CN105807291B

CN105807291B - 一种AltBOC信号的时延标定方法

Info

Publication number: CN105807291B
Application number: CN201610343223.7A
Authority: CN
Inventors: 刘轶龙; 魏海涛; 尹继凯; 翟江鹏; 树玉泉
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: CN105807291A

Abstract

本发明公开了一种AltBOC信号的时延标定方法，该方法结合AltBOC信号的特点合成整体信号等效扩频码，通过搭建AltBOC信号时延标定系统，使用高速信号采集装置采集并存储预设长度的AltBOC信号；将所采集存储的AltBOC信号下变频到基带，然后与上、下边带各支路扩频码以及整体信号等效扩频码做相关运算；通过搜索相关峰值所在位置，计算得到AltBOC信号链路时延值；最后用链路时延值扣除触发信号线缆的时延值和射频信号线缆的时延值后，得到AltBOC信号的时延值。该方法能够在一次采集AltBOC信号的条件下，完成对AltBOC整体信号时延以及上、下边带信号各支路时延的全部标定，同时能够兼容BPSK信号以及QPSK信号的时延标定。

Description

一种AltBOC信号的时延标定方法

技术领域

本发明涉及卫星导航、时间频率、数字信号处理等领域，特别涉及卫星导航AltBOC信号的发射设备时延标定问题。

背景技术

卫星导航系统基于到达时间(Time of Arrival,TOA)原理进行测距定位，即采用伪码测距的技术测量信号从已知位置的发射源至用户接收机所经历的时间，使用伪距测量的方法可以获得从发射源至接收机的组合时延。由于系统处理数据时，需要准确处理导航系统中的收发设备时延值，因此收发设备时延是卫星定位导航最主要的误差项之一。收发设备时延不仅会影响到卫星导航系统的定位、授时精度以及导航性能，同时也会影响卫星导航系统正常运行工作。

既有的卫星导航信号采用BPSK或QPSK调制方式，对于这两类信号已有成熟的时延标定方法，如魏海涛等人提出的“卫星导航设备时延精密标定方法与测试技术研究”以及钟兴旺等人提出的“BPSK调制器发射时延的一种高精度标定方法”等。该标定方法通过对时延位置处的相位反转点进行多次采样，进一步采用最小包络检测法计算其统计特性，从而获得设备时延的均值及稳定性，该方法已广泛应用在工程实践当中。

随着全球卫星导航系统的建设，一系列新体制导航信号投入应用，其中包括AltBOC等信号。由于信号体制发生变化，既有的BPSK信号时延标定方法无法直接应用于新一批卫星导航设备的时延标定中，这对卫星导航AltBOC等信号时延标定方法研究提出了急迫的需求，围绕此需求，本发明方法对相关内容展开了一系列探索。

在实际的卫星导航时延标定工作中，一般分为发射设备时延标定和接收设备时延标定。在目前的标定技术中，接收设备时延采用时延传递法获得，即组合时延扣除发射设备时延。因而，在时延标定过程中，发射设备时延的标定是最关键的。本发明方法主要研究AltBOC信号的发射设备时延标定方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对AltBOC信号，提出一种有效的时延标定方法，该方法能够解决AltBOC信号的上、下边带各支路发射时延标定以及整体信号发射时延标定的问题，同时该方法能够兼容BPSK信号以及QPSK信号的时延标定。

本发明的技术解决方案是：一种AltBOC信号的时延标定方法，步骤如下：

(1)搭建AltBOC信号时延标定系统；所述的AltBOC信号时延标定系统包括AltBOC信号发射设备、时频信号产生设备、高速信号采集装置、时延处理装置、触发信号线缆以及射频信号线缆；

(2)高速信号采集装置采集并存储预设长度的AltBOC信号；所述的AltBOC信号为上边带信号、下边带信号或整体信号；

(3)若存储的AltBOC信号为上边带信号或下边带信号，则按照BPSK信号或者QPSK信号的时延标定方法进行标定，结束本流程；若存储的AltBOC信号为整体信号，则执行步骤(4)；

