CN109143276B - 一种基于cusum算法的组合抗多径鉴相器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法，包括以下步骤：步骤(1)：利用CUSUM控制图算法的变点理论进行良好环境和多径环境的识别与监测；步骤(2)：利用strobe抗多径鉴相器和常规鉴相器的综合使用，来减小strobe鉴相环路在常规环境中错锁的可能性，本发明利用了CUSUM算法对于微小异常变化的敏感性以及常规鉴相器与strobe鉴相器部分优缺点互补的特性，设计了一种实用性更高的组合鉴相器，能够在不中断跟踪环路的情况下，有效地抑制strobe鉴相环路在抗多径的同时又带来的可能的相位错锁情况的发生。

Description

一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法

技术领域

本发明涉及GNSS接收机或通信设备接收机的基带信号处理领域，具体涉及到一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法。

背景技术

多径信号是影响GNSS接收机定位精度的主要影响因素之一。综合考虑抗多径算法实现复杂度以及抗多径效果，类似于strobe鉴相器一类的多相关器鉴相器是目前GNSS接收机较为常用的抗多径手段之一，strobe鉴相器公式如下表示：

其中，dc为鉴相结果，I_E1、Q_E1为超前支路1的IQ相关值，I_E2、Q_E2为超前支路2的IQ相关值，I_L1、Q_L1为滞后支路1的IQ相关值，I_L2、Q_L2为滞后支路2的IQ相关值，I_P、Q_P为即时支路的IQ相关值。

但是在实际的使用当中，由于strobe鉴相器本身有效鉴相范围较窄，且范围外的鉴相输出为0，这导致当信号载噪比较小，鉴相噪声较大时，strobe鉴相环路可能锁定在错误的码相位上，结果恶化了定位精度。缓解上述strobe鉴相器使用的不利情况会进一步增强该鉴相器的实用性。

发明内容

针对现有技术存在上述的不足，本发明提供了一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法，本发明利用了CUSUM算法对于微小异常变化的敏感性以及常规鉴相器与strobe鉴相器部分优缺点互补的特性，设计了一种实用性更高的组合鉴相器，能够在不中断跟踪环路的情况下，有效地抑制strobe鉴相环路在抗多径的同时又带来的可能的相位错锁情况的发生。

本发明的技术方案为，一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)：利用CUSUM控制图算法的变点理论进行良好环境和多径环境的识别与监测；

步骤(2)：利用strobe抗多径鉴相器和常规鉴相器的综合使用，来减小strobe鉴相环路在常规环境中错锁的可能性。

上述的设计方法，其中，所述步骤(1)中包括：以相关值的载噪比CN0以及常规鉴相器和strobe鉴相器的差值为统计量，利用CUSUM算法实时监测这两类统计量指标的变化情况，综合两类指标的变化情况识别当前环境是否处于良好环境。

上述的设计方法，其中，利用多径环境识别模块给出的环境判别结果，并依据两类鉴相器的鉴相差值与阈值的比较情况，进行鉴相器的切换，使得在良好环境中使用常规鉴相器，而在多径恶劣的环境中使用strobe抗多径鉴相器，减少因strobe鉴相器有效鉴相范围较窄而导致的环路错锁的情况发生。

上述的设计方法，其中，所述的多径环境识别模块，使用了累积和(CUSUM)算法，对信号的信噪比和两类鉴相器输出差值的统计分布的变化情况进行监测。

上述的设计方法，其中包括：假设x(n)为n时刻接收机估计接收信号的载噪比，该变量近似服从高斯分布，n_v为良好环境变成多径环境的临界时刻，H₀为认为当前环境为良好环境的假设，H₁为认为当前环境为多径环境的假设，即：

同时，利用似然比定义变化指标为：

则CUSUM根据如下累积和量进行变点判决：

d^c(n)＝max(0，d^c(n-1)+LLR(n))

当某一时刻n_v，累积和量大于判决阈值时：

则认为统计量分布发生变化，即GNSS接收机运行环境发生改变，

同样，在不同环境下两类鉴相器差值的统计分布特性也会不一样，利用CUSUM算法也可统计相应的累积和变量d^f(n)进行监测。在本发明中，依据不同的策略，可综合使用这两类累积和变量监测接收机运行环境的变化：

保守判决：

可认为当两项累积和变量均大于相应判决阈值时，才认为环境发生改变。

激进判决：

只要有其中一项累积和变量超过判决阈值，则认为环境发生变化。

其中，所述的组合鉴相器模块，利用了多径环境识别模块以及两类鉴相器输出差值，进行鉴相器的切换。当两类鉴相器输出差值超过某一阈值，则依据多径环境识别模块的输出判断当前运行环境是否为多径环境：

若是多径环境，则不作处理。

若是良好环境，则将锁相环路鉴相器从strobe抗多径鉴相器切换为常规鉴相器。以此避免strobe鉴相环路在常规环境下对与弱信号的码相位错锁的发生。

本发明提供的一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法具有以下有益效果：1、利用了CUSUM算法对于微小异常变化的敏感性以及常规鉴相器与strobe鉴相器部分优缺点互补的特性，设计了一种实用性更高的组合鉴相器，能够在不中断跟踪环路的情况下，有效地抑制strobe鉴相环路在抗多径的同时又带来的可能的相位错锁情况的发生。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明提供的一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法中的跟踪环路结构图；

