CN109633697A - 一种基于多载波信号的多径抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多载波信号的多径抑制方法。使用本发明能够有效削弱或消除GEO卫星及伪卫星所引发的静态多径现象。本发明利用多载波信号机制，通过适当约束多频信号间频差，使得某一延迟下的多径信号相对于直达信号的相位，近乎均匀遍历0至2π范围内的相位，将多频点量测量均值化，则多频点量测量所携带的多径误差趋近于0，静态多径效应明显被削弱，甚至消除；同时，所设计多频连续波多次测量机制，基于多频量测有效地将多径误差迅速“白化”，强化多径误差随机特性，提升动态多径效应抑制算法效能。本发明相对传统抗多径方法，仅增加一路复合通道码跟踪环路，算法运算复杂度低、硬件资源性能要求低、算法结构简洁高效、环路简单易现。

Description

一种基于多载波信号的多径抑制方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及GEO卫星/地基伪卫星信号测距技术，具体涉及一种基于多载波信号的多径抑制方法。

背景技术

多径误差作为目前卫星导航定位系统及其增强系统的主要误差来源，严重影响接收机伪距测量准确度，是高精度定位迫切需要解决难题。

导航系统，诸如：北斗卫星导航系统、GPS广域增强系统WAAS、地基伪卫星增强系统等，由于信号发播平台(GEO卫星或者伪卫星基站)相对地面静止，会出现静态多径现象，即：短时间内多径误差因变化缓慢并不呈正态分布，不具备随机特性。

静态多径现象难以通过传统抗多径手段，诸如：天线设计、基带算法设计、模型滤波等，予以抑制或者消除，也削弱了接收机利用多径信号自身特性进行多径抑制的效果。

因此，针对GEO卫星或者伪卫星静态多径现象，有必要设计多径抑制方法，克服信源平台约束并兼顾实现简易度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于多载波信号的多径抑制方法，能够有效削弱或消除GEO卫星及伪卫星所引发的静态多径现象。

本发明的基于多载波信号的多径抑制方法，包括如下步骤：

步骤1，在接收机内为多载波信号的各频点信号分别配置独立的信道进行同步接收，获得各频点信号的相关函数幅值；

步骤2，分别对独立信道内求取各频点码跟踪环路内超前支路、滞后支路所输出的相关函数幅值进行归一化后取均值；

步骤3，将步骤2获得的各频点超前、滞后支路的相关函数幅值均值输入鉴相器，获得修正后相位延迟；

步骤4，将步骤3鉴相器输出的修正后码相位延迟引入环路滤波器，进入码跟踪环路，反馈给各频点信道码跟踪环路，闭环稳定后锁定精确码相位延迟。

有益效果：

(1)有效抑制静态多径效应

本发明利用多载波信号机制，通过适当约束多频信号间频差，使得某一延迟下的多径信号相对于直达信号的相位，近乎均匀遍历0至2π范围内的相位，将多频点量测量均值化，则多频点量测量所携带的多径误差趋近于0，静态多径效应明显被削弱，甚至消除。

(2)强化抑制动态多径效应

本发明所设计多频连续波多次测量机制，基于多频量测有效地将多径误差迅速“白化”，强化多径误差随机特性，提升动态多径效应抑制算法效能。

(3)算法简洁高效

本发明所设计算法采用多频连续波各频点多次量测均值化，抑制多径误差，相对传统抗多径方法，仅增加一路复合通道码跟踪环路，算法运算复杂度低、硬件资源性能要求低、算法结构简洁高效、环路简单易现。

附图说明

图1为本发明多载波信号多径抑制方法跟踪环路结构图。

图2为本发明多载波信号多径抑制方法流程图。

图3为多径效应对相关函数的波形影响。

图4为EML鉴相器鉴相曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于多载波信号的多径抑制方法，基于多载波信号重新刻画静态多径现象，改变伪距多径观测特性，“白化”静态多径，均值滤波多频伪距观测量，以削弱或消除GEO卫星及伪卫星所引发的静态多径现象。

本发明的多径抑制方法框架图和原理图分别如图1和图2所示，具体如下：

步骤1，接收机接收多载波信号，并在接收机内部为各频点信号配置数字通道进行同步接收，待通道环路稳定后获取各频点信号相关函数幅值。

受环境多径效应影响，接收机所接收到的多载波信号表达式如下：

其中，n为载波索引号，N为子载波数目，A_n为第n个载波信号幅值，D_n为第n个载波信号所调制导航电文数据，C_n为第n个载波信号所调制伪随机码序列，τ为直达信号路径传播时延，f_n为第n个载波信号频点，f_d,n为第n个载波信号对应多普勒频率，为第n个载波信号相位，a_n为第n个载波对应多径信号幅值，τ_mp为第n个载波对应多径信号延迟，noise为信道高斯白噪声，t为时间。

