CN111694025B - 一种适用于mboc导航信号的无模糊多径抑制方法 - Google Patents

一种适用于mboc导航信号的无模糊多径抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种应用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法，对MBOC导航信号采用具有改进ASPECT去模糊算法的跟踪环路，并将超前‑滞后码间距设置为0.1码片；对于改进后跟踪环路的输出，采用Delta检测指标对导航信号是否受到多径进行区分，将导航信号分类为受多径影响以及不受多径影响两类；通过计算获得每个跟踪上的导航信号的载噪比，并基于载噪比的加权模型为每个导航信号测量值设置初始权值，获得WPDOP参考量的最小值，并将对应的权值组合确定为最终值，进行导航信号测量值权值赋值；本发明能够解决MBOC导航信号在多径环境下定位精度显著变差的问题，有效的减小定位误差。

Description

一种适用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法
技术领域
本发明涉及一种无模糊多径抑制方法，具体涉及一种适用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法。
背景技术
随着现代卫星导航技术的进一步发展，MBOC信号以北斗B1C的QMBOC(QuadratureMultiplexed BOC)，GPS L1C的TMBOC(Time Multiplexed BOC)以及Galileo E1B/C的CBOC(Composite BOC)实现形式被广泛应用。由于多径误差的信号特性与卫星真实信号相似，受接收空间环境复杂度影响较大，难以通过差建模或差分定位等处理对流层延迟误差、电离层延迟误差和空间噪声误的技术进行消除，致使其成为导致定位精度降低的主要误差源之一。定位精度提高已成为现代卫星导航的必然趋势，针对现代导航MBOC信号的多径抑制方案也成为提高接收机定位精度的重要手段。
目前，学者们针对MBOC信号多径误差抑制的研究较少。文献《基于MBOC调制的北斗导航信号的多径误差分析》(哈尔滨工业大学学报,2013,45(8):122-128)在分析MBOC调制信号原理的基础上，建立相应的多径信号模型，利用超前减滞后功率鉴相器和反正切鉴相器，考虑了多径直达幅度比、相关器间隔等因素，对MBOC信号进行多经误差仿真分析，但未提出切实有效的多径抑制方案；文献《CCRW技术在MBOC调制信号下多径抑制性能》(全球定位系统,2011,36(4):29-33)提出将四种典型的码相关参考波形(Code CorrelateReference Wave,CCRW)技术应用于MBOC信号，并与应用于BPSK和BOC(1,1)信号时多径抑制性能进行比较，分析得对CBOC信号具有一定的抑制效果，总体抑制效果不太理想；文献《Unambiguous Multipath Mitigation Technique for BOC(n,n)and MBOC-ModulatedGNSS Signals》(International Journal ofAntennas and Propagation,2012:1-13)首先基于最大似然估计以及MBOC信号相关函数对MBOC信号进行去模糊，进而使最终的自相关函数与PSK信号相近，然后对其应用针对PSK信号提出的多径抑制措施，分析得抑制效果与去模糊效果有直接关系，处理后的自相关函数越接近PSK信号，效果越佳。
发明内容
本发明目的在于解决MBOC信号受多径影响导致定位精度降低的问题二提出了一种适用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法。
本发明首先对MBOC信号进行去模糊，然后通过Delta指标进行受多径影响信号的筛选，再将WPDOP作为依据对定位误差进行判断，通过迭代的方法对测量值进行加权处理，以有效的提高在多径环境下MBOC信号的定位精度。
本发明提出的设计方法为：
一种应用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法，包括如下步骤：
步骤一：对MBOC导航信号采用具有改进ASPECT去模糊算法的跟踪环路，并将超前-滞后码间距设置为0.1码片；