图2为本发明提供的一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法中的运行流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图1-图2所示，本发明提供了一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)：利用CUSUM控制图算法的变点理论进行良好环境和多径环境的识别与监测，具体为，以相关值的载噪比CN0以及常规鉴相器和strobe鉴相器的差值为统计量，利用CUSUM算法实时监测这两类统计量指标的变化情况，综合两类指标的变化情况识别当前环境是否处于良好环境；

步骤(2)：利用strobe抗多径鉴相器和常规鉴相器的综合使用，来减小strobe鉴相环路在常规环境中错锁的可能性，通过利用多径环境识别模块给出的环境判别结果，并依据两类鉴相器的鉴相差值与阈值的比较情况，进行鉴相器的切换，使得在良好环境中使用常规鉴相器，而在多径恶劣的环境中使用strobe抗多径鉴相器，减少因strobe鉴相器有效鉴相范围较窄而导致的环路错锁的情况发生。

在本发明一优选的实施例中，多径环境识别模块，使用了累积和(CUSUM)算法，对信号的信噪比和两类鉴相器输出差值的统计分布的变化情况进行监测，其中包括：假设x(n)为n时刻接收机估计接收信号的载噪比，该变量近似服从高斯分布，n_v为良好环境变成多径环境的临界时刻，H₀为认为当前环境为良好环境的假设，H₁为认为当前环境为多径环境的假设，即：

同时，利用似然比定义变化指标为：

则CUSUM根据如下累积和量进行变点判决：

d^c(n)＝max(0，d^c(n-1)+LLR(n))

当某一时刻n_v，累积和量大于判决阈值时：

则认为统计量分布发生变化，即GNSS接收机运行环境发生改变，

同样，在不同环境下两类鉴相器差值的统计分布特性也会不一样，利用CUSUM算法也可统计相应的累积和变量d^f(n)进行监测。

在本发明的工作流程为：相关值生成器对接收码信号和本地码信号进行相关运算，将生成的相关值输出至常规码鉴相器和strobe鉴相器以及多径环境识别模块；常规码鉴相器和strobe鉴相器利用相关值分别计算得到相应的码相差鉴相结果，并依据鉴相器切换模块选择的结果输出至环路滤波器，同时将和的鉴相器差值输出至鉴相器切换模块以及多径环境识别模块；多径环境识别模块根据相关值以及鉴相差值进行统计计算，将环境识别的结果输出至鉴相器切换模块；鉴相器切换模块依据环境识别结果以及鉴相器差值滤波结果进行鉴相器的选择。后续的环路滤波器和本地码生成器如常规跟踪环路中的部分一样。Strobe鉴相器为主要鉴相器，鉴相器切换模块首先判断当前环境是否为良好环境。若当前运行环境为多径环境，则设置鉴相器为strobe鉴相器。若为良好环境，则进一步判断两类鉴相器差值滤波值是否超过阈值，若超过，则认为strobe鉴相环路发生错锁，将鉴相器切换到常规鉴相器，直到鉴相差值回归到正常水平后再切换到strobe鉴相器。若未超过阈值，依旧保持为strobe鉴相器。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：利用CUSUM控制图算法的变点理论进行良好环境和多径环境的识别与监测；

步骤(2)：利用strobe抗多径鉴相器和常规鉴相器的综合使用，来减小strobe鉴相环路在常规环境中错锁的可能性，所述步骤(1)中包括：以相关值的载噪比CN0以及常规鉴相器和strobe鉴相器的差值为统计量，利用CUSUM算法实时监测这两类统计量指标的变化情况，综合两类指标的变化情况识别当前环境是否处于良好环境，利用多径环境识别模块给出的环境判别结果，并依据两类鉴相器的鉴相差值与阈值的比较情况，进行鉴相器的切换，使得在良好环境中使用常规鉴相器，而在多径恶劣的环境中使用strobe抗多径鉴相器，减少因strobe鉴相器有效鉴相范围较窄而导致的环路错锁的情况发生。

2.如权利要求1所述的一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法，其特征在于，所述的多径环境识别模块，使用了累积和CUSUM算法，对信号的信噪比和两类鉴相器输出差值的统计分布的变化情况进行监测。

3.如权利要求2所述的一种基于CUSUM算法的组合抗多径鉴相器的设计方法，其特征在于，其中包括：假设x(n)为n时刻接收机估计接收信号的载噪比，该变量近似服从高斯分布，n_v为良好环境变成多径环境的临界时刻，H₀为认为当前环境为良好环境的假设，H₁为认为当前环境为多径环境的假设，即：

H₀：

H₁：

同时，利用似然比定义变化指标为：

则CUSUM根据如下累积和量进行变点判决：

d^c(n)＝max(0，d^c(n-1)+LLR(n))

当某一时刻n_v，累积和量大于判决阈值时：

则认为统计量分布发生变化，即GNSS接收机运行环境发生改变，

同样，在不同环境下两类鉴相器差值的统计分布特性也会不一样，利用CUSUM算法也可统计相应的累积和变量d^f(n)进行监测。

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