多路径信号成分。传统的码跟踪方法采用相关法，这种方法在多路径信号延时大于码环带宽的倒数时能够有效工作，但城市环境的应用中这种条件无法满足，因此传统码跟踪环路对多路径信号的处理分辨率有限。高分辨率的多路径抑制方法是一类采用特征空间分解的方法来确认不同延时的多路径信号成分的高效率方法。MUSIC(Multiple SignalClassification，多重信号分类)算法属于这类高分辨率算法，在带宽和传统方法相同的情况下，MUSIC算法能够更高效率的分辨短延时的多路径信号成分。这种算法估计最早到达的信号成分采用的是直接估计最短延时的信号成分的到达时间，而不是通过寻找相关值峰值的方法。但MUSIC算法也存在计算复杂、在低信噪比环境下只能提供有偏估计等不足。

发明内容

为解决上述各种方法存在的问题，本发明结合窄相关(CCRWA)、参考波形相关(CCRWB)和MUSIC算法的不同优势，提出了一种适用于多路径信号的码跟踪环和码跟踪方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、适用于多路径信号的码跟踪环，包括依次相连的码跟踪环、码数字振荡器、本地码发生器、PVT解算单元，所述的码跟踪环为并联码跟踪环，由基于CCRW的码跟踪环和基于MUSIC的码跟踪环并联构成。

上述基于CCRW的码跟踪环为基于CCRWA的码跟踪环或基于CCRWB的码跟踪环。

上述基于CCRW的码跟踪环由基于CCRWA的码跟踪环和基于CCRWB的码跟踪环并联构成。

二、一种适用于多路径信号的码跟踪方法，包括：

卫星信号与本地信号的相关器的输出信号同时进入并联码跟踪环中各码跟踪环，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态，获得码多普勒估计值；码数字振荡器根据各码多普勒估计值之和控制本地码发生器。

三、另一种适用于多路径信号的码跟踪方法，包括：

卫星信号与本地信号的相关器的输出信号同时进入并联码跟踪环中各码跟踪环，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态，获得码多普勒估计值；码数字振荡器根据各码跟踪环获得的码多普勒估计值以及PVT解算单元获得的多普勒估计值之和控制本地码发生器。

在上述适用于多路径信号的GNSS码跟踪方法中，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态的过程中，采用的相干积分时间长于导航电文比特时间，各码跟踪环使用外界星历辅助或接收机估计导航电文获得导航电文比特时间。

在上述适用于多路径信号的GNSS码跟踪方法中，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态的过程中，基于CCRW的码跟踪环使用闭环跟踪，基于MUSIC的码跟踪环根据通道传播延时的不同选择开环跟踪或闭环跟踪。

在上述适用于多路径信号的GNSS码跟踪方法中，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态的过程中，基于CCRW的码跟踪环使用标量跟踪模式，基于MUSIC的码跟踪环使用标量跟踪模式或矢量跟踪模式。

在上述适用于多路径信号的GNSS码跟踪方法中，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态的过程中，各码跟踪环采用通过星历和接收机位置速度计算得到的多普勒信息、本地时钟估计的接收机钟漂产生的多普勒漂移、载波跟踪环路跟踪得到的载波残余以及惯导设备估计得到的多普勒信息辅助码跟踪。

四、适用于多路径信号的码牵引方法，包括步骤：

步骤1，捕获卫星信号获得码相位信息；

步骤2，采用宽延迟锁定环进行牵引，获得基于MUSIC的码跟踪环的相关参数；

步骤3，采用基于MUSIC的码跟踪环跟踪第一到达路径信号，至稳定跟踪；

步骤4，采用基于CCRW的码跟踪环锁定第一到达路线信号。

和现有技术相比，本发明具有如下特点：

结合窄相关(CCRWA)、参考波形相关(CCRWB)和MUSIC的优势，构造了一种组合型延迟锁定环(Delay Lock Loop，DLL)，该组合型延迟锁定环能克服单个相关器的不足，更适用于多路径信号跟踪。

附图说明

图1为基于并联码跟踪环的跟踪系统具体结构图；

图2为基于MUSIC的码跟踪环的跟踪流程图；

图3为信号捕获系统的框架示意图；

图4为本发明信号牵引示意图。

具体实施方式

本发明结合窄相关(CCRWA)、参考波形相关(CCRWB)和MUSIC算法的不同优势，构造了一种组合型延迟锁定环(Delay Lock Loop，DLL)，该组合型DLL能够克服单个相关器的不足，更适用于多路径信号跟踪。

