CN112578416B - 一种跳时直接序列码分多址导航信号测距码优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线电导航领域，本发明公开了一种跳时直接序列码分多址导航信号测距码优选方法。该方法包括：选取码生成多项式的级数N；通过全域搜索得到全部N级m序列优选对；对每个优选对，遍历搜索得出平衡Gold码族，并在不同移位状态下，对全部平衡码计算非循环互相关峰值和非循环自相关次峰值并求平均，比较得出最低平均相关峰值，并记录最佳循环移位状态；选取最低平均相关峰值最小的优选对，按其最佳循环移位值得出优选测距码。本发明方法可有效降低跳时直接序列码分多址信号捕获和跟踪过程中错误锁定信号的概率；应用于伪卫星导航系统和低轨卫星导航系统，在解决远近效应问题的同时，减轻了不同的导航台信号之间的码间干扰问题。

Description

一种跳时直接序列码分多址导航信号测距码优选方法

技术领域

本发明属于无线电导航领域，尤其涉及一种跳时直接序列码分多址导航信号测距码优选方法。

背景技术

位于几万公里高空的导航卫星所发射的卫星信号在到达地面的接收机时已经变得相当微弱，并且相对稳定，各卫星信号的强弱也大致相等。但是对于导航伪卫星和低轨导航卫星来讲，由于导航台与定位终端间的距离变化范围较大，导致用户终端接收到的信号强度变化剧烈，强信号对弱信号的干扰问题凸现。这一问题被称为远近效应问题，远近效应问题普遍存在于伪卫星导航系统和低轨卫星导航系统中。

对于远近效应问题，其解决方法可以从两个方面开展，一是在用户接收端利用阵列天线，在空域对不同方向导航信号分别接收，结合后端信号处理算法实现强弱信号的分离；二是信号体制设计层面，通过采用时分复用、频分复用和码分复用等方式，在时域或频域消除不同导航台信号的互扰，并通过选取伪随机码，优化码间互相关特性，降低不同导航台信号的码间干扰。一种信号体制解决方案是采用跳时直接序列码分多址信号，各导航台在不同的时序脉冲上播发不同的扩频码调制信号，在时域和扩频码两个层面区分信号，应用于伪卫星导航系统和低轨卫星导航系统，能够较好地解决远近效应问题。跳时直接序列码分多址信号与时域连续直接序列码分多址信号应用特点不同，因此其扩频码的选取需要根据其应用特点考虑新的优选方法。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种跳时直接序列码分多址导航信号测距码优选方法。

(二)为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案

一种跳时直接序列码分多址导航信号测距码优选方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、根据码长要求选取码生成多项式的级数N。

具体为，根据码长要求选取码生成多项式的级数N，N的取值为偶数，并且不是4的倍数。

步骤2、通过全域搜索得到全部N级m序列优选对。

具体为，对于级数N，按照文献[1]中介绍的m序列及其优选对的全域搜索算法，经计算机搜索得到全部N级本原多项式，本原多项式数目记为Nb个，每个本原多项式可产生一个m序列，该序列具有类似随机码的自相关函数特性，对全部Nb个m序列，通过全域搜索得到全部m序列优选对，优选对数目记为Ny对。令i＝1，选取第一个优选对。

注1：参考文献[1]《导航卫星测距码的优选方法》，帅平，曲广吉，陈忠贵。中国空间科学技术，2006年4月第2期。

步骤3、选择一个优选对，通过遍历搜索得出该优选对生成的全部平衡Gold码，记录平衡Gold码的初始移位状态。

具体为，根据平衡码的特性，通过计算机遍历搜索，找出第i个m序列优选对生成的Gold码族中的全部平衡码，数目记为Np。令j＝1，记录步骤3所得的Gold码族平衡码的初始位移状态(无循环移位)。