为简化分析，忽略导航电文数据位D所带来的影响以及信道噪声影响。接收机对各频点载波信号设置独立基带信道进行同步处理，分别对各频点信号进行伪码剥离与载波剥离。由于多径信号发生路径反射、折射等现象，功率衰减严重，远低于直达信号，接收机正交解调阶段，相关器输出必然会锁定在直达信号延迟附近。因此，对于第n个子载波信号，同步解调后对应I/Q支路信号表达式为：

其中，R为信号伪随机码相关函数，为第n个载波残余载波相位，为第n个载波对应多径信号残余相位，对应表达式为：

各频点对应数字通道稳定同步后，残余载波相位接近于0，此时，频点信号能量几乎全部集中于I支路，而Q支路近乎全部为噪声，信号能量接近于0。

步骤2，联合稳定同步后的单频点-单通道环路，对各环路鉴相器输入归一化后再求均值，基于各载波信号频点差异，抑制多径信号。

接收机对各频点信号分配独立信道分别处理，稳定同步后，各频点信号载波相位残余接近于0，此时Q支路几乎不存在信号能量，故可只考虑I支路信号。

稳定同步后的单频点-单通道环路，对于第n个载波信号，即时支路所输出的相关函数幅值P_n为：

码跟踪环路(Delay Lock Loop,DLL)采用EML鉴相器，早/迟码相关器所生成的超前/滞后支路，相对即时支路通常超前/滞后半个码片d/2。对应第n个载波信号，超前/滞后支路所输出相关函数幅值为：

对于多载波信号来讲，各频点多径传播路径一致，受频点信息影响，导致通道稳定同步后，不同频点残余载波相位出现差异。因此，可以通过适当约束各频点间频差关系，使某一延迟下的多径信号相对于直达信号的相位，近乎均匀遍历0至2π范围内的相位，使得一定延迟内的多次测量的多径误差均值趋于0。

将各频点对应数字通道环路稳定后所输出的相关函数幅值，先进行归一化处理，然后叠加求均值，对应均值表达式为：

其中，γ_n为第n个载波多径信号与直达信号幅值比，即：

对于各频点信号来讲，直达/多径信号传播路径一致，因此各频点多径信号幅值相对直达信号幅值衰减比近似，即γ₁＝γ₂＝…＝γ_n＝…＝γ，则公式(6)可简化为：

由公式(8)可知，利用复合的多载波信号分别量测，在各频点信号完成环路跟踪后，对应多径信号由于频点差异，残余载波相位存在差异。将各频点相关函数幅值求均值，直达信号相关函数信息被最大可能保存，而多径信号受残余载波相位影响，均值后能量必然会被抑制，甚至消除，如图3所示。

步骤3，将各频点均值化后的超前、滞后两支路相关函数值输入EML鉴相器，量测相对精确的码相位延迟。

将各频点相关函数均值输入EML鉴相器，则，由早/迟码构造的EML鉴相器输出函数为：

可知，若多载波信号各频点信号，在一定多径延迟内，能够足够均匀遍历一个余弦周期，会趋向于0，则公式(9)右侧所代表的多径效应影响，会被削弱甚至消除，根据鉴相器函数所刻画的鉴相曲线，其过零点估计更接近直达信号真实码相位延迟，如图4所示。

步骤4，将步骤3鉴相器输出引入环路滤波器，进入码跟踪环路，反馈给各频点信道码跟踪环路，直至锁定较精确码相位延迟。

根据步骤3鉴相器量测所得码相位延迟，通过码环滤波器滤掉环路噪声，并反馈给各频点通道码NCO，形成闭环码跟踪机制，辅助各频点通道锁定/校正较精确码相位延迟。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (1)

1.一种基于多载波信号的多径抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在接收机内为多载波信号的各频点信号分别配置独立的信道进行同步接收，获得各频点信号的相关函数幅值；

步骤2，分别对独立信道内各频点码跟踪环路内超前支路、滞后支路所输出的相关函数幅值进行归一化后取均值；

步骤3，将步骤2获得的各频点超前、滞后支路的相关函数幅值均值输入鉴相器，获得修正后码相位延迟；

步骤4，将步骤3鉴相器输出的修正后码相位延迟引入环路滤波器，进入码跟踪环路，反馈给各频点信道码跟踪环路，闭环稳定后锁定精确码相位延迟。