CN108594273B - 一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法 - Google Patents

一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法。本发明在准时相关器中定义了多径峰峰比的概念，并使用多径峰峰比来衡量多径对载波相位测量的影响。根据多径信号总是滞后于直达信号的特点，提出一种准时码参考波形设计方法。该方法构造的非对称互相关函数，可以对滞后信号的互相关进行抑制，提高抗载波相位多径能力。通过理论分析和仿真论证，本文提出的载波相位多径抑制方法，在参考波形闸宽为1/4个码片时，可使载波相位多径误差包络面积降低约49％，有效地提高了接收机的载波多径抑制能力。

Description

一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法
技术领域
本发明属于导航技术领域，尤其涉及一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法，其可运用在卫星导航信号接收机或者其他类型的扩频接收机中。
背景技术
在全球导航卫星定位系统中，实时动态测量(Real Time Kinematic，RTK)和精密单点定位(Precise Point Position，PPP)等高精度定位技术通过使用载波相位为用户提供厘米级的定位服务。载波相位多径是高精度定位的主要误差源之一，尤其是在多径衰落严重的城市环境中，多径效应可使载波相位测量产生厘米级的偏差。
高精度定位技术可以通过差分或建模的方式降低对流层延迟、电离层延迟和钟差等对载波相位测量的影响。但由于在不同位置接收相同卫星信号，或在相同位置接收不同卫星信号时，对应的多径误差都不相同，因此使用差分和建模的方法处理多径误差的效果一般。对于静态或低动态用户，多径误差的变化主要受卫星运动的影响，表现为慢时变的偏差特性。这使得即使是采用数据滤波方法，在短时间内也很难对载波多径偏差进行修复。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法，旨在不明显增加载波相位热噪声的条件下境地载波相位多径误差。
本发明的基本思路是：建立载波相位多径误差分析模型，对N路多径的载波相位多径误差的理论公式进行推导。对载波相位多径误差公式进行化简，定义多径峰峰比(Multipath Peak to Peak Ratio，MPPR)的概念，并使用多径峰峰比来衡量多径对载波相位测量的影响。根据多径信号总是滞后于直达信号的特点，提出一种准时码参考波形设计方法(Punctual Code Reference Waveform，PCRW)。该方法构造的非对称互相关函数，可以对滞后信号的互相关进行抑制，提高了抗载波多径的能力。
本发明的技术方案是：一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法，具体包括下述步骤：
第一步，建立载波相位多径误差分析模型
多径误差是指由于接收了反射或散射后的复制信号而对直达信号的测量产生了偏差。对于N路多径模型，暂忽略噪声和其他干扰的影响，则接收信号r(t)可以表示为：
Figure BDA0001648704570000021
其中，a0为信号幅度；θ0为信号载波相位初相；τ0为信号延迟；
Figure BDA0001648704570000022
和
Figure BDA0001648704570000023
分别为第i路多径信号的幅度衰减、相位偏移和延迟；N为多径信号的路数；t表示接收机的处理时间；j表示复信号的虚数部分。
当接收机进行匹配相关时，准时支路的本地参考信号
Figure BDA0001648704570000024
与接收信号r(t)的相关函数可表示为：
Figure BDA0001648704570000025
其中，
R(τ)＝∫x(t)x(t+τ)dt
假设本地载波相位与接收信号载波相位之差为
Figure BDA0001648704570000026
即载波相位测量的真值。由于多径信号引起的载波相位测量偏差，即载波相位多径误差
Figure BDA0001648704570000027
可以表示为：
Figure BDA0001648704570000028