步骤4、在当前移位状态下，对全部平衡Gold码，计算并记录任意2个平衡码序列的非循环互相关函数峰值；

步骤5、在当前移位状态下，对全部平衡Gold码，计算并记录每个平衡码序列的非循环自相关函数次峰值；

步骤6、计算当前移位状态下的平均相关峰值。

具体为，对步骤4和步骤5中计算的全部非循环互相关函数峰值和非循环自相关函数次峰值求平均值，记为C_j，意为第j个位移状态下的平均相关峰值。

步骤7、j的数值加1，将当前Gold码族全部平衡码同步向右循环移位1位，重复执行步骤4至步骤6，直至遍历2^N-1个移位状态。

具体为，将j的数值加1，并将当前Gold码族全部平衡码同步向右循环移位1位，重复执行步骤4至步骤6，直至j＝2^N-1。

步骤8、比较通过比较得出步骤3中选择的优选对生成的平衡码在不同循环移位状态下的最低平均相关峰值，记为Copt_i，i＝1,2,…,Ny，即第i个优选对生成的Gold码族的最低平均相关峰值，并记录使其取最小的下标j的值，并记录相应的最佳循环移位数。

具体为，比较取最小值记为Copt_i，即第i个优选对生成的Gold码族的最低平均相关峰值，并记录使其取最小的下标j的值，即最佳循环移位数，记为jopt_i。本步骤的数学表达式为，

步骤9、选择下一个优选对，将i的数值加1，重复执行步骤3至步骤8，直至i＝Ny，即遍历步骤2所得全部N级m序列优选对。

具体为，将i的数值加1，重复执行步骤3至步骤9，直至i＝Ny。

步骤10、选取最低平均相关峰值最小的优选对，按其最佳循环移位值得出优选测距码。

具体为，比较全部优选对的最低平均相关峰值Copt_i(i＝1,2,…,Ny)，选取最低平均相关峰值最小的优选对，记为第i^*对优选对，作为最终选定的m序列优选对，根据最佳循环移位值和步骤4中记录的初始移位状态，对码族中平衡码进行整体循环移位，得出跳时直接序列码分多址导航信号的优选测距码。

本步骤的数学表达式为

本发明具有如下有益效果：

本方法在测距码的优选过程中，重点考虑了测距码之间的非循环相关特性，可有效降低跳时直接序列码分多址信号捕获和跟踪过程中错误锁定信号的概率。经过科学合理设计，跳时直接序列码分多址信号可应用于伪卫星导航系统和低轨卫星导航系统，在解决远近效应问题的同时，减轻了不同的导航台信号之间的码间干扰问题。

附图说明

图1为GPS L1C/A码接收机测距码循环相关示意图；

图2为Locata接收机测距码非循环相关示意图；

图3为测距码优选方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明作进一步详细说明。

跳时直接序列码分多址信号具有以下特点：首先每个导航台使用一个不同于其他导航台的扩频码序列，同时采用时分复用的方式，不同导航台在不同时隙发射各自的扩频码序列，一个时隙恰好为一个完整扩频码序列周期。接收机端产生的本地复制扩频码序列在捕获过程中需要与发射信号中调制的扩频码序列进行互相关运算，捕捉相关峰实现信号的捕获和跟踪。与时域连续直接序列码分多址信号不同，对于跳时直接序列码分多址信号，在捕获和跟踪的互相关运算过程中，需计算本地扩频码序列与接收信号扩频码序列间的非循环相关函数，因此在测距码的优选过程中，应重点考虑测距码之间的非循环相关特性。

为更好地说明两种信号特点，举例说明，GPS L1C/A码采用了时域连续直接序列码分多址信号，卫星导航信号的扩频码在时域不断重复，接收机产生的本地扩频码与GPS卫星导航信号的相关过程如图1所示。Locatalite是澳大利亚Locata公司研制的伪卫星系统，其伪卫星信号采用了跳时直接序列码分多址信号，每个伪卫星分时播发信号。将每个1ms作为一个TDMA帧，每个TDMA帧分为10个时隙，每个时隙持续100us，在一个TDMA帧内，某一颗伪卫星仅在一个时隙发射信号，其他时间保持静默，一个子网络中的各伪卫星发射时隙不重叠。接收机产生的本地扩频码与Locatalite伪卫星信号的相关过程如图2所示。由图1和图2可见，跳时直接序列码分多址信号的捕获跟踪性能主要进行非循环相关运算，不同于时域连续直接序列码分多址信号。

