CN107728173A - 中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法 - Google Patents

中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法，它涉及到测距信号的处理方法，尤其涉及中频载波频率与伪码频率成整数倍的测距信号的处理方法；所述方法包括：一、模拟信号中频采样；二、与本地正交的两载波相乘；三、低通滤波；四、相干积分；五、伪码跟踪。通过本发明可以实现对中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的稳定跟踪和高精度测距，避免的传统测距方法伪距波动问题。本发明的测距方法具有新颖性、创造性和简单实用的特点。

Description

中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法
技术领域
本发明涉及到测距信号的处理方法，尤其涉及中频载波频率与伪码频率成整数倍的测距信号的处理方法。
背景技术
测距信号本质上是扩频信号，它使用伪随机码作为扩频码，搭载在载波信号上，接收端通过对伪随机码高精度跟踪，获得精确的伪随机码相位，从而得到测距值。伪码测距原理在卫星导航、航天测控等领域已得到广泛的应用。
在已有的应用案例中，伪随机码频率的选取通常为1.023MHz的整数倍，如全球定位系统(GPS)信号伪码速率通常选择为1.023MHz、5.115MHz、10.23MHz，S遥测系统伪码速率选择为10.23MHz。常见的铷钟、铯钟等高精度的时频设备输出的参考时钟通常为5MHz、10MHz，使用外参考的发射设备及信道设备形成的载波对应为5MHz或10MHz的整数倍。因此在模拟信号转换为数字信号前得到的中频测距信号，其中频载波频率与伪码频率通常不是整数倍，即在通常的测距信号处理中不存在中频载波频率与伪码频率成整数倍情况。
由于某些条件限制或测距信号本身设计原因，得到的中频测距信号载波频率与伪码频率成整数倍，此时如果仍按照传统的测距信号处理方法，得到的测距值可能会发生明显的波动，波动范围可能达到纳秒量级，这对于大多数高精度测距应用是无法接受的。
传统的测距信号处理方法在去掉载波后，直接进行相干积分，利用相干积分本身低通滤波器的特性，将高频分量滤除。但当中频载波频率与伪码频率成整数倍时，利用伪随机码相干积分形成的滤波器的旁瓣将与高频分量的旁瓣完全重合，大量的高频分量无法滤除，导致得到的相干积分值并不是随伪码延迟线性变化，伪码跟踪不稳定，最终导致测距值发生较大波动。因此传统的测距信号处理方法并不适用于中频载波频率与伪码频率成整数倍情况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足而提供一种针对中频载波频率与伪码频率成整数倍的测距信号的处理方法。本发明通过在采样、去载波后对同相和正交相数据加低通滤波器，从而将高频分量的影响去除，使后面得到的相干累加值随伪码延迟成线性变化，避免了测距结果的不稳定。
本发明的目的是这样实现的，中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法，在对中频测距信号采样并下变频后，在相干积分前，对同相和正交相的两路信号低通滤波。具体包括以下步骤：
①将模拟中频测距信号通过采样变为数字中频测距信号；
②将数字中频测距信号分别与本地正交的两个载波信号相乘，去掉中频载波，得到同相采样数据和正交相采样数据；
③将同相采样数据和正交相采样数据分别经过低通滤波器，得到纯净的同相基带信号和正交相基带信号；
④将同相基带信号分别与本地超前与滞后伪码相乘、积分，得到同相超前相干积分值和同相滞后相干积分值；将正交相基带信号分别与本地超前与滞后伪码相乘、积分，得到正交相超前相干积分值和正交相滞后相干积分值；
⑤利用步骤④得到的4个相干积分值进行伪码跟踪，得到伪距值。
其中，步骤③中低通滤波器满足同相采样数据和正交相采样数据中基带信号可通过，高频被压制，即低通滤波器截至频率flpf满足fC<flpf<2fi，其中fC为伪码频率，fi为中频载波频率，fi＝NfC，N为正整数。
本发明相比背景技术有如下优点：
(i)本发明提出的中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法，有效解决了传统测距信号处理方法带来的伪距值波动的问题，具有新颖性和创造性的特点。
(ii)本发明提出的中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法，仅需在原有算法中加入低通滤波器，并不会明显增加信号处理资源消耗，具有简单、实用性强的特点。
(iii)本发明提出的中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法，对中频载波频率与伪码频率不成整倍数的测距信号依然适用，具有适应能力强的特点。