步骤二：对于改进后跟踪环路的输出，采用Delta检测指标对导航信号是否受到多径进行区分，将导航信号分类为受多径影响以及不受多径影响两类；
步骤三：通过计算获得每个跟踪上的导航信号的载噪比，并基于载噪比的加权模型为每个导航信号测量值设置初始权值；
步骤四：基于Delta指标检测结果，采用迭代加权的方式对每个受多径影响的导航信号进行权值更改，获得WPDOP参考量的最小值，并将对应的权值组合确定为最终值，进行导航信号测量值权值赋值
所述步骤一具体为：改进的ASPECT去模糊算法如下：
MBOC导航信号的自相关函数表达式如下：
Figure GDA0004131874050000021
式中T表示相关积分时间，c(t)表示伪码，sc(t)表示副载波方波，τ表示传播时延；
MBOC信号与伪码的互相关函数表达式如下：
Figure GDA0004131874050000022
考虑到原有ASPECT算法对MBOC信号去模糊性能较差，进行一定的改进，改进后ASPECT算法的表达式：
Figure GDA0004131874050000023
式中的RMBOC(t)表示MBOC信号的自相关函数，RMBOC/PRN(t)表示MBOC与伪码的互相关函数。
为了适应改进后自相关函数较窄的特性，对比Ratio、Delta以及Double-delta三种监测指标，选择只考虑一对超前-滞后相关器的Delta指标，并将超前-滞后相关器间距定义为0.1码片；对每1秒的指标测量值求取均方差，通过在空旷地即无多径影响的区域进行数据分析，设置阈值为0.15，并将超出阈值的时间段的指标值定义为1，未超出的定义为0，进而降低误检率，提高监测指标的可靠性；
在采用基于载噪比的加权模型为每个导航信号测量值设置初始权值的基础上，对检测到的受多径影响的测量值采用迭代加权的方式进行权值矩阵取值的改进，迭代加权方案中以WPDOP作为定位误差大小的参考量，通过选取多次迭代后得到的WPDOP值中的最小值来确定相应测量值的权值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够解决MBOC导航信号在多径环境下定位精度显著变差的问题，有效的减小定位误差。
附图说明
图1是改进前后ASPECT算法效果对比图；
图2是改进后ASPECT算法的码环结构图；
图3是无多径影响时Delta指标测量图；
图4是受多径影响时Delta指标测量图；
图5是载噪比计算流程图；
图6是迭代加权流程图；
图7是无模糊多径抑制方案总体流程图。
具体实施方式
(1)为保证去模糊后获得较优的自相关函数波形，本发明对自相关边峰消除技术(Autocorrelation Side-peak Cancellation Technique,ASPECT)进行改进，以获得更佳的处理效果。早期ASPECT算法的提出很好的解决了sine-BOC(n,n)信号模糊的问题，但对于MBOC信号原有的ASPECT算法去模糊性能变的较差，基于此对原有算法进行一定的修改，使其能够很好的解决MBOC信号模糊问题。算法具体内容如下：
BOC相关导航信号的自相关函数表达式如下：
Figure GDA0004131874050000031
式中T表示相关积分时间，c(t)表示伪码，sc(t)表示副载波方波，τ表示传播时延。
BOC相关导航信号与伪码的互相关函数表达式如下：
Figure GDA0004131874050000032
原有ASPECT算法的表达式：
Figure GDA0004131874050000033
式中的RBOC(n,n)(t)表示sin-BOC(n,n)信号的自相关函数，RBOC(n,n)/PRN(t)表示sin-BOC(n,n)与伪码的互相关函数，β表示补偿因子，用于补偿带限造成的影响。
考虑到原有ASPECT算法对MBOC信号去模糊性能较差，进行一定的改进，其效果对比图见附图1，码环结构图见附图2，改进后ASPECT算法的表达式：
Figure GDA0004131874050000041
式中的RMBOC(t)表示MBOC信号的自相关函数，RMBOC/PRN(t)表示MBOC与伪码的互相关函数。
(2)为有效地低复杂度的进行监测，且考虑到改进后的自相关函数具有较窄的峰值，因此选择由超前相关器输出减去滞后相关器输出的绝对值除以即时值来定义的Delta指标作为判断依据，相对于由滞后相关器输出除以即时值来定义的Ratio指标和由两对(即监测和跟踪相关器)超前-滞后相关器差值除以即时值来定义的Double-delta指标具有更高的可靠性。对于输出的指标值，进行阈值的设置，对每1秒的指标测量值求取均方差，并将超出阈值的指标值定义为1，未超出的定义为0，以此进一步降低误检率。