(4)根据整体信号4个支路的扩频码和AltBOC信号8相位调制特征合成整体信号的等效扩频码；所述的4个支路的扩频码由2个上边带支路扩频码和2个下边带支路扩频码组成；

(5)将整体信号、整体信号中的上边带信号和整体信号中的下边带信号分别进行下变频一一对应得到基带信号、上边带基带信号和下边带基带信号；

(6)将基带信号、上边带基带信号和下边带基带信号与等效扩频码、上边带支路扩频码和下边带支路扩频码分别一一对应作滑动相关运算得到滑动相关运算结果；

(7)在所有滑动相关运算结果中分别搜索相关峰值所在位置，根据相关峰值所在位置计算得到AltBOC信号的链路时延值；

(8)用链路时延值扣除触发信号线缆的时延值和射频信号线缆的时延值后，得到AltBOC信号的时延值。

其中，步骤(2)所述的高速信号采集装置以10MHz信号作为参考信号，以1pps信号作为触发信号，对AltBOC信号以满足时延计算精度的采样率进行采集存储，采集的AltBOC信号自触发时刻开始至超过扩频码周期结束。

其中，步骤(4)所述的根据整体信号4个支路的扩频码和AltBOC信号8相位调制特征合成整体信号的等效扩频码，具体包括以下步骤：

(401)根据4个支路的扩频码得到AltBOC信号的8相位信息；

(402)将AltBOC信号的8相位信息通过混频转换为幅度信息；

(403)根据幅度信息得到等效扩频码。

其中，步骤(402)所述的将AltBOC信号的8相位信息通过混频转换为幅度信息，具体为：

其中，A为幅度，w＝2πf，f为载波频率，θ₀为相位，t为时间。

其中，步骤(403)所述的根据幅度信息得到等效扩频码，具体为：其中，PRN_EQU为等效扩频码。

其中，步骤(6)所述的滑动相关运算具体为：

其中，r(τ)为滑动相关运算结果，N为基带信号的点数，fs为高速信号采集装置的采样率，fc为码速率，T为扩频码周期，PRN为扩频码，为向上取整，为向下取整，X(i)为基带信号。

其中，步骤(6)之后还包括步骤：

(601)分别递增整体信号、上边带信号和下边带信号的下变频相位，根据递增后的相位一一对应再次分别对整体信号、上边带信号和下边带信号进行下变频得到新的基带信号、新的上边带基带信号和新的下边带基带信号；

(602)对新的基带信号、新的上边带基带信号和新的下边带基带信号与等效扩频码、上边带支路扩频码和下边带支路扩频码分别一一对应作进行滑动相关运算；

(603)重复(601)和(602)，直至得到最大相关峰值。

其中，步骤(7)所述的链路时延值为：

其中，td_calc为链路时延值，pos_max为相关峰值所在位置序号，N为基带信号的点数，fs为高速信号采集装置的采样率；

其中，步骤(8)所述的用链路时延值扣除触发信号线缆的时延值和射频信号线缆的时延值后，得到AltBOC信号的时延值；具体为：td＝td_calc+TLine_1pps-TLine_RF；

其中，td_calc为链路时延值，TLine_1pps为触发信号线缆，TLine_RF为射频信号线缆时延值。

其中，重复执行步骤(2)至步骤(8)，获得多个时延值，对所有时延值求平均值，将该平均值作为AltBOC信号的最终时延值。

本发明相对背景技术的优点在于：

(1)本发明方法率先提出了一种针对卫星导航AltBOC信号的时延标定技术手段，为该领域填充了空白。

(2)本发明方法中的时延标定方法能够在采集一次信号的条件下，对各个支路的时延值进行全部标定。

附图说明

图1为本发明方法所涉及设备的连接图。

图2为本发明方法的实现流程图。

图3为本发明的AltBOC整体信号等效扩频码生成示意图。

图4为本发明方法所提出的相关峰搜索时延标定原理图。

图5为本发明的链路时延值与实际发射时延值之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明方法所涉及设备的连接图。本发明方法涉及的AltBOC信号时延标定系统包括AltBOC信号发射设备、时频信号产生设备、高速信号采集装置、时延处理装置、触发信号线缆以及射频信号线缆。

