CN109100755A - 高精度gnss接收机射频前端群时延畸变的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，首先由接收机本地生成多音信号，并注入射频前端，其中多音信号是由M个单频信号组成的；然后根据射频前端的输出信号y(n)，分别计算多音信号中每个单频信号的频率并估计其相位；对M个单频信号的相位进行线性拟合，得到每个单频信号的相位非线性偏差；最后对射频前端的输出信号y(n)进行傅里叶变换得到接着对进行相位旋转得到最后对进行傅里叶逆变换操作得到y_cal(n)，y_cal(n)即为射频前端群时延畸变得到校正后的输出信号。本发明能够实现对高精度GNSS接收机射频前端的群时延畸变进行在线测量和校正，从而减小射频前端引入的伪码相位和载波相位测量偏差，提高接收机的测距和定位精度。

Description

高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是GNSS接收机通道非理想特性的校正方法，更具体的是涉及一种高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有覆盖广、全天候、高精度、多用途等特点，已经在导航定位、精密定位、精密授时、武器精确制导、国土测绘等领域得到了广泛的应用，产生了巨大的经济和社会效益。在卫星导航系统的运行以及应用过程中，GNSS接收机是其核心设备之一。对于高精度应用领域，通常对GNSS接收机的测距和定位精度有极高的要求。

为了防止卫星信号经过GNSS接收机的射频前端时产生失真，通常要求射频前端满足无失真传输条件，即射频前端在带内具有平坦的幅频响应和群时延响应。然而，组成射频前端的各种模拟器件在实现时存在各种误差和制造公差，且模拟器件的特性会随着器件的老化以及温度、湿度的改变而变化，这些因素将导致射频前端的群时延产生畸变，无法满足无失真传输条件。

研究结果表明，射频前端的群时延畸变会引入伪码相位和载波相位测量偏差、导致GNSS接收机的测距和定位精度下降。因此，对于高精度GNSS接收机，必须对射频前端的群时延畸变进行测量和校正。由于射频前端中包含变频器件，其输入输出信号的频率不相同，这使得测量射频前端的群时延特性变得非常困难。

现有的解决方案是在接收机研制阶段，先用矢量网络分析仪离线测量射频前端的群时延畸变，然后根据测量结果设计均衡滤波器进行校正。这种方案的缺点是只能在GNSS接收机出厂前进行离线校正，难以集成到接收机中实现在线校正。出厂后若射频前端的群时延畸变特性因为器件老化等因素发生明显改变，则传统离线校正方法的校正效果将大打折扣，造成接收机测距和定位精度恶化。因此，研究高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的在线校正方法具有重要的实际意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，用于对高精度GNSS接收机射频前端的群时延畸变进行在线测量和校正，从而减小射频前端引入的伪码相位和载波相位测量偏差，提高接收机的测距和定位精度。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，包括以下步骤：

(1)由接收机本地生成多音信号，并注入射频前端，其中多音信号是由M个单频信号组成的；

(2)根据射频前端的输出信号y(n)，分别计算经射频前端下变频后多音信号中每个单频信号的频率并估计其相位；

(3)对M个单频信号的相位进行线性拟合，得到每个单频信号的相位非线性偏差；

(4)对射频前端的输出信号y(n)进行傅里叶变换得到接着对进行相位旋转得到最后对进行傅里叶逆变换操作得到y_cal(n)，y_cal(n)即为射频前端群时延畸变得到校正后的输出信号。

本发明中：步骤(2)中，多音信号是由M个单频信号(或者称为单音信号)组成的，多音信号的表达式为：

式中，M为单频信号的数目，为M个单频信号共同的初始相位,f_i为接收机本地生成多音信号中的第i个(i＝1,2,…,M)单频信号的频率，M个单频信号的频率根据射频前端的通带范围均匀设置(如射频前端的通带范围为1258～1278MHz，M＝5，则组成多音信号的5个单频信号的频率分别为：1258MHz、1263MHz、1268MHz、1273MHz和1278MHz)。M由所需的校正精度决定，M越大则校正精度越高，一般取经验值201。上述参数在接收机出厂前均已设定好。在本发明中多音信号的生成方法是采用的该领域的公知方法或者说该方法是一种公知常识且已在多种型号的通用信号源中实现(例如安捷伦公司的矢量信号发生器E4438C)。

本发明中：步骤(3)中，经射频前端下变频后多音信号中第i个(i＝1,2,…,M)单频信号的频率由下式计算得到：

式中，f₀为射频前端下变频器的本振频率，为已知常数。

第i个单频信号的相位由下式估计得到：

式中，T_s为接收机采样周期，N为估计相位所用的输出信号的长度，输出信号的长度越长，则估计精度越高。n＝0,1,2,…,N-1，为输出信号的采样点序号。

本发明中：步骤(4)中，第i个(i＝1,2,…,M)单频信号的相位非线性偏差由下式得到：

式中，a和b为线性拟合系数，分别由下式计算得到：

本发明中：步骤(5)中，里叶变换操作按下式进行：

相位旋转操作按下式进行：

傅里叶逆变换操作按下式进行：

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

本发明能够对GNSS接收机射频前端的群时延畸变进行在线校正，克服了传统的离线校正方法在射频前端群时延畸变特性发生变化时校正效果不佳的缺点，达到减少射频前端引入的伪码相位和载波相位测量偏差、提高GNSS接收机的测距和定位精度的目的。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是利用本发明方法在一具体实施例中得到的校正效果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行进一步的展示和说明。

