CN105572701B - 一种用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法，包括以下步骤：接收机对输入信号进行载波剥离；判断输入信号是否为弱信号，如果是，则以采样点间隔所对应的码片间隔产生多组本地码，取多组本地码中的任意多组对载波剥离后的信号进行码的剥离，且进行预设长度的积分并求幅值得到相应的多个码的自相关函数的采样值；对多个码的自相关函数的采样值进行滤波得到多个滤波后的码的自相关函数的采样值；根据多个滤波后的码的自相关函数的采样值的峰值点位置对应的码片位置，得出码的相位误差值。本发明提出的用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法，既能保证大的牵引范围，又能保证较强的抗干扰能力。

Description

一种用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法
技术领域
本发明涉及导航定位领域，尤其涉及一种用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法。
背景技术
北斗二代卫星导航定位系统是我国正在研制建设中的新一代卫星导航定位系统，由空间卫星系统，地面运控系统和用户应用系统三大部分组成。其中应用系统用户接收机是北斗二代卫星导航系统的用户终端，各用户凭借接收机获取北斗二代导航系统的导航、定位、测速、报文通信信息。用户接收机是一个庞大的群体，其性能的优劣，直接影响北斗二代卫星导航系统效能的发挥。
北斗二代用户接收机的信号跟踪环路由载波环和码环组成，分别用于跟踪接收信号中的载波和伪码，对于码环，输入信号经载波剥离后与本地超前码(Early)、即时码(Prompt)和滞后码(Late)相乘并累加分别得到三个相关幅值E，P，L，码环鉴别器利用这些相关值计算出输入信号中的C/A码与本地C/A码(即时码)的相位误差，码相位误差经码环滤波器滤波后反馈到码NCO上，从而调整本地码发生器的相位，使其与输入信号中C/A码的相位一致，因此码环鉴别器的性能的优劣直接影响码环的可靠性和稳定性。
常用的码环鉴别器进行码环鉴相的方法主要有：归一化的非相干超前减去滞后幅值法、非相干超前减滞后功率法、似相干点积功率法、相干点积功率法。其中非相干超前减滞后功率法由于仅适用相干积分，其跟踪灵敏度较低；似相干点积功率法、相干点积功率法由于鉴别值存在一定误差且信号较弱时误码率较高也少被采用；归一化的非相干超前减去滞后幅值法由于其输入输出关系在码相位误差的牵入范围呈线性关系，视为目前性能较优且使用最广泛的码环鉴别器，如果本地码(即时码)是对准的，那么超前和滞后包络幅度相等，此时码环鉴别器输出的误差信号为零；如果本地码没有对准，那么超前和滞后包络便不相等，在相关时间段的限制范围内不相等的大小与码相位误差的大小成正比。归一化的非相干超前减去滞后幅值法虽然精度较高，但其易于受噪声的干扰，由于其仅使用两个或三个幅值点，当码的间隔小时，牵引范围小，当误差超出牵引范围时就容易失锁，易于受噪声的影响，而当码的间隔大时，虽然牵引范围大，但由于相关值的能量较小，也易于受噪声影响，加上信号的动态变化，使其输入输出的线性关系遭到破坏，使得环路会在低载噪比情况下失锁。当定位条件比较恶劣时，例如在城市峡谷、室内和森林等环境下，由于建筑物、树叶等的遮挡和阻碍，当信号穿过这些障碍物后信号能量将损失很大一部分，有些遮挡严重的情况下直射信号完全被阻塞，使得信号功率急剧下降，接收机极容易失锁并影响测量精度。因此，在弱信号情况下提高码环鉴别器的鲁棒性，使其能对抗较强的噪声干扰，强化跟踪能力成为改进接收机性能的主要目标。
发明内容
为了提高弱信号跟踪条件下码环的鲁棒性，提高跟踪灵敏度，本发明提出一种用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法，既能保证大的牵引范围，又能保证较强的抗干扰能力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法，包括以下步骤：
S1：所述接收机对输入信号进行载波剥离；
S2：判断所述输入信号是否为弱信号，如果是，则进入步骤S3；