如图3所示，本发明提供的一种跳时直接序列码分多址导航信号测距码优选方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、根据码长要求选取码生成多项式的级数N。

具体为，根据码长要求选取码生成多项式的级数N，N的取值为偶数，并且不是4的倍数。

步骤2、通过全域搜索得到全部N级m序列优选对。

具体为，对于级数N，按照文献[1]中介绍的m序列及其优选对的全域搜索算法，经计算机搜索得到全部N级本原多项式，本原多项式数目记为Nb个，每个本原多项式可产生一个m序列，该序列具有类似随机码的自相关函数特性，对全部Nb个m序列，通过全域搜索得到全部m序列优选对，优选对数目记为Ny对。令i＝1，选取第一个优选对。

注1：参考文献[1]《导航卫星测距码的优选方法》，帅平，曲广吉，陈忠贵。中国空间科学技术，2006年4月第2期。

步骤3、通过遍历搜索得出一个优选对生成的全部平衡Gold码，记录平衡Gold码的初始移位状态。

根据平衡码的特性，通过计算机遍历搜索，找出第i个m序列优选对生成的Gold码族中的全部平衡码，数目记为Np。令j＝1，记录步骤3所得的Gold码族平衡码的初始位移状态(无循环移位)。

注2：一对m序列优选对可以产生2^N+1个长度为2^N-1的Gold码序列。方式为：对两个m序列进行逐位模2加，可产生1组Gold码序列，固定一个m序列，对另外一个m序列进行循环移位，每循环移位一次，都对两个m序列进行逐位模2加，可产生2^N-1组Gold码序列，再加上本来的两个m序列，共2^N+1个Gold码序列，构成一个Gold码族。在一个Gold码族中，存在平衡码和非平衡码，平衡码序列中一个周期内1码元和0码元的个数之差为1，非平衡码中1码元和0码元的个数之差多于1。平衡码和非平衡码的数量关系见表1和表2。

表1N为奇数时的平衡Gold码和非平衡Gold码数量表

表2N为偶数时的平衡Gold码和非平衡Gold码数量表

步骤4、在第j个移位状态下，对全部平衡码，计算并记录任意2个平衡码序列的非循环互相关函数峰值。

步骤5、在第j个移位状态下，对全部平衡码，计算并记录每个平衡码序列的非循环自相关函数次峰值。

步骤6、计算第j个移位状态下的平均相关峰值。

具体为，对步骤4和步骤5中计算的全部非循环互相关函数峰值和非循环自相关函数次峰值求平均值，记为C_j，意为第j个位移状态下的平均相关峰值。

步骤7、将当前Gold码族全部平衡码同步向右循环移位1位，重复执行步骤4至步骤6，直至遍历2^N-1个移位状态。

具体为，将j的数值加1，并将当前Gold码族全部平衡码同步向右循环移位1位，重复执行步骤4至步骤6，直至j＝2^N-1。

步骤8、通过比较得出本优选对生成的平衡码在不同循环移位状态下的最低平均相关峰值，并记录相应的最佳循环移位数。

具体为，比较取最小值记为Copt_i，i＝1,2,…,Ny，即第i个优选对生成的Gold码族的最低平均相关峰值，并记录使其取最小的下标j的值，即最佳循环移位数，记为jopt_i。本步骤的数学表达式为，

