CN111812684A - 基于自相关边峰消除的boc信号多径抑制技术改进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法,提出了一种基于子正交合成相关函数的边峰消除算法,将其与传统的窄相关器方法和HRC方法结合,生成新型的SQC‑窄相关和SQC‑HRC多径抑制技术。仿真结果表明,针对Sine‑BOC(1,1)和Cosine‑BOC(1,1)信号,结合SQC算法的多径抑制改进技术,不仅有效解决了码跟踪模糊问题,而且明显减弱了多径对BOC信号造成的影响,多径抑制能力显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航信号处理技术领域,尤其涉及一种基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法。
背景技术
随着导航系统的现代化发展,未来的GNSS会有越来越多的卫星升入地球上空,这虽然能提高传统单模接收机的定位精度,但是导航系统间的干扰和频率拥挤问题,也越来越不容忽视。为了提高导航系统间的兼容性,避免射频干扰和频谱拥挤问题,Betz提出了二进制偏移载波(binary offset carrier,BOC)调制方法,该调制信号的频谱分裂特性能有效地解决频段拥挤问题,且BOC信号的自相关主峰较传统BPSK信号更加尖锐,有利于提高码跟踪精度和抗多径能力。但传统的多径抑制技术针对的是BPSK信号的自相关函数的单峰特性,而BOC信号的自相关具有多峰性,不仅如此,BPSK信号的鉴相输出相关器间隔和前端带宽也均不适用与BOC信号,因此直接将传统多径抑制方法应用于BOC信号性能普遍较差。就目前来说,针对BOC信号的多径抑制技术的研究仍有待进一步改进。传统多径抑制技术在用于BOC信号时,码跟踪模糊,多径抑制能力差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法,旨在解决传统多径抑制技术在用于BOC信号时,码跟踪模糊,多径抑制能力差的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法,包括:
利用BOC信号,生成Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)信号的自相关函数;
利用已经得出的Sine-BOC(1,1)和Cosine-BOC(1,1)信号的自相关表达式,生成Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)的正交互相关函数Rs/c和Cosine-BOC(n,n)和Sine-BOC(n,n)的正交互相关函数Rc/s,正交互相关函数Rs/c和正交互相关函数Rc/s呈相反关系;
将正交互相关函数Rs/c和Rc/s的表达式进行分解,得到对应的子正交相关函数;
将Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)对应的子正交相关函数平移0.25Tc;
利用平移后的子正交相关函数的主副峰位置与BOC自相关函数的主副峰存在对应关系和子正交相关函数的主峰尖锐的特性,基于重构规则,得到新的合成相关函数;
将新的合成相关函数替换原本鉴相函数中接收信号的自相关函数,并用于窄相关和HRC抗多径技术即生成结合边峰消除技术的BOC多径抑制技术。
其中,利用BOC信号,生成Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)信号的自相关函数,其中BOC(n,n)调制信号的模型为:
其中,A表示信号幅度,c(t)是扩频伪码序列,D(t)为导航电文,τ表示码相位延迟,fs为调制信号副载波频率,sign是符号函数,或表示调制用的副载波为正弦信号或者余弦信号,ωIF为中频频率,为载波相位。
其中,利用BOC信号,生成Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)信号的自相关函数,其中Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)信号的自相关函数的数学模型分别为:
其中,ΛTc表示一个带宽为Tc,幅值为1,中心在零点的三角函数,i,j,i1,j1均为变量,表示累加次数。
其中,将正交互相关函数Rs/c和Rc/s的表达式进行分解,得到对应的子正交相关函数,具体包括:
将正交互相关函数Rs/c分解为子正交相关函数Rs/c1和Rs/c2,子正交相关函数Rs/c1和Rs/c2之和为正交互相关函数Rs/c;
正交互相关函数Rs/c的表达式为:
子正交相关函数Rs/c1的表达式为:
子正交相关函数Rs/c2的表达式为:
其中,将正交互相关函数Rs/c和Rc/s的表达式进行分解,得到对应的子正交相关函数,具体还包括:
将正交互相关函数Rc/s分解为子正交相关函数Rc/s1和Rc/s2,子正交相关函数Rc/s1和Rc/s2之和为正交互相关函数Rc/s;
正交互相关函数Rc/s的表达式为:
子正交相关函数Rc/s1的表达式为:
子正交相关函数Rc/s2的表达式为:
其中,利用平移后的子正交相关函数的主副峰位置与BOC自相关函数的主副峰存在对应关系和子正交相关函数的主峰尖锐的特性,基于重构规则,得到新的合成相关函数,具体包括:
将Rs/c1向左平移0.25Tc得到相关函数Shift_Rs/c1(τ),由于主副峰位置与BOC信号原本的自相关函数的主副峰位置对应,且相较之主峰更加尖锐的特性,利用下式的重构合成方法,得到新的合成相关函数:
Rproposed(τ)=Shift_Rs/c1(τ)*RBOCs(τ)+|Shift_Rs/c1(τ)|*RBOCs(τ);
其中,RBOCs(τ)为Sine-BOC(n,n)的自相关函数的数学模型。
其中,将新的合成相关函数替换原本鉴相函数中接收信号的自相关函数,并用于窄相关和HRC抗多径技术即可生成结合边峰消除技术的BOC多径抑制技术,具体包括:
导航接收机采用EML超前减滞后鉴相方法,通过分析多径信号的模型和多径效应所引起的跟踪误差问题,分析得到多径信号存在的情况下的鉴相输出,给出窄相关和HRC多径抑制方法的鉴相输出函数,再给出结合SQC边峰消除方法的二者改进输出,得到结合边峰消除算法的窄相关多径抑制方法的鉴相输出函数数学模型为:
SSQC-NC(τe)=Rproposed_E1(τe)-Rproposed_L1(τe);
其中,Rproposed_E1(τe)和Rproposed_L1(τe)分别表示为接收机码跟踪环路中无模糊超前信号和滞后信号的相关函数。
得到HRC技术的鉴相函数为:
其中,τe为多径引起的码相位时延误差;Narrow(d)是相关器间隔为d的SQC--窄相关的鉴相输出函数SSQC-NC(τe),Narrow(2d)是将鉴相器间距扩大为2d的鉴相输出。
本发明的一种基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法,通过对Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)信号做互相关,生成正交相关函数Rs/c和Rc/s,再对正交相关进行分解和平移操作,得到重构相关函数所需的子正交相关函数Shift_Rs/c1(τ),利用本发明所提出的根据相关信号特性的重构方式,即可得到新的相关函数Rproposed,重构的新相关函数完全消除了副峰,保留下来的主峰更加尖锐,提高了接收机码跟踪环路的跟踪精度。然后从传统窄相关方法和HRC方法的鉴相函数出发,将鉴相输出表达式中的接收信号自相关函数替换成本发明提出的能够完全消除相关函数副峰的子正交合成相关函数。这种方法不仅有效解决了由自相关函数多峰性引起的码跟踪环路模糊问题,而且结合SQC算法的窄相关和HRC方法,鉴相曲线的误锁点基本消除,多径误差包络面积大幅减小,显著提高了BOC信号的多径抑制能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法的流程示意图;
图2是本发明提供的子正交合成相关函数算法框图;
图3是Sine-BOC(n,n)信号和Cosine-BOC(n,n)信号二者之间的子正交合成相关函数过程图;
图4是将各种传统边峰消除算法和本发明提供的算法用于Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(n,n)信号所得的归一化自相关函数对比图;
图5是Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(1,1)信号的窄相关方法和SQC-窄相关方法的超前减滞后EML鉴相曲线;
图6是Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(1,1)信号的HRC方法和SQC-HRC方法的超前减滞后EML鉴相曲线;
图7是Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(1,1)信号的窄相关方法和SQC-窄相关方法的多径包络误差曲线;