相关器输出值的表达式：
Figure GDA0004131874050000042
式中，In,k,ci表示在第k个相干积分时期，第n个接收机信道的第i个超前-滞后相关器的同相输出；Pn,k表示功率；Bn,k表示二进制导航数据；Rτ(ciTc)表示码相关函数；
Figure GDA0004131874050000043
表示方差为N0/2TI，零均值高斯分布的同向噪声。
Delta指标的表达式：
Figure GDA0004131874050000044
Ratio指标的表达式：
Figure GDA0004131874050000045
Double-delta指标的表达式：
Figure GDA0004131874050000046
式中，I-c1、I+c1分别表示0.1码片相关器间隔的超前、滞后相关器输出值，I-c2、I+c2分别表示1码片相关器间隔的超前、滞后相关器输出值，I0表示即时值即峰值。
对于Delta指标阈值的选取，是在空旷地即没有多径影响的条件下，通过天线对相应卫星信号进行接收，经软件接收机进行跟踪后得到的，对于Delta指标测量值求取其均方差为0.15。基于设置的阈值，对每1秒测量值求取均方差，并在其值大于阈值时设置为1，小于时设置为0，进而判断该时段导航信号是否受多径影响，其效果图见附图3、附图4。
(3)本发明中多径的抑制效果与加权模型的选取存在紧密的关系，为了获得满意的多径抑制效果，需要设计更优的加权方案。考虑到迭代中最优权值的选择需要能有效反应出位置误差的参考值，相对于PDOP，加权的PDOP即WPDOP更可靠。该方案首先对所有跟踪上的信号采取基于载噪比的加权模型，在此基础上对检测到的受多径影响的信号进行迭代加权处理，减少其对定位结算的影响，进而提高定位精度。
对于加权模型的选取，考虑了该模型的可靠性，参考了相关文献，证实基于载噪比的加权模型具有更高的可靠性，相对于基于仰角的加权模型具有更优的表现。基于载噪比的加权模型的表达式：
Figure GDA0004131874050000051
式中，B表示相位跟踪环带宽(Hz)，λ表示载波相位波长(m)，c表示加权模型中的参数。
Figure GDA0004131874050000052
式中，c/N0表示信号的载噪比(计算流程图见附图5)，σ表示计算得到的初始权值。
下面介绍WPDOP的计算方法，其对应的初始权值矩阵由上式计算得出，并在每次迭代中进行相应的修改。计算流程如下：
Figure GDA0004131874050000053
式中，k表示卫星个数，u、v和w分别为观测方程A中与位置坐标分量x、y和z相对应的系数，最后一列为接收机差的系数。
则WPDOP的计算公式如下：
Figure GDA0004131874050000054
Q＝(ATσA)-1
Figure GDA0004131874050000061
Figure GDA0004131874050000062
式中，σk表示每颗卫星对应的权值。
对于检测到的受多径影响的信号，需在原始权值的基础上进行迭代修改，以获得最优权值矩阵。迭代加权是在原始权值的基础上进行递减，并每次递减后计算相应的WPDOP值，在迭代完成后，获得最小WPDOP值对应的权值矩阵，迭代加权流程图见附图6。递减的表达式如下：
Figure GDA0004131874050000063
式中，
Figure GDA0004131874050000064
是第k颗卫星信号在第in次迭代时的权值。
结合附图7说明本发明的具体实施方式：
(1)考虑到MBOC导航信号的模糊性，首先，对MBOC导航信号采用具有改进ASPECT去模糊算法的跟踪环路，并将超前-滞后码间距设置为0.1码片。
(2)对于改进后跟踪环路的输出，采用Delta检测指标对导航信号是否受到多径进行区分，将导航信号分类为受多径影响以及不受多径影响两类。
(3)通过计算获得每个跟踪上的导航信号的载噪比，并基于载噪比的加权模型为每个导航信号测量值设置初始权值。
(4)基于Delta指标检测结果，采用迭代加权的方式对每个受多径影响的导航信号进行权值更改，获得WPDOP参考量的最小值，并将对应的权值组合确定为最终值，进行导航信号测量值权值赋值。