S3：以采样点间隔所对应的码片间隔产生多组本地码，取所述多组本地码中的任意多组对步骤S1中载波剥离后的信号进行码的剥离，且进行预设长度的积分并求幅值得到相应的多个码的自相关函数的采样值；
S4：对所述多个码的自相关函数的采样值进行滤波得到多个滤波后的码的自相关函数的采样值；
S5：根据所述多个滤波后的码的自相关函数的采样值的峰值点位置对应的码片位置，得出码的相位误差值。
在进一步的方案中，步骤S2具体还包括：当所述输入信号在跟踪卫星下的载噪比低于预设阈值时，则判断所述输入信号为弱信号。
在进一步的方案中，步骤S3具体包括：
S31：以采样点间隔所对应的码片间隔产生A+1组本地码，在A+1组本地码中取任意的N+1组，其中fs为所述输入信号的采样频率，fc为北斗二代的码频率；
S32：将N+1组本地码分别与步骤S1中载波剥离后的信号进行码剥离，进行预设长度的积分，对积分值取模得到N+1个码的自相关函数的采样值。
在进一步的方案中，步骤S31中N+1组本地码对应的码相位是A+1组码相位中的任意N+1组，其中A+1组码相位分别为：
其中τ为所述本地码中的即时码对应的码相位，τ0为所述采样点间隔所对应的码片。
在进一步的方案中，步骤S32中第i段积分的码的自相关函数的采样值为：其中I(n)、Q(n)分别为第n组本地码剥离后的积分I支路和Q支路的值。
在进一步的方案中，步骤S4中具体包括对N+1个码的自相关函数的采样值进行滤波得到N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值，其中N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值
在进一步的方案中，步骤S5具体包括查找N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值R(n)中的最大值所对应的码片位置再由码片位置得出当前的码的相位误差值τ0为所述采样点间隔所对应的码片。
在进一步的方案中，步骤S4具体包括：对所述多个码的自相关函数的采样值进行M段平滑滤波得到多个滤波后的码的自相关函数的采样值，其中0＜M*预设长度＜1s。
在进一步的方案中，所述码环鉴相方法还包括步骤S6：将所述码的相位误差值送入环路滤波器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出一种用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法，根据码的相关函数的特点，按照采样点间隔对应的码片间隔对其进行多个采样，通过峰值的位置信息而非幅值进行码环鉴相，相对于现有的常用的码环鉴相方法，其优点是在弱信号情况下，峰值的能量较高且峰值搜索范围较大，其抗干扰的能力更强，码的鉴相结果误差更小，即保证较大的牵引范围，又保证较强的抗干扰能力，使跟踪环路更稳定，可较大程度的提高跟踪灵敏度以及弱信号跟踪的稳定性。
在进一步的方案中，本发明对比常用的码环鉴别器，用高密度的码相关函数的采样点来替代仅使用两个或三个码相关幅值，并进行平滑滤波，进一步去除噪声而进一步提高抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法流程图；
图2是本发明优选实施例的用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法流程图；
图3是分别采用本发明方法和现有技术方法对功率为-150dBm的输入信号的码环鉴相结果的对比图。
图4是分别采用本发明方法和现有技术方法对功率为-150dBm的输入信号的码环鉴相方法引起的跟踪的码频率误差的性能对比图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种实施例的用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法包括以下步骤：
S1：所述接收机对输入信号进行载波剥离；
S2：判断所述输入信号是否为弱信号，如果是，则进入步骤S3；
S3：以采样点间隔所对应的码片间隔产生多组本地码，取所述多组本地码中的任意多组对步骤S1中载波剥离后的信号进行码的剥离，且进行预设长度的积分并求幅值得到相应的多个码的自相关函数的采样值；
