CN112130176A - 一种导航卫星信号发射通道的辨识方法 - Google Patents

一种导航卫星信号发射通道的辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，本方法将通道模型视作一个“黑箱”，仅采用通道输入输出两端数据，提取出传输通道数字模型。本发明采用QPSK复用调制方式进行信号解析，QPSK复用调制方式即为C/A码信号和P(Y)码信号采用QPSK复用技术合并进行信号发射的方式；本发明采用最小二乘批量辨识法进行通道辨识，输入信号为理想信基带信号，输出信号为大天线采集的数据。本发明的优点是，通过最小二乘批量处理法辨识信号传输通道特性，通过仿真及实测验证，辨识效果较好，本发明可支撑后续信号质量评估工作。

Description

一种导航卫星信号发射通道的辨识方法
技术领域
本发明属于导航卫星信号传输技术领域，具体涉及一种导航卫星信号发射 通道的辨识方法。
背景技术
导航卫星信号传输通道发生非线性失真将直接影响接收端导航信号质量的 优劣，继而影响定位、测距等性能。由于导航卫星信号传输通道在信号传播过 程中易受到多种干扰因素的影响，且星上传输环境复杂多变，通道模型不易仿 真建立。本发明提供一种新的导航卫星信号发射通道的辨识方法，旨在解决上 述问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种接收信号较好、伪码误码率低的 导航卫星信号发射通道的辨识方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，采用输入输出通道两端数据，提 取出传输通道数字模型，将通道模型视作一个“黑箱”，只考虑输入输出特性；输 入信号数据进入系统模型，零均值噪声进入噪声模型，系统模型和噪声模型相 结合，输出信号数据；
采用QPSK复用调制方式进行信号解析，所述QPSK复用调制方式即为C/A 码信号和P(Y)码信号采用QPSK复用技术合并进行信号发射的方式；
采用最小二乘批量辨识法进行通道辨识，输入信号为理想信基带信号，输 出信号为大天线采集的QPSK调制信号数据。
进一步的，所述系统模型的表达式为：
Figure BDA0002561264760000011
Figure BDA0002561264760000012
进一步的，所述信号发射的表达式为：
Figure BDA0002561264760000021
式子(3)中SI(t)，SQ(t)分别表示I,Q两个支路的信号表达式；
sRF(t)＝SI(t)cos(ωct)-SQ(t)sin(ωct) (4)
Figure BDA0002561264760000022
其中，PI，PQ分别为I,Q两路的功率，gI(t)，gQ(t)分别为I,Q两路的扩频码。
进一步的，所述最小二乘批量辨识法的数学模型为：
A(z(-1))z(k)＝B(z(-1))u(k)+n(k) (6)
Figure RE-GDA0002796342100000023
{u(k),z(k)}分别系统模型的输入输出，n(k)为模型噪声；A(z-1)和B(z-1)的系数为ai,i＝1,2,···,na和bi,i＝1,2,···,nb。
进一步的，所述数学模型写成最小二乘格式为：
Figure BDA0002561264760000024
式中Zk为输出信号数据，h(k)为延迟因子，θ为系统特征滤波器系数；
Figure BDA0002561264760000025
设数据长度为K＝1,2,3,.....L，则上两式可简写为：
Zl＝HLθ+nL (10)
Figure BDA0002561264760000026
准则函数取为：
Figure BDA0002561264760000027
通过极小化准则函数得到最小二乘估计为：
Figure BDA0002561264760000028
Zl为输出信号数据，HL为延迟因子，
Figure BDA0002561264760000029
为系统特征滤波器系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明基于GPS实际采集信号，通过最小二乘批量处理法辨识信号传输通 道特性，实验结果证明，理想信号通过辨识所得滤波器的通道后，与实际接收 信号波形符合程度较好。本发明可支撑后续导航信号通道辨识及预失真均衡相 关领域的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要 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，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为本发明的通道辨识示意图；
图2-3为本发明的理想信基带信号示意图；
图4为本发明的通道辨识效果检测示意图；
图5为本发明的通道辨识效果图；
图6为本发明的通道群时延特性示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结 合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明， 不作为对本发明的限定。
如图1-6所示的一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，采用输入输出通道 两端数据，提取出传输通道数字模型。由于星上环境复杂多变，且受干扰影响 较大，具体模型难以建立，基于此，本发明将整个待辨识的通道模型视作一个“黑 箱”，只考虑输入输出特性，具体内部的机理不做研究。具体示意图如图1所示。
1、输入信号数据进入系统模型，零均值噪声进入噪声模型，系统模型和噪 声模型相结合，输出信号数据。
图1中，u(k)和z(k)分别表示表示系统的输入输出信号数据，H(z-1)为噪声模 型，v(k)为零均值噪声，G(z-1)为系统模型，即为信号传输通道的系统模型。通 常
Figure BDA0002561264760000041
Figure RE-GDA0002796342100000042
2、QPSK授权信号解析
本发明采用中科院国家授时中心昊平观测站40米大口径天线所采集的GPS L1频段BIIR-7卫星采集信号，为典型的QPSK复用调制方式，即C/A码信号和 P(Y)码信号采用QPSK复用技术合并在一起进行发射的。参考上述通道辨识方 法，由于理想输入信号未知。故此处讨论授权信号解析问题。易知发射信号如 下：