图2为本发明方法的实现流程图。本发明方法的主要步骤如下：

(1)搭建AltBOC信号时延标定系统：按照图1所示连接AltBOC信号发射设备、时频信号产生设备、高速信号采集装置、时延处理装置、触发信号线缆以及射频信号线缆。

在工作状态下，时频信号产生设备为AltBOC信号发射设备和高速信号采集装置提供10MHz信号；AltBOC信号发射设备为高速信号采集装置提供1pps触发信号和AltBOC射频信号；时延处理装置控制高速信号采集装置采集AltBOC信号数据，并对数据进行分析和处理。在开始测试前，通过矢量网络分析仪或其它设备测试触发信号线缆以及射频信号线缆的时延值，分别记为TLine_1PPS以及TLine_RF。

(2)使用高速信号采集装置采集并存储AltBOC信号；所述的AltBOC信号为上边带信号、下边带信号或整体信号。

采集信号过程须满足以下三个方面要求：①采集信号起始时刻为1pps上升沿触发时刻；②所采集到的信号长度大于等于扩频码周期；③本时延标定方法的标定精度依赖于高速信号采集装置的采样率，高速信号采集装置的采样时间间隔即其标定分辨率，在实际使用过程中，在不超过高速信号采集装置存储深度的同时，采样率尽量高。建议在实际使用的过程中，设置采集装置以1pps作为触发信号，采样率为10GHz，采集并存储一个伪码周期的AltBOC信号。在这样的设置条件下，既保证了时延标定精度，又减小了数据文件存储大小，减小了后续的计算量。

(3)若存储的AltBOC信号为上边带信号或下边带信号时，则按照QPSK信号的时延标定方法进行标定，结束本流程；若上、下边带信号的数据支路与导频支路分开存储时，则按照BPSK信号的时延标定方法进行标定，结束本流程；若存储的AltBOC信号为整体信号，则执行步骤(4)。

(4)根据整体信号4个支路的扩频码和AltBOC信号8相位调制特征合成整体信号的等效扩频码。

AltBOC信号可视为八相位调制信号，假设载波相位初值为0，调制相位为θ₀，调制相位切换速率为子载波速率。假设AltBOC信号载波频率为f，令w＝2πf，则相位信息可以通过混频的方式转换为幅度信息，如下式所示：

混频后有效幅度信息为整体信号等效扩频码PRN_EQU的计算方法如下式所示：

当θ₀为90度时，PRN_EQU取1；当θ₀为270度时，PRN_EQU取-1。生成AltBOC整体信号等效扩频码的过程如图3所示，图3中实线表示幅度信息cosθ₀的值，虚线表示在t时刻，相位为θ₀时计算得到的等效扩频码PRN_EQU的数值。

(5)将整体信号、整体信号中的上边带信号和整体信号中的下边带信号分别进行下变频一一对应得到基带信号、上边带基带信号和下边带基带信号。

采用数字信号处理的方法对采集到的AltBOC信号进行下变频运算，下变频过程中对各信号初始相位进行搜索，以保证得到的相关峰值最大。

设AltBOC信号数据为RF(i),i＝1,2,...,N，AltBOC信号中心频率为f₀，上边带信号中心频率为f₁，下边带信号中心频率为f₂，采样率为fs，则AltBOC整体信号下变频得到的基带信号为：

AltBOC上边带信号下变频得到的基带信号为：

AltBOC下边带信号下变频得到的基带信号为：

在公式(3)、(4)、(5)中的Δθ、Δθ₁和Δθ₂分别是所采集AltBOC信号中AltBOC整体信号初始相位、AltBOC上边带信号初始相位以及AltBOC下边带信号初始相位。Δθ、Δθ₁和Δθ₂的具体值通过循环执行步骤(5)、步骤(6)来确定，每次执行步骤(5)，使Δθ、Δθ₁和Δθ₂的值递增，使得步骤(6)中相关峰值最高时的Δθ、Δθ₁和Δθ₂为信号的初始相位。