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

本发明码跟踪环由多个不同码跟踪环并联构成，以图1为例，图中码跟踪环由基于CCRWA的码跟踪环、基于CCRWB的码跟踪环和基于MUSIC的码跟踪环并联构成，基于CCRWA的码跟踪环、基于CCRWB的码跟踪环和基于MUSIC的码跟踪环均属于本技术领域内的公知技术。基于CCRWA的码跟踪环和基于CCRWB的码跟踪环中，CCRW码波形根据接收机射频前端进行选择。基于CCRWA的码跟踪环的噪声抑制性能要求优于基于CCRWB的码跟踪环噪声抑制性能，即基于CCRWA的码跟踪环的噪声抖动要求小于基于CCRWB的码跟踪环；同时，基于CCRWB的码跟踪环的长延时多路径信号抑制性能要求优于基于CCRWB的码跟踪环。

本发明通过组合各种性能互补的码跟踪环来提高卫星码跟踪性能，具体采用的码跟踪环数据和类型可根据实际需要进行调整，并不限于图1所示的技术方案。

见图1，具体实施时，卫星信号与本地信号的相关器的输出同时进入基于CCRWA的码跟踪环、基于CCRWB的码跟踪环，以及基于MUSIC的码跟踪环中，三个码跟踪环分别独立跟踪码动态，并输出各自估计的码相位误差和码多普勒值。在标量跟踪模式下，三个码跟踪环输出的码多普勒相加后输出至码NCO(码数字振荡器)；在矢量跟踪模式下，将三个码跟踪环输出的码多普勒以及PVT解算单元估计的码多普勒相加后输出至码NCO。码NCO根据接收的码多普勒控制本地码发生器产生对应的伪随机码，产生的伪随机码的码相位与接收信号相同。

上述PVT解算单元利用各卫星的伪距和载波相位观测量，通过最小二乘法、Kalman滤波法等进行PVT解算，并将估计的频率作为码多普勒估计值。伪距根据从码NCO读取的信号发射时间、本地时间和光速计算得到；载波相位观测值是在跟踪环路锁定时、从载波NCO中读取获得。

本发明基于CCRWA的码跟踪环与基于CCRWB的码跟踪环的跟踪方法以CCRW波形为本地码，跟踪流程与常规延迟锁定环跟踪路程相同，属于现有技术。

基于MUSIC的码跟踪环的跟踪流程见图2，包括步骤：对卫星信号与本地信号的相关器的输出进行补零FFT(快速傅里叶变换)处理，得到FFT处理结果FFT_correlation。对发射端与接收端的滤波器卷积进行补零FFT处理，其中，发射端与接收端的滤波器卷积是在开阔天空时做出的估计，存储于跟踪系统。将上述两个FFT处理结果相除获得传输信道的频域响应，并求得其协方差矩阵；对协方差矩阵进行奇异值分解，按照奇异值大小顺序构造对应的矢量；根据信噪比对构造的矢量进行信号与噪声的子空间分解，建立噪声子空间矩阵。估计第一到达路径信号到达时间(TOA)。利用TOA估计值除以基于MUSIC的码跟踪环更新时间，得到多普勒值。基于获得的多普勒值调整码NCO频率，也可以利用TOA直接改变本地码相位，达到调整码NCO的目的。

跟踪信号前需要进行信号牵引，传统的信号牵引方法往往通过宽相关器进行牵引，然而，宽相关器对多径十分敏感；然后，从宽相关器逐步过渡到窄相关器，当第一到达路径信号较弱时，系统容易锁定在多径信号上。

针对上述问题，本发明提出了一种牵引方法，见图3～4，首先，对卫星信号进行捕获获得卫星信号的码相位信息，见图3。接着，根据捕获获得的码相位信息进行信号牵引，见图4，将开关切换到开关1处，利用宽延迟锁定环跟踪，经预设时间(典型预设时间为0.5s)后，开关切换到开关2处，采用基于MUSIC的码跟踪环跟踪第一到达路径信号，至达到稳定跟踪，牵引完成，此时将开关切换置图1所示的并联跟踪环，即使相关器的输出连接并联跟踪环。牵引过程中采用基于MUSIC的码跟踪环作为鉴相器。采用基于CCRWA的码跟踪环与基于CCRWB的码跟踪环锁定第一到达路径信号峰值，进入跟踪模式。