Figure BDA0002561264760000043
式子中SI(t)，SQ(t)分别表示I,Q两个支路的信号表达式。
sRF(t)＝SI(t)cos(ωCt)-SQ(t)sin(ωCt) (4)
Figure BDA0002561264760000044
其中，PI，PQ分别为I,Q两路的功率，gI(t)，gQ(t)分别为I,Q两路的扩频码；
由上式可知，sRF(t)的理想信号恢复重点即为确定I,Q两路信号的功率比
Figure BDA0002561264760000045
Figure BDA0002561264760000046
数值；由于I，Q两路相互正交，互不干扰，故两路信号上的功率比值，即 为I,Q两路信号的能量比，分别取基带信号的实部和虚部求取平方的和，二者的 比值即为
Figure BDA0002561264760000047
根据此方法可获得sRF(t)的理想信基带信号如图2-3所示。
从图2可的得出，实际接收信号与理想恢复信号符合较好，实际C/A伪码 与解析伪码误码率为0。
3、通道辨识研究
本发明采取最小二乘批量辨识法进行通道辨识，输入信号为理想信基带信 号，输出信号为大天线采集的数据，采取如图4的框图对所求的通道特性进行 检测。
3.1最小二乘批量辨识法
将导航信号传输通道简化成线性时不变系统的数学模型为：
A(z(-1))z(k)＝B(z(-1))u(k)+n(k) (6)
Figure RE-GDA0002796342100000052
{u(k),z(k)}分别系统模型的输入输出，n(k)为模型噪声，则导航信号通道辨识问题就是利用输入和输出信号数据序列来确定多项式A(z-1)和B(z-1)的系数为 ai,i＝1,2,···,na和bi,i＝1,2,···,nb。
将数学模型写成最小二乘格式为：
Figure BDA0002561264760000051
式中Zk为输出信号数据，h(k)为延迟因子，θ为系统特征滤波器系数；
Figure BDA0002561264760000052
设数据长度为K＝1,2,3,.....L，则上两式可简写为：
Zl＝HLθ+nL (10)
Figure BDA0002561264760000053
准则函数取为：
Figure BDA0002561264760000054
通过极小化准则函数得到最小二乘估计为：
Figure BDA0002561264760000055
Zl为输出信号数据，HL为延迟因子，
Figure BDA0002561264760000056
为系统特征滤波器系数。
3.2最小二乘辨识法实验结果
由图5-6可得，理想信号经过通道辨识后得到的辨识信号，与实测信号接收 端的信号比较，符合情况较好。
本发明基于GPS实际采集信号，通过最小二乘批量处理法辨识信号传输通 道特性，实验结果证明，经过通道辨识均衡后，通道发射带宽内群时延失真在 ±0.5ns以内，均衡效果较好，可为后续信号的获取及信号质量评估提供一定的 支撑作用。
本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，其特征在于，采用输入输出通道两端数据，提取出传输通道数字模型，将通道模型视作一个“黑箱”，只考虑输入输出特性；输入信号数据进入系统模型，零均值噪声进入噪声模型，系统模型和噪声模型相结合，输出信号数据；
采用QPSK复用调制方式进行信号解析，所述QPSK复用调制方式即为C/A码信号和P(Y)码信号采用QPSK复用技术合并进行信号发射的方式；
采用最小二乘批量辨识法进行通道辨识，输入信号为理想信基带信号，输出信号为大天线采集的QPSK调制信号数据。
2.根据权利要求1所述的一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，其特征在于，所述系统模型的表达式为：
Figure RE-FDA0002796342090000011
Figure RE-FDA0002796342090000012
。
3.根据权利要求1所述的一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，其特征在于，所述信号发射的表达式为：
Figure RE-FDA0002796342090000013
式子(3)中SI(t)，SQ(t)分别表示I,Q两个支路的信号表达式；
sRF(t)＝SI(t)cos(ωCt)-SQ(t)sin(ωCt) (4)
Figure RE-FDA0002796342090000014
其中，PI，PQ分别为I,Q两路的功率，gI(t)，gQ(t)分别为I,Q两路的扩频码。
4.根据权利要求1所述的一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，其特征在于，所述最小二乘批量辨识法的数学模型为：
A(z(-1))z(k)＝B(z(-1))u(k)+n(k) (6)
Figure RE-FDA0002796342090000015
{u(k),z(k)}分别系统模型的输入输出，n(k)为模型噪声；A(z-1)和B(z-1)的系数为ai,i＝1,2,···,na和bi,i＝1,2,···,nb。
5.根据权利要求4所述的一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，其特征在于，所述数学模型写成最小二乘格式为：
Zk＝hkθ+nk；
Figure RE-FDA0002796342090000021
式中Zk为输出信号数据，h(k)为延迟因子，θ为系统特征滤波器系数；
Figure RE-FDA0002796342090000022
设数据长度为K＝1,2,3,.....L，则上两式可简写为：
Zl＝HLθ+nL (10)
Figure RE-FDA0002796342090000023
准则函数取为：
Figure RE-FDA0002796342090000024
6.根据权利要求4所述的一种导航卫星信号发射通道的辨识方法，其特征在于，通过极小化准则函数得到最小二乘估计为：
Figure RE-FDA0002796342090000025
Zl为输出信号数据，HL为延迟因子，
Figure RE-FDA0002796342090000026
为系统特征滤波器系数。
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