S4：对所述多个码的自相关函数的采样值进行滤波得到多个滤波后的码的自相关函数的采样值；
S5：根据所述多个滤波后的码的自相关函数的采样值的峰值点位置对应的码片位置，得出码的相位误差值。
进一步的实施例中，步骤S2具体还包括：当所述输入信号在跟踪卫星下的载噪比低于预设阈值时，则判断所述输入信号为弱信号。
进一步的实施例中，步骤S3具体包括：
S31：以采样点间隔所对应的码片间隔产生A+1组本地码，在A+1组本地码中取任意的N+1组，其中fs为所述输入信号的采样频率，fc为北斗二代的码频率；
S32：将N+1组本地码分别与步骤S1中载波剥离后的信号进行码剥离，进行预设长度的积分，对积分值取模得到N+1个码的自相关函数的采样值。
其中：步骤S31中N+1组本地码对应的码相位是A+1组码相位中的任意N+1组，其中A+1组码相位分别为：其中τ为所述本地码中的即时码对应的码相位，τ0为所述采样点间隔所对应的码片。
步骤S32中第i段积分的码的自相关函数的采样值为：其中I(n)、Q(n)分别为第n组本地码剥离后的积分I支路和Q支路的值。
步骤S4中具体包括对N+1个码的自相关函数的采样值进行滤波得到N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值，其中N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值
步骤S5具体包括查找N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值R(n)中的最大值所对应的码片位置再由码片位置得出当前的码的相位误差值τ0为所述采样点间隔所对应的码片。
更进一步的实施例中，步骤S4具体包括：对所述多个码的自相关函数的采样值进行M段平滑滤波得到多个滤波后的码的自相关函数的采样值，其中0＜M*预设长度＜1s。
更进一步的实施例中，所述码环鉴相方法还包括步骤S6：将所述码的相位误差值送入环路滤波器。
下面结合具体实例对本发明的北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法进行说明，在一具体实例中使用的A/D信号的采样频率fs＝32.736MHz，北斗二代B1I卫星码频率fc＝2.046MHz，产生本地码的组数为N+1，其中在下列具体实例中，N＝A＝16。其中，对于MEO/IGSO卫星，积分的预设长度可以采用20ms，平滑滤波阶数M＝5，对于GEO卫星，积分的预设长度可以采用2ms，平滑滤波阶数M＝10，下面结合MEO/IGSO卫星举例描述。
本实例如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤S1：设单通道跟踪卫星号为6，在此通道内，接收机先对A/D采样输入信号使用当前载波频率对其进行载波剥离。
步骤S2：判断当前的输入信号是否为弱信号，若为弱信号则使用弱信号下的码环鉴别器，进入步骤S3，否则进入步骤S6。
使用跟踪通道的载噪比信息判断当前的输入信号是否为弱信号。当输入信号在跟踪卫星下的载噪比低于预设阈值(例如：此预设阈值取值为28dB-Hz)时则认为当前信号为弱信号。
步骤S3：以采样点间隔所对应的码片间隔产生A+1＝17组本地码，在A+1组本地码中取N+1组，本实例中N＝A，N+1组本地码即为A+1组本地码，即17组本地码对步骤S1的输出信号进行码的剥离，且进行预设长度的积分并求幅值得到17个码的自相关函数的采样值，进入步骤S4。
所述步骤S3中具体包括：
步骤S31：以采样点间隔所对应的码片间隔产生17组本地码，采样点间隔对应的码片为τ0＝0.0625，本地码中的即时码对应的码相位为τ＝0，则17组本地码对应的码相位为：
[-0.5,-0.4375,-0.375,…-0.0625,0,0.0625,…0.375,0.4375,0.5]
步骤S32：将产生的17组本地码分别与步骤S1中载波剥离后的信号进行码剥离，并进行20ms的积分，对于MEO/IGSO卫星，积分前需进一步做NH码剥离，然后对积分值取模得到17个码的自相关函数的采样值。
设第n组本地码剥离后并进行积分后I支路和Q支路的值为：
I(n)，Q(n)
则第i段积分的自相关函数的17个采样值为：