附图说明
图1是本发明的测距信号处理方法的流程图；
图2是本发明的测距信号处理方法的实现框图；
图3是本发明的相干累加等效滤波器与高频分量关系图；
图4是本发明的叠加了高频分量影响的相干累加值随伪码延迟的变化图；
图5是本发明的信号处理方法与传统处理方法测距值对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施步骤和附图对本发明做进一步的描述：
如图1为本发明测距信号的处理方法流程图，包括以下步骤：
(1)将模拟中频测距信号通过采样变为数字中频测距信号；所述的模拟中
频测距信号中中频载波频率与伪码频率成整倍数；
(2)将数字中频测距信号分别与本地正交的两个载波信号相乘，去掉中频载波，得到同相采样数据和正交相采样数据；
(3)将同相采样数据和正交相采样数据分别经过低通滤波器，得到纯净的同相基带信号和正交相基带信号；
(4)将同相基带信号分别与本地超前与滞后伪码相乘、积分，得到同相超前相干积分值和同相滞后相干积分值；将正交相基带信号分别与本地超前与滞后伪码相乘、积分，得到正交相超前相干积分值和正交相滞后相干积分值；
(5)利用步骤(4)得到的4个相干积分值进行伪码跟踪，得到伪距值。
本发明实施例处理方式如下：
本发明的测距信号处理方法的实现框图如图2所示，模拟中频测距信号为：
s(t)＝c(t)cos(ωt+θ)
其中，c(t)为伪码，取值为±1，频率为fc；ω为载波角频率，ω＝2πfi，fi为中频载波频率，fi＝Nfc，N为正整数；θ为载波初始相位。
经过采样后变为数字中频测距信号，数字中频测距信号分为两路，分别与本地同相与正交的频率为fi的载波信号相乘，将中频信号搬移到零中频和2fi频点处，得到同相信号：
和正交相信号：
其中，和为高频分量；和为基带信号。
与本地伪码相干积分累加，可等效为通带带宽为伪码频率的低通滤波器，传统的测距信号处理方法认为等效的低通滤波器可以将同相信号I(t)和正交相信号Q(t)中的2fi频点处高频分量滤除，因此在经过去载波处理后，并没有设计低通滤波器，而是直接与本地伪码相干累加处理。这对于常用测距信号没有问题，但当中频载波频率与伪码频率成整倍数时，此时的相干累加等效滤波器与高频分量关系如图3所示，实线图为等效滤波器，虚线图为2fi频点处高频分量，此时由于载波频率与伪码频率之间的整倍数关系，高频分量的旁瓣与滤波器的旁瓣完全重合，等效滤波器将大量的高频分量成分漏掉。
此时，同相高频分量与本地伪码相干累加后得到
其中，τ为本地伪码与中频信号伪码延迟；α为伪随机码中相邻两码片01反转所占的比例，一般取值为0.5；M为伪随机码码长；为码片持续时间。
正交相高频分量与本地伪码相干累加后得到
由于FI(ω，τ，θ)和FQ(ω，τ，θ)的影响，相干积分值并不是随伪码延迟线性变化，而是叠加了正弦波动，如图4所示。这使得伪码跟踪变得不稳定，最终导致测距值发生较大波动，图5-a为2MHz伪码，70MHz中频载波测距信号采用传统处理方法得到的测距值。
本发明在相干积分前，将同相和正交相的两路信号通过低通滤波器，如图2所示，将2fi频点处高频分量滤除，消除了FI(ω，τ，θ)和FQ(ω，τ，θ)对相干累加结果的影响。
低通滤波器的设计满足I(t)和Q(t)中基带信号可通过，高频(2倍的中频载波)被压制，即低通滤波器截至频率flpf满足fc<flpf<2fi。
得到的纯净的同相基带信号为：
正交相基带信号为：
相干积分值随伪码延迟线性变化，伪码跟踪稳定，图5-b为2MHz伪码，70MHz中频载波测距信号采用本发明处理方法得到的测距值。
除上述实施步骤外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
①将模拟中频测距信号通过采样变为数字中频测距信号；
②将数字中频测距信号分别与本地正交的两个载波信号相乘，去掉中频载波，得到同相采样数据和正交相采样数据；
③将同相采样数据和正交相采样数据分别经过低通滤波器，得到纯净的同相基带信号和正交相基带信号；
④将同相基带信号分别与本地超前与滞后伪码相乘、积分，得到同相超前相干积分值和同相滞后相干积分值；将正交相基带信号分别与本地超前与滞后伪码相乘、积分，得到正交相超前相干积分值和正交相滞后相干积分值；
⑤利用步骤④得到的4个相干积分值进行伪码跟踪，得到伪距值。
2.根据权利要求1所述的中频载波频率与伪码频率成整倍数的测距信号的处理方法，其特征在于，步骤③中低通滤波器满足同相采样数据和正交相采样数据中基带信号可通过，高频被压制，即低通滤波器截至频率flpf满足：
fc<flpf<2fi，其中fc为伪码频率，fi为中频载波频率，fi＝Nfc，N为正整数。
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