第二步，定义多径峰峰比
对载波相位多径误差公式进行变形，可得：
Figure BDA0001648704570000029
定义多径信号相关峰与直达信号相关峰之比为多径峰峰比，则第i路多径信号的多径峰峰比
Figure BDA00016487045700000210
可计算如下：
Figure BDA00016487045700000211
第三步，设计准时码参考波形
参考码波形可用如下公式进行描述：
Figure BDA00016487045700000212
其中，g(t)为参考波形符号；ck(t)为扩频码符号；TC为扩频码符号宽度；k为参考波形的码片计数；而W则为参考波形的闸宽。
第四步，基于准时码参考波形的接收机结构
采用了准时码参考波形的接收机，将按照准时码参考波形设计方法，根据本地复制码生成器产生准时支路的本地码参考波形w(t)。由于超前码和滞后码直接由本地码发生器的输出得到，而与参考码无关。
本发明的有益效果是：
在多径衰落严重的城市环境中，多径效应可使载波相位测量产生厘米级的偏差。载波多径与接收机所在的位置有关，静态接收机多径误差的变化主要受卫星运动的影响，呈现偏差特性，难以采用现有的差分技术或多径误差模型来消除。通过设计准时相关器的本地参考波形，可以有效境地载波相位的多径误差。此外，在本发明的整个实施过程中只改变了经典接收机的本地参考码的波形形状，并不涉及矩阵求逆、特征分解等复杂运算，因此本发明实现简单，运算量小，并且实施起来也非常方便，可直接用于传统的载波跟踪环路。
附图说明
图1是发明所提供的基于准时码参考波形的接收机结构框图；
图2是几种常见的准时码参考波形；
图3是几种抗多径接收方法的互相关函数曲线；
图4是几种抗多径接收方法的多径峰峰比曲线；
图5是几种抗多径接收方法的载波相位多径误差包络；
图6是几种准时码参考波形在有限带宽条件下的载波相位多径误差包络；
图7是基于准时码参考波形的载波环路热噪声标准差随信噪比变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法进行详细说明。
图1是发明所提供的基于准时码参考波形的接收机结构框图。
第一步，载波正交解调
接收信号经过载波正交解调后，分别得到同相分量zi和正交分量zq；
第二步，本地参考码
本地码发生器生成原始本地码序列，超前码发生器和滞后码发生器分别对原始码序列进行移位操作，产生相应的超前码和滞后码；而PCRW码发生器则基于原始本地码产生具有载波相位多径抑制能力的PCRW参考码；
第三部，相关累加
PCRW码分别与同相分量zi和正交分量zq相关后，通过积分累加，得到积分累加值IPS和QPS；
第四步，载波相位鉴别器
准时支路的相关累加值IPS和QPS经过载波相位鉴别器后，可以得到输入信号和本地生成信号的载波相位之差
Figure BDA0001648704570000042
第五步，环路滤波器
载波环路滤波器对载波相差
Figure BDA0001648704570000041
进行滤波降噪处理。
图2是几种常见的准时码参考波形，其中传统的全匹配接收方法的本地码波形与扩频完全一致；多相关器组合的HRC方法可以与图中给出的HRC码参考波形等效；而本文提出的载波相位多径方法，则是通过设计PCRW码参考波形来进行实现。
图3是几种抗多径接收方法的互相关函数曲线。在无限带宽的条件下，全匹配接收、HRC方法和本文提出PCRW方法对应的互相关函数，其中准时码参考波形的闸宽W取1/4个码片。由图可以看出，PCRW方法可以抑制延迟大于1/4个码片的多径信号相关值，而HRC方法则对1个码片延迟附近的多径信号敏感。
图4是几种抗多径接收方法的多径峰峰比曲线。接收信号与本地参考波形互相关曲线的MPPR直接决定了载波相关器的多径抑制能力。对于0～0.75个码片延迟的多径信号，PCRW方法与HRC的抗多径性能一致，且都优于全匹配接收机方法。PCRW方法能够完全一致信号延迟大于1/4个码片的多径信号，而HRC方法则对延迟为0.75～1.25个码片范围内的多径信号较为敏感。
图5是几种抗多径接收方法的载波相位多径误差包络，其中全匹配接收方法的多径误差包络面积最大，本文提出的PCRW方法的多径误差包络面积最小。HRC方法相对全匹配接收方法，多径误差包络面积减小51％；PCRW方法相对全匹配接收方法，多径误差包络面积减小75％；而PCRW方法相对HRC方法，多径误差包络面积减小49％。