综上所述：本发明涉及的是一种应用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法。多径现象作为现代卫星导航系统中的主要误差源之一，一直作为提高定位精度的关键所在。针对MBOC导航信号具有与PSK以及BOC(m,n)导航信号不同的自相关特性，提出了基于WPDOP迭代加权算法的无模糊多径抑制技术并给出了Delta检测指标阈值选取及判定多径的方法，实现MBOC导航信号在多径环境下进行实时的抑制，可有效的提高定位精度。本发明包括如下设计步骤：(1)考虑到MBOC导航信号的模糊性，首先，对MBOC导航信号采用具有改进ASPECT去模糊算法的跟踪环路，并将超前-滞后码间距设置为0.1码片。(2)对于改进后跟踪环路的输出，采用Delta检测指标对导航信号是否受到多径进行区分，将导航信号分类为受多径影响以及不受多径影响两类。(3)通过计算获得每个跟踪上的导航信号的载噪比，并基于载噪比的加权模型为每个导航信号测量值设置初始权值。(4)基于Delta指标检测结果，采用迭代加权的方式对每个受多径影响的导航信号进行权值更改，获得WPDOP参考量的最小值，并将对应的权值组合确定为最终值，进行导航信号测量值权值赋值。
本发明涉及的是一种应用于多路二进制偏移载波(Multiplexed Binary OffsetCarrier,MBOC)信号的基于加权位置精度因子(Position Dilution OfPrecision,WPDOP)的无模糊多径抑制方案，针对MBOC信号广泛应用以及多径成为其主要误差源的现状，提出了在Delta检测指标基础上将WPDOP作为定位误差参考量的多径抑制对策，以实现在保留MBOC信号优势的前提下获得更优的定位精度。

Claims (4)

1.一种应用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：对MBOC导航信号采用具有改进ASPECT去模糊算法的跟踪环路，并将超前-滞后码间距设置为0.1码片；
步骤二：对于改进后跟踪环路的输出，采用Delta检测指标对导航信号是否受到多径进行区分，将导航信号分类为受多径影响以及不受多径影响两类；
步骤三：通过计算获得每个跟踪上的导航信号的载噪比，并基于载噪比的加权模型为每个导航信号测量值设置初始权值；
步骤四：基于Delta指标检测结果，采用迭代加权的方式对每个受多径影响的导航信号进行权值更改，获得WPDOP参考量的最小值，并将对应的权值组合确定为最终值，进行导航信号测量值权值赋值。
2.根据权利要求1所述的应用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法，其特征是，所述步骤一具体为：改进的ASPECT去模糊算法如下：
MBOC导航信号的自相关函数表达式如下：
Figure FDA0004131874040000011
式中T表示相关积分时间，c(t)表示伪码，sc(t)表示副载波方波，τ表示传播时延；
MBOC信号与伪码的互相关函数表达式如下：
Figure FDA0004131874040000012
考虑到原有ASPECT算法对MBOC信号去模糊性能较差，进行一定的改进，改进后ASPECT算法的表达式：
Figure FDA0004131874040000013
式中的RMBOC(t)表示MBOC信号的自相关函数，RMBOC/PRN(t)表示MBOC与伪码的互相关函数。
3.根据权利要求1所述的应用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法，其特征是，所述步骤二具体为：为了适应改进后自相关函数较窄的特性，对比Ratio、Delta以及Double-delta三种监测指标，选择只考虑一对超前-滞后相关器的Delta指标，并将超前-滞后相关器间距定义为0.1码片；对每1秒的指标测量值求取均方差，通过在空旷地即无多径影响的区域进行数据分析，设置阈值为0.15，并将超出阈值的时间段的指标值定义为1，未超出的定义为0，进而降低误检率，提高监测指标的可靠性。
4.根据权利要求1所述的应用于MBOC导航信号的无模糊多径抑制方法，其特征是，所述在步骤四中：在采用基于载噪比的加权模型为每个导航信号测量值设置初始权值的基础上，对检测到的受多径影响的测量值采用迭代加权的方式进行权值矩阵取值的改进，迭代加权方案中以WPDOP作为定位误差大小的参考量，通过选取多次迭代后得到的WPDOP值中的最小值来确定相应测量值的权值。
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