图1是本发明提供的高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变校正方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1，根据用户指令，接收机由正常工作模式转入在线校正模式；

步骤S2，接收机本地生成多音信号，并注入射频前端。多音信号的表达式为：

式中，M为单频信号的数目，为M个单频信号共同的初相位,f_i为接收机本地生成多音信号中的第i个(i＝1,2,…,M)单频信号的频率。

步骤S3，根据射频前端的输出信号y(n)，分别计算经射频前端下变频后多音信号中每个单频信号的频率并估计其相位。

经射频前端下变频后多音信号中第i个(i＝1,2,…,M)单频信号的频率由下式计算得到：

式中，f₀为射频前端下变频器的本振频率，为已知常数。

第i个单频信号的相位由下式估计得到：

式中，T_s为接收机采样周期，N为估计相位所用的输出信号的长度，输出信号的长度越长，则估计精度越高；n＝0,1,2,…,N-1，为输出信号的采样点序号。

步骤S4，对M个单频信号的相位进行线性拟合，得到每个单频信号的相位非线性偏差。相位非线性偏差由下式得到：

式中，a和b为线性拟合系数，分别由下式计算得到：

步骤S5，对射频前端输出信号y(n)进行傅里叶变换、相位旋转和傅里叶逆变换操作。其中，傅里叶变换操作按下式进行：

相位旋转操作按下式进行：

傅里叶逆变换操作按下式进行：

y_cal(n)即为射频前端群时延畸变得到校正后的输出信号。

步骤S6，在线校正结束，接收机转入正常工作模式。

图2是本发明方法得到的校正效果图，在本实施例中，射频前端的3dB带宽为20MHz，通带范围为1258.52～1278.52MHz，下变频器的本振频率f₀为1253MHz。接收机本地生成的多音信号包含201个单频信号，频率在1258.52～1278.52MHz之间均匀分布，接收机采样率为60MHz。估计相位所用的数据长度N为2048。从图中可以看到，校正之前，射频前端的群时延响应并不平坦，而是近似呈抛物线形状，有明显的畸变。经过本发明方法的校正后，群时延响应变得平坦，波动范围不超过2ns，群时延畸变得到有效校正。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)由接收机本地生成多音信号，并注入射频前端，其中多音信号是由M个单频信号组成的；

(2)根据射频前端的输出信号y(n)，分别计算经射频前端下变频后多音信号中每个单频信号的频率并估计其相位；

(3)对M个单频信号的相位进行线性拟合，得到每个单频信号的相位非线性偏差；

(4)对射频前端的输出信号y(n)进行傅里叶变换得到接着对进行相位旋转得到最后对进行傅里叶逆变换操作得到y_cal(n)，y_cal(n)即为射频前端群时延畸变得到校正后的输出信号。

2.根据权利要求1所述的高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，其特征在于：步骤(2)中，多音信号的表达式为：

式中，M为单频信号的数目，为M个单频信号共同的初始相位,f_i为接收机本地生成多音信号中的第i个单频信号的频率，单频信号的频率根据射频前端的通带范围均匀设置。

3.根据权利要求2所述的高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，其特征在于：步骤(2)中，M由所需的校正精度决定，M越大则校正精度越高。

4.根据权利要求2所述的高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，其特征在于：步骤(2)中，M取201。

5.根据权利要求2、3或4所述的高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，其特征在于：步骤(3)中，经射频前端下变频后多音信号中第i个(i＝1,2,…,M)单频信号的频率由下式计算得到：

式中，f₀为射频前端下变频器的本振频率，为已知常数；

第i个单频信号的相位由下式估计得到：

式中，T_s为接收机采样周期；N为估计相位所用的输出信号的长度，输出信号的长度越长，则估计精度越高；n＝0,1,2,…,N-1，为输出信号的采样点序号。

6.根据权利要求5所述的高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，其特征在于：步骤(3)中，估计相位所用的数据长度越长，则估计精度越高。

7.根据权利要求5所述的高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，其特征在于：步骤(4)中，第i个(i＝1,2,…,M)单频信号的相位非线性偏差由下式得到：

式中，a和b为线性拟合系数，分别由下式计算得到：

8.根据权利要求7所述的高精度GNSS接收机射频前端群时延畸变的校正方法，其特征在于：步骤(5)中，里叶变换操作按下式进行：

相位旋转操作按下式进行：

傅里叶逆变换操作按下式进行：