图6是几种准时码参考波形在有限带宽条件下的载波相位多径误差包络。对于实际的接收机，有限带宽会使信号相关峰发生畸变，减小MPPR的大小，降低对载波相位多径的抑制能力。因此，在无限带宽条件下，减小参考波形的闸宽可以无限减小载波相位多径误差，但有限带宽会PCRW方法抗多径能力的极限进行约束。由图可见，参考波形的闸宽越小，有限带宽对其抗多径性能的影响越大。
图7是基于准时码参考波形的载波环路热噪声标准差随信噪比变化曲线，其中全匹配接收机方法与闸宽等于1个码片的PCRW方法等效，而HRC参考波形的互相关峰和自相关峰值与PCRW方法都相等。图7分别给出了W＝1、W＝1/2、W＝1/4和W＝1/8四种情况下，PCRW载波环路热噪声随环路载噪比的变化曲线。可以看出，参考波形的闸宽越小，载波环路热噪声方差越大。闸宽大小每减小一半，可以等效为输入信号的功率损耗3dB。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法，对载波相位多径误差公式进行化简，定义多径峰峰比，并使用多径峰峰比来衡量多径对载波相位测量的影响，其特征在于，包括下述步骤：
第一步，建立载波相位多径误差分析模型
对于N路多径模型，暂忽略噪声和其他干扰的影响，则接收信号r(t)表示为：
Figure FDA0002340886730000011
其中，a0为信号幅度；θ0为信号载波相位初相；τ0为信号延迟；
Figure FDA0002340886730000012
和
Figure FDA0002340886730000013
分别为第i路多径信号的幅度衰减、相位偏移和延迟；N为多径信号的路数；t表示接收机的处理时间；j表示复信号的虚数部分；
当接收机进行匹配相关时，准时支路的本地参考信号
Figure FDA0002340886730000014
与接收信号r(t)的相关函数表示为：
Figure FDA0002340886730000015
其中，
R(τ)＝∫x(t)x(t+τ)dt
假设本地载波相位与接收信号载波相位之差为
Figure FDA0002340886730000016
即载波相位测量的真值，由于多径信号引起的载波相位测量偏差，即载波相位多径误差
Figure FDA0002340886730000017
表示为：
Figure FDA0002340886730000018
第二步，定义多径峰峰比
定义多径信号相关峰与直达信号相关峰之比为多径峰峰比，则第i路多径信号的多径峰峰比
Figure FDA0002340886730000019
计算如下：
Figure FDA00023408867300000110
第三步，设计准时码参考波形
参考码波形用如下公式进行描述：
Figure FDA00023408867300000111
其中，g(t)为参考波形符号，ck(t)为扩频码符号，TC为扩频码符号宽度，而W则为参考波形的闸宽；k为参考波形的码片计数；
第四步，基于准时码参考波形的接收机结构
采用了准时码参考波形的接收机，将按照准时码参考波形设计方法，根据本地复制码生成器产生准时支路的本地码参考波形w(t)。
2.根据权利要求1所述的一种基于准时码参考波形设计的载波相位多径抑制方法，其特征在于，所述基于准时码参考波形的接收机具体处理过程如下：
第一步，载波正交解调
接收信号经过载波正交解调后，分别得到同相分量zi和正交分量zq；
第二步，本地参考码
本地码发生器生成原始本地码序列，超前码发生器和滞后码发生器分别对原始码序列进行移位操作，产生相应的超前码和滞后码；而PCRW码发生器则基于原始本地码产生具有载波相位多径抑制能力的PCRW参考码；
第三步，相关累加
PCRW码分别与同相分量zi和正交分量zq相关后，通过积分累加，得到积分累加值IPS和QPS；
第四步，载波相位鉴别器
准时支路的相关累加值IPS和QPS经过载波相位鉴别器后，得到输入信号和本地生成信号的载波相位之差
Figure FDA0002340886730000021
第五步，环路滤波器
载波环路滤波器对载波相差
Figure FDA0002340886730000022
进行滤波降噪处理。
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