(6)将等效扩频码以及AltBOC上、下边带各支路扩频码以高速信号采集装置采样率作采样处理，采样后与步骤(5)所得基带信号作滑动相关运算得到滑动相关运算结果。

相关运算过程如图4所示。图中的基带信号数据可用下式表示：

设高速信号采集装置采样率为fs，扩频码周期为T，扩频码码片序列为PRN，码速率为fc，N为基带信号的点数，x(i)的长度为N，则图中所示的扩频码数据prn(i)的生成方法可用以下公式表示：

其中，符号为向上取整，为向下取整。

滑动相关计算方法如下公式所示：

(7)根据滑动相关运算结果r(τ)，搜索相关峰值所在位置，计算得到AltBOC信号上、下边带各个支路以及整体信号的链路时延值。

设在滑动相关运算结果r(τ)中，最大值出现的位置序号为pos_max，则相关峰搜索计算得到AltBOC信号的链路时延值td_calc如下公式所示：

由此计算得到的发射设备的链路时延值td_calc单位为秒。

如图5所示，AltBOC信号实际时延td需要按照公式(10)扣除步骤(1)中获得的AltBOC信号发射设备与高速信号采集装置相连的1pps触发信号线缆TLine_1PPS以及AltBOC射频信号线缆TLine_RF的时延值获得：

td＝td_calc+TLine_1pps-TLine_RF 公式(10)

上述AltBOC信号时延标定方法只分析了在一个时刻采集到的AltBOC信号，所得到的时延值没有考虑时延的统计特性，在实际使用过程中，需多次重复计算求均值。

本说明书中未作详细未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种AltBOC信号的时延标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(8)根据下式得到AltBOC信号的时延值td：

td＝td_calc+TLine_1pps-TLine_RF；

其中，td_calc为链路时延值，TLine_1pps为触发信号线缆时延值，TLine_RF为射频信号线缆时延值；

步骤(4)所述的根据整体信号4个支路的扩频码和AltBOC信号8相位调制特征合成整体信号的等效扩频码，具体包括以下步骤：

(401)根据4个支路的扩频码得到AltBOC信号的8相位信息；

(402)将AltBOC信号的8相位信息通过混频转换为幅度信息，具体为：

<mrow> <mi>A</mi> <mo>=</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>w</mi> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>cos&theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>w</mi> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>

其中，A为幅度，w＝2πf，f为载波频率，θ₀为相位，t为时间；

(403)根据幅度信息得到等效扩频码，具体为：

<mrow> <mi>P</mi> <mi>R</mi> <mi>N</mi> <mo>_</mo> <mi>E</mi> <mi>Q</mi> <mi>U</mi> <mo>=</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>cos&theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>

其中，PRN_EQU为等效扩频码。

2.根据权利要求1所述的一种AltBOC信号的时延标定方法，其特征在于：步骤(2)所述的高速信号采集装置以10MHz信号作为参考信号，以1pps信号作为触发信号，对AltBOC信号以满足时延计算精度的采样率进行采集存储，采集的AltBOC信号自触发时刻开始至超过扩频码周期结束。

3.根据权利要求1所述的一种AltBOC信号的时延标定方法，其特征在于：步骤(6)所述的滑动相关运算具体为：

其中，r(τ)为滑动相关运算结果，N为基带信号的点数，prn(i)为扩频码数据，fs为高速信号采集装置的采样率，fc为码速率，T为扩频码周期，PRN为扩频码，为向上取整，为向下取整，x(i)为基带信号数据，X(i)为基带信号。

4.根据权利要求1所述的一种AltBOC信号的时延标定方法，其特征在于：步骤(6)之后还包括步骤：

(603)重复(601)和(602)，直至得到最大相关峰值。

5.根据权利要求1所述的一种AltBOC信号的时延标定方法，其特征在于：步骤(7)所述的链路时延值为：

其中，td_calc为链路时延值，pos_max为相关峰值所在位置序号，N为基带信号的点数，fs为高速信号采集装置的采样率。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种AltBOC信号的时延标定方法，其特征在于：重复执行步骤(2)至步骤(8)，获得多个时延值，对所有时延值求平均值，将该平均值作为AltBOC信号的最终时延值。