图8是Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(1,1)信号的HRC方法和SQC-HRC相关方法的多径包络误差曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1,图1是本发明实施例提供的一种基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法的流程示意图,具体的,所述基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法可以包括以下步骤:
S101、利用BOC信号,生成Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)信号的自相关函数;
本发明实施例中,BOC信号为二进制偏移载波信号,BOC(n,n)为调制信号,Sine-BOC(n,n)信号为正弦调制信号,Cosine-BOC(n,n)信号为余弦调制信号。
BOC(n,n)调制信号的模型可表示为:
其中,A表示信号幅度,c(t)是扩频伪码序列,D(t)为导航电文,τ表示码相位延迟,fs为调制信号副载波频率,sign是符号函数,sign[sin(2πfs(t-τ))]或sign[cos(2πfs(t-τ))]表示调制用的副载波为正弦信号或者余弦信号,ωIF为中频频率,为载波相位。
BOC(n,n)调制信号的自相关函数的波形都是一条由多个折线段连接而成,形成多个正副峰和过零点的特性。
Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)的自相关函数的数学模型如下所示:
其中,ΛTc表示一个带宽为Tc,幅值为1,中心在零点的三角函数。
S102、利用已经得出的Sine-BOC(1,1)和Cosine-BOC(1,1)信号的自相关表达式,生成Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)的正交互相关函数Rs/c和Cosine-BOC(n,n)和Sine-BOC(n,n)的正交互相关函数Rc/s,正交互相关函数Rs/c和正交互相关函数Rc/s呈相反关系;
本发明实施例中,利用上面RBOCs和RBOCc两式,Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)的正交互相关函数和Cosine-BOC(n,n)和Sine-BOC(n,n)的正交相关函数呈相反关系,有:
S103、将正交互相关函数Rs/c和Rc/s的表达式进行分解,得到对应的子正交相关函数;
本发明实施例中,以Sine-BOC(n,n)正交互相关函数Rs/c为例进行分解,得到2个子正交互相关函数Rs/c1和Rs/c2,这两个子正交相关函数之和等于分解前的正交互相关,即Rs/c1和Rs/c2之和仍为正交函数Rs/c。分解得到子正交互相关数学模型可表示为:
Cosine-BOC(n,n)正交互相关函数Rc/s的分解同理,同理可对Cosine-BOC(n,n)的正交函数分解,与Sine-BOC(n,n)子正交相关函数互为相反的关系。
S104、将Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)对应的子正交相关函数平移0.25Tc;
本发明实施例中,
BOC(n,n)的各子正交互相关函数间仅存在平移和取反的关系。下面以Sine-BOC(n,n)为例进行分析,Cosine-BOC(n,n)的分析同理。将Sine-BOC(n,n)的子正交函数Rs/c1向左平移0.25Tc,即可得到相关函数Shift_Rs/c1(τ),可表示为:
S105、利用平移后的子正交相关函数的主副峰位置与BOC自相关函数的主副峰存在对应关系和子正交相关函数的主峰尖锐的特性,基于重构规则,得到新的合成相关函数;
本发明实施例中,利用相关函数Shift_Rs/c1(τ)主副峰位置与BOC自相关函数的主副峰存在对应关系和Shift_Rs/c1(τ)的主峰更加尖锐的特性,基于重构规则,得到新的合成相关函数,如下所示:
Rproposed(τ)=Shift_Rs/c1(τ)*RBOCs(τ)+|Shift_Rs/c1(τ)|*RBOCs(τ);
同理,对于Cosine-BOC(n,n),只需将取反再通过同样的合成方法就可得到新的合成相关函数Rproposed。
S106、将新的合成相关函数替换原本鉴相函数中接收信号的自相关函数,并用于窄相关和HRC抗多径技术即生成结合边峰消除技术的BOC多径抑制技术。
本发明实施例中,从传统窄相关器和HRC多径抑制方法的鉴相函数入手,将基于子正交合成的相关函数替换原本鉴相函数中接收信号的自相关函数,生成SQC-窄相关技术和SQC-HRC技术。
窄相关技术是基于接收机硬件结构的多径减弱方法,假设只有一条多径信号,相关器间隔为d,接收机码跟踪环路中的超前和滞后信号可表示为:
窄相关方法利用超前减滞后EML鉴相器,所以将上述两式相减,即可得到窄相关方法的鉴相输出,将本发明提供的子正交合成相关函数Rproposed(τe)替代原本接收信号的相关函数R(τe),故结合边峰消除算法的窄相关多径抑制方法的鉴相输出函数数学模型为:
SSQC-NC(τe)=Rproposed_E1(τe)-Rproposed_L1(τe);
其中,SQC-窄相关超前减滞后的相关器间隔d<1Tc,Tc为一个码片。
HRC技术是对超前减滞后EML鉴相器的改进,通过增加一对早迟相关器,利用相关峰两侧的坡度信息进行鉴相,比窄相关具有更好的多径减弱效果,但同时也会缩小可鉴相的范围。HRC方法的两组相关器分别为超前减滞后和远超前减滞后,一般情况下将后者的相关器间隔设置为前者的2倍。将这4个相关器按照吐下所示的组合方法构成,得到HRC方法的鉴相输出函数为:
其中,RE1和RL1间隔为d的超前减滞后相关器E1和L1的支路相关函数,RE2和RL2间隔为2d的远超前减滞后相关器E2和L2的支路相关函数。结合前面窄相关方法的鉴相输出模型可知,HRC相关器技术中相关器间隔为d的超前减滞后鉴相输出(RE1-RL1)等价于窄相关方法的鉴相输出SNC(τe)=Narrow(d),再结合本发明提出的子正交相关函数,HRC技术的鉴相函数可重新表示为:
在假设HRC方法的相关器间隔与窄相关保持一致时,SQC-HRC的鉴相输出函数可用SQC-窄相关的鉴相输出函数表示出来。至此,本发明完成多多径抑制技术的改进,使其在对BOC信号进行多径抑制时,具有显著的效果,且消除了码跟踪模糊。
本发明提出了一种基于子正交合成相关函数(Sub-quadrature complexcorrelation function)的边峰消除算法(简写为SQC算法),将其与传统的窄相关器(Narrow Correlator)方法和HRC(High-Resolution Correlator)方法结合,生成新型的SQC-窄相关和SQC-HRC多径抑制技术。请参阅图2,图2是本发明提供的子正交合成相关函数算法框图;请参阅图3,图3是Sine-BOC(n,n)信号和Cosine-BOC(n,n)信号二者之间的子正交合成相关函数过程图;请参阅图4,图4是将各种传统边峰消除算法和本发明提供的算法用于Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(n,n)信号所得的归一化自相关函数对比图;请参阅图5,图5是Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(1,1)信号的窄相关方法和SQC-窄相关方法的超前减滞后EML鉴相曲线图;请参阅图6,图6是Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(1,1)信号的HRC方法和SQC-HRC方法的超前减滞后EML鉴相曲线图;请参阅图7,图7是Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(1,1)信号的窄相关方法和SQC-窄相关方法的多径包络误差曲线;请参阅图8,图8是Sine-BOC(1,1)信号和Cosine-BOC(1,1)信号的HRC方法和SQC-HRC相关方法的多径包络误差曲线;仿真结果表明,针对Sine-BOC(1,1)和Cosine-BOC(1,1)信号,结合SQC算法的多径抑制改进技术,不仅有效解决了码跟踪模糊问题,而且明显减弱了多径对BOC信号造成的影响,多径抑制能力显著提升。即提供一种针对BOC信号的多径抑制改进技术,提高码跟踪环路精度的同时,解决传统多径抑制技术在应用于BOC信号时,所存在的误锁和多径抑制效果不佳的问题。
本发明提出一种适用于BOC(n,n)信号的多径抑制改进方法。本发明的中心思想是首先通过对Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)信号做互相关,生成正交相关函数Rs/c和Rc/s,再对正交相关进行分解和平移操作,得到重构相关函数所需的子正交相关函数Shift_Rs/c1(τ),利用本发明所提出的根据相关信号特性的重构方式,即可得到新的相关函数Rproposed,重构的新相关函数完全消除了副峰,保留下来的主峰更加尖锐,提高了接收机码跟踪环路的跟踪精度。然后从传统窄相关方法和HRC方法的鉴相函数出发,将鉴相输出表达式中的接收信号自相关函数替换成本发明提出的能够完全消除相关函数副峰的子正交合成相关函数。这种方法不仅有效解决了由自相关函数多峰性引起的码跟踪环路模糊问题,而且结合SQC算法的窄相关和HRC方法,鉴相曲线的误锁点基本消除,多径误差包络面积大幅减小,显著提高了BOC信号的多径抑制能力。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程,并依本发明权利要求所作的等同变化,仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法,其特征在于,包括:
利用BOC信号,生成Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)信号的自相关函数;
利用已经得出的Sine-BOC(1,1)和Cosine-BOC(1,1)信号的自相关表达式,生成Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)的正交互相关函数Rs/c和Cosine-BOC(n,n)和Sine-BOC(n,n)的正交互相关函数Rc/s,正交互相关函数Rs/c和正交互相关函数Rc/s呈相反关系;
将正交互相关函数Rs/c和Rc/s的表达式进行分解,得到对应的子正交相关函数;
将Sine-BOC(n,n)和Cosine-BOC(n,n)对应的子正交相关函数平移0.25Tc;
利用平移后的子正交相关函数的主副峰位置与BOC自相关函数的主副峰存在对应关系和子正交相关函数的主峰尖锐的特性,基于重构规则,得到新的合成相关函数;
将新的合成相关函数替换原本鉴相函数中接收信号的自相关函数,并用于窄相关和HRC抗多径技术即生成结合边峰消除技术的BOC多径抑制技术。
6.如权利要求4所述的基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法,其特征在于,利用平移后的子正交相关函数的主副峰位置与BOC自相关函数的主副峰存在对应关系和子正交相关函数的主峰尖锐的特性,基于重构规则,得到新的合成相关函数,具体包括:
将Rsc1向左平移0.25Tc得到相关函数Shift_Rs/c1(τ),由于主副峰位置与BOC信号原本的自相关函数的主副峰位置对应,且相较之主峰更加尖锐的特性,利用下式的重构合成方法,得到新的合成相关函数:
Rproposed(τ)=Shift_Rs/c1(τ)*RBOCs(τ)+|Shift_Rs/c1(τ)|*RBOCs(τ);
其中,RBOCs(τ)为Sine-BOC(n,n)的自相关函数的数学模型。
7.如权利要求6所述的基于自相关边峰消除的BOC信号多径抑制技术改进方法,其特征在于,将新的合成相关函数替换原本鉴相函数中接收信号的自相关函数,并用于窄相关和HRC抗多径技术即可生成结合边峰消除技术的BOC多径抑制技术,具体包括:
导航接收机采用EML超前减滞后鉴相方法,通过分析多径信号的模型和多径效应所引起的跟踪误差问题,分析得到多径信号存在的情况下的鉴相输出,给出窄相关和HRC多径抑制方法的鉴相输出函数,再给出结合SQC边峰消除方法的二者改进输出,得到结合边峰消除算法的窄相关多径抑制方法的鉴相输出函数数学模型为:
SSQC-NC(τe)=Rproposed_E1(τe)-Rproposed_L1(τe);
其中,Rproposed_E1(τe)和Rproposed_L1(τe)分别表示为接收机码跟踪环路中无模糊超前信号和滞后信号的相关函数。
得到HRC技术的鉴相函数为:
其中,τe为多径引起的码相位时延误差;Narrow(d)是相关器间隔为d的SQC--窄相关的鉴相输出函数SSQC-NC(τe),Narrow(2d)是将鉴相器间距扩大为2d的鉴相输出。
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CN103424754A (zh) * | 2013-07-18 | 2013-12-04 | 哈尔滨工程大学 | 基于合成相关函数的mboc调制信号无模糊多径抑制方法 |
CN106226791A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-12-14 | 重庆邮电大学 | 基于并行scpc与hrc相结合的高阶boc信号多径抑制算法 |
CN108051827A (zh) * | 2017-10-25 | 2018-05-18 | 西南电子技术研究所(中国电子科技集团公司第十研究所) | Boc调制信号无模糊码跟踪方法 |
-
2020
- 2020-07-22 CN CN202010709860.8A patent/CN111812684A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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