步骤9、选择下一个优选对，重复执行步骤3至步骤8，直至遍历全部N级m序列优选对。

具体为，将i的数值加1，重复执行步骤3至步骤8，直至i＝Ny。

步骤10、选取最低平均相关峰值最小的优选对，按其最佳循环移位值得出优选测距码。

具体为，比较全部优选对的最低平均相关峰值Copt_i(i＝1,2,…,Ny)，选取最低平均相关峰值最小的优选对，记为第i^*对优选对，作为最终选定的m序列优选对，根据最佳循环移位值和步骤4中记录的初始移位状态，对该优选对的平衡码进行整体循环移位，得出跳时直接序列码分多址导航信号的优选测距码。本步骤的数学表达式为

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种跳时直接序列码分多址导航信号测距码优选方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、根据码长要求选取码生成多项式的级数N，N的取值为偶数，并且不是4的倍数；

步骤2、通过全域搜索得到全部N级m序列优选对；

步骤3、选择一个优选对，通过遍历搜索得出该优选对生成的全部平衡Gold码，记录平衡Gold码的初始移位状态；

步骤4、在当前移位状态下，对全部平衡Gold码计算并记录任意2个平衡码序列的非循环互相关函数峰值；

步骤5、在当前移位状态下，对全部平衡Gold码计算并记录每个平衡码序列的非循环自相关函数次峰值；

步骤6、计算当前移位状态下的平均相关峰值；

对步骤4和步骤5中计算的全部非循环互相关函数峰值和非循环自相关函数次峰值求平均值，记为C_j，意为第j个位移状态下的平均相关峰值；

步骤7、j的数值加1，将当前Gold码族全部平衡码同步向右循环移位1位，重复执行步骤4至步骤6，直至遍历2^N-1个移位状态；

步骤8、比较通过比较得出步骤3中选择的优选对生成的平衡码在不同循环移位状态下的最低平均相关峰值，记为Copt_i，i＝1,2,…,Ny，即第i个优选对生成的Gold码族的最低平均相关峰值，并记录使其取最小的下标j的值，即最佳循环移位数；

步骤9、选择下一个优选对，将i的数值加1，重复执行步骤3至步骤8，直至i＝Ny，即遍历全部N级m序列优选对；

步骤10、选取最低平均相关峰值最小的优选对，按其最佳循环移位值得出优选测距码。

2.如权利要求1所述的跳时直接序列码分多址导航信号的测距码优选方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

搜索得到全部N级本原多项式，本原多项式数目记为Nb个，每个本原多项式可产生一个m序列，对全部Nb个m序列，通过全域搜索得到全部m序列优选对，优选对数目记为Ny对。

3.如权利要求2所述的跳时直接序列码分多址导航信号的测距码优选方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括：

根据平衡码的特性，遍历搜索找出第i个m序列优选对生成的Gold码族中的全部平衡码，数目记为Np；令j＝1，记录步骤3所得的Gold码族平衡码的初始位移状态。

4.如权利要求3所述的跳时直接序列码分多址导航信号的测距码优选方法，其特征在于，m序列优选对生成的Gold码族中的全部平衡码的过程如下：

对两个m序列进行逐位模2加，产生1组Gold码序列，固定一个m序列，对另外一个m序列进行循环移位，每循环移位一次，都对两个m序列进行逐位模2加，可产生2^N-1组Gold码序列，再加上本来的两个m序列，共2^N+1个Gold码序列，构成一个Gold码族。

5.如权利要求4所述的跳时直接序列码分多址导航信号的测距码优选方法，其特征在于，所述步骤3中，在一个Gold码族中，平衡码序列中一个周期内1码元和0码元的个数之差为1，根据平衡码的特性，通过遍历搜索，找出Gold码族中的平衡码，数目记为Np。

6.如权利要求5所述的跳时直接序列码分多址导航信号的测距码优选方法，其特征在于，所述步骤10进一步包括：

比较全部优选对的最低平均相关峰值Copt_i，i＝1,2,…,Ny，选取最低平均相关峰值最小的优选对，记为第i^*对优选对，作为最终选定的m序列优选对，根据最佳循环移位值和步骤4中记录的初始移位状态，对该优选对的平衡码进行整体循环移位，得出跳时直接序列码分多址导航信号的优选测距码；