本具体实施中，组合型延迟锁定环中三个码跟踪环各自独立工作时，各参数设置如下，但不限于此：

基于CCRWA的码跟踪环采用窄相关，环路滤波器阶数为2，环路滤波器带宽为1Hz，环路更新时间为5-20ms；基于CCRWB码跟踪环采用其他波形相关器，环路滤波器阶数为1或2，环路滤波器带宽为0.15Hz，环路更新时间为80-120ms；基于MUSIC的码跟踪环采用1阶环路滤波器，环路滤波器带宽为0.1-0.5Hz，环路更新时间为1000-2000ms。

具体实施时，基于CCRWA的码跟踪环、基于CCRWB的码跟踪环、基于MUSIC的码跟踪环中，相干积分时间一般长于导航电文比特时间，并联跟踪环使用外界星历辅助或接收机估计导航电文来实现长相干积分时间。

具体实施时，组合型延迟锁定环采用通过星历和接收机位置速度计算得到的多普勒信息、本地时钟估计的接收机钟漂产生的多普勒漂移、载波跟踪环路跟踪得到的载波残余以及惯导设备估计得到的多普勒信息来辅助码跟踪环路。

具体实施时，基于CCRWA的码跟踪环和基于CCRWB的码跟踪环的码环使用闭环跟踪，基于MUSIC的码跟踪环根据通道传播延时选择开环跟踪或闭环跟踪。

具体实施时，基于CCRWA的码跟踪环和基于CCRWB的码跟踪环使用标量跟踪模式，基于MUSIC的码跟踪环既可使用标量跟踪模式也可以使用矢量跟踪模式。

具体实施时，本发明组合型延迟锁定环可用于左手螺旋信号和右手螺旋信号的跟踪。

Claims (10)

1.适用于多路径信号的码跟踪装置，包括依次相连的码跟踪环、码数字振荡器、本地码发生器、PVT解算单元，其特征在于：

所述的码跟踪环为并联码跟踪环，由基于CCRW的码跟踪环和基于MUSIC的码跟踪环并联构成。

2.如权利要求1所述的适用于多路径信号的码跟踪装置，其特征在于：

所述的基于CCRW的码跟踪环为基于CCRWA的码跟踪环或基于CCRWB的码跟踪环。

3.如权利要求1所述的适用于多路径信号的码跟踪装置，其特征在于：

所述的基于CCRW的码跟踪环由基于CCRWA的码跟踪环和基于CCRWB的码跟踪环并联构成。

4.适用于多路径信号的码跟踪方法，其特征在于：

卫星信号与本地信号的相关器的输出信号同时进入并联码跟踪环中各码跟踪环，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态，获得码多普勒估计值；码数字振荡器根据各码多普勒估计值之和控制本地码发生器。

5.适用于多路径信号的码跟踪方法，其特征在于：

卫星信号与本地信号的相关器的输出信号同时进入并联码跟踪环中各码跟踪环，各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态，获得码多普勒估计值；码数字振荡器根据各码跟踪环获得的码多普勒估计值以及PVT解算单元获得的多普勒估计值之和控制本地码发生器。

6.如权利要求4或5所述的适用于多路径信号的码跟踪方法，其特征在于：

各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态的过程中，采用的相干积分时间长于导航电文比特时间，各码跟踪环使用外界星历辅助或接收机估计导航电文获得导航电文比特时间。

7.如权利要求4或5所述的适用于多路径信号的码跟踪方法，其特征在于：

各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态的过程中，基于CCRW的码跟踪环使用闭环跟踪，基于MUSIC的码跟踪环根据通道传播延时的不同选择开环跟踪或闭环跟踪。

8.如权利要求4或5所述的适用于多路径信号的码跟踪方法，其特征在于：

各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态的过程中，基于CCRW的码跟踪环使用标量跟踪模式，基于MUSIC的码跟踪环使用标量跟踪模式或矢量跟踪模式。

9.如权利要求4或5所述的适用于多路径信号的码跟踪方法，其特征在于：

各码跟踪环独立跟踪输入信号的码动态的过程中，各码跟踪环采用通过星历和接收机位置速度计算得到的多普勒信息、本地时钟估计的接收机钟漂产生的多普勒漂移、载波跟踪环路跟踪得到的载波残余以及惯导设备估计得到的多普勒信息辅助码跟踪。

10.适用于多路径信号的码牵引方法，其特征在于，依次包括步骤：

步骤1，捕获卫星信号获得码相位信息；

步骤2，采用宽延迟锁定环进行牵引，获得基于MUSIC的码跟踪环的相关参数；

步骤3，采用基于MUSIC的码跟踪环跟踪第一到达路径信号，至稳定跟踪；

步骤4，采用基于CCRW的码跟踪环锁定第一到达路线信号。