步骤S4：对17个20ms积分的幅值进行5阶平滑滤波得到17个滤波后的码的自相关函数的采样值。
对积分后的码的自相关函数的采样值进行5阶平滑滤波得到最终码的的自相关函数的采样值R(n)为
步骤S5：找到17个滤波后的码的自相关函数的采样值的峰值点位置对应的码片值作为本次码的相位误差值，进入步骤S7。
查找R(n)中的最大值所对应的并且由的值得出当前的码的相位误差值δcp，计算如下：
步骤S6：使用强信号码环鉴别器，输出码的相位误差值。
强信号的码环鉴相器采用归一化的非相干超前减去滞后幅值法，设E为超前码的幅值，L为滞后码的幅值，E和L分别与即时码距离0.5个码片，则码的相位误差δcp计算为：
步骤S7：将码的相位误差值送入环路滤波器完成码环后续操作。
以下将以具体的仿真结果对比说明本发明的优越性，采用-150dBm的低动态(3m/s，0.5g，0.05g/s)的BD2信号作为输入信号，使用传统码环鉴相方法(归一化的非相干超前减去滞后幅值法)与本发明的码环鉴相方法的输出对比如图3，使用传统码环鉴相方法跟踪的码频率误差与使用本发明鉴相方法跟踪的码频率误差如图4，从图3和图4可以看出，在弱信号情况下，本发明的码环鉴相方法输出的码环鉴相结果(即码的相位误差值)波动更小，稳定性更好，跟踪的码频率误差更小，有效的提高了弱信号下的跟踪性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于北斗二代接收机弱信号跟踪的码环鉴相方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述接收机对输入信号进行载波剥离；
S2：判断所述输入信号是否为弱信号，如果是，则进入步骤S3；
S3：以采样点间隔所对应的码片间隔产生多组本地码，取所述多组本地码中的任意多组对步骤S1中载波剥离后的信号进行码的剥离，且进行预设长度的积分并求幅值得到相应的多个码的自相关函数的采样值；
S4：对所述多个码的自相关函数的采样值进行滤波得到多个滤波后的码的自相关函数的采样值；
S5：根据所述多个滤波后的码的自相关函数的采样值的峰值点位置对应的码片位置，得出码的相位误差值；
其中步骤S3具体包括：
S31：以采样点间隔所对应的码片间隔产生A+1组本地码，在A+1组本地码中取任意的N+1组，其中fs为所述输入信号的采样频率，fc为北斗二代的码频率；
S32：将N+1组本地码分别与步骤S1中载波剥离后的信号进行码剥离，进行预设长度的积分，对积分值取模得到N+1个码的自相关函数的采样值。
2.根据权利要求1所述的码环鉴相方法，其特征在于，步骤S2具体还包括：当所述输入信号在跟踪卫星下的载噪比低于预设阈值时，则判断所述输入信号为弱信号。
3.根据权利要求1所述的码环鉴相方法，其特征在于，步骤S31中N+1组本地码对应的码相位是A+1组码相位中的任意N+1组，其中A+1组码相位分别为：
其中τ为所述本地码中的即时码对应的码相位，τ0为所述采样点间隔所对应的码片。
4.根据权利要求1所述的码环鉴相方法，其特征在于，步骤S32中第i段积分的码的自相关函数的采样值为：其中I(n)、Q(n)分别为第n组本地码剥离后的积分I支路和Q支路的值。
5.根据权利要求4所述的码环鉴相方法，其特征在于，步骤S4中具体包括对N+1个码的自相关函数的采样值进行滤波得到N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值，其中N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值M为平滑滤波阶数。
6.根据权利要求5所述的码环鉴相方法，其特征在于，步骤S5具体包括查找N+1个滤波后的码的自相关函数的采样值R(n)中的最大值所对应的码片位置再由码片位置得出当前的码的相位误差值τ0为所述采样点间隔所对应的码片。
7.根据权利要求1至6任一项所述的码环鉴相方法，其特征在于，步骤S4具体包括：对所述多个码的自相关函数的采样值进行M段平滑滤波得到多个滤波后的码的自相关函数的采样值，其中0＜M*预设长度＜1s。
8.根据权利要求1至6任一项所述的码环鉴相方法，其特征在于，还包括步骤S6：将所述码的相位误差值送入环路滤波器。
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