CN113126134A - 一种卫星导航boc信号码跟踪环路设计方法 - Google Patents

一种卫星导航boc信号码跟踪环路设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法。首先给出了BOC信号码跟踪环路结构，该环路在码NCO信号驱动下，同时生成本地PRN码和BOC码，并利用本地PRN码和本地BOC码同时跟踪输入信号，并将两路信号累加值送至码相位鉴别器，鉴相结果用于驱动NCO累加器。其次，建立BOC信号码跟踪相位误差鉴别器，给出了鉴别器公式，该鉴别器只有一个准确的跟踪点,该鉴别器能够降低或消除副峰，同时还保留了窄距的自相关峰值，既保持了BOC调制信号的体制优势，也没有造成太大的能量损失。本发明为卫星导航接收机BOC信号码跟踪提供了有效方法。

Description

一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法
技术领域
本发明属于卫星导航领域，涉及卫星导航信号接收系统，尤其涉及一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法。
背景技术
卫星导航在现代社会生活中的应用越来越广泛，导航信号在有限的共享波段里变得越来越拥挤，为解决此问题，BOC调制方法应运而生。BOC调制方法定位精度高、抗干扰性能强，但BOC调制信号同时具有多峰值特性，会在接收机跟踪信号的过程中，出现模糊性的问题，使得导航接收机锁定在错误的码相位上，为使信号接收机对BOC导航信号进行更好的同步，对BOC导航信号码跟踪环路得设计就显得非常必要。
传统的BOC导航信号码跟踪环路得相位鉴别器会有模糊的问题或使主峰宽度增加而降低跟踪精度的问题，影响其跟踪性能，而本发明码跟踪环路的鉴别器能够降低或消除副峰，同时还保留了窄距的自相关峰值，既保持了BOC调制信号的体制优势，也没有造成太大的能量损失，各方面优势比较明，本文提出了一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法，以解决上述技术问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法，包括如下步骤：
(1)构建BOC信号码跟踪环路结构；
码环跟踪首先复制一个伪码，此伪码与接收信号的伪码相位一致，然后将复制伪码和接收信号进行相乘相关，就可将信号中的伪码剥离；
码跟踪环路在码NCO信号驱动下，同时生成本地PRN码和BOC码，并利用本地PRN码和本地BOC码同时跟踪输入信号，并将两路信号累加值送至码相位鉴别器，鉴相结果用于驱动NCO累加器；
数字中频信号先和复制的本地载波相乘，产生同相和正交相的采样数据，本地载波所产生的信号幅度可由I和Q分量的矢量和计算出来，相位角可由码环鉴相器确定；
闭环工作时，载波NCO由载波跟踪环路控制，使用锁相环时，载波跟踪的主要目的是消除本地载波和接收卫星信号之间的载波相位差，本地载波和接收卫星信号之间的相位差，会使I和Q路矢量产生非零相位角，载波跟踪环可检测和校正此相位角的大小和方向，当锁相环锁定时，I信号达到最大，Q信号几乎为0，本地载波是在数字中频上跟所有卫星信号及噪声进行混频，I信号和Q信号与接收卫星信号的载波相位是一致的，由此实现了载波剥离；但是由于没有进行码剥离，因此混频器输出的I信号是热噪声和本地数字正弦信号之积，Q信号是热噪声和本地余弦信号之积，信号仍然在噪声中淹没，需等到码剥离之后，信号才变为基带信号，才可解调出导航电文；
(2)建立码相位误差鉴别器；
BOC信号的自相关函数为：
Figure BDA0003030016580000031
BOC信号与PRN码的互相关函数为：
Figure BDA0003030016580000032
由式(1)和式(2)可知：BOC信号的两个副峰值出现在-0.5和+0.5码片的地方，归一化的幅度为0.5，BOC与PRN互相关函数的两个峰值也出现在-0.5和+0.5处；
由式(1)和式(2)构建相关函数如式(3)所示：
Figure BDA0003030016580000033
式中：
Figure BDA0003030016580000034
为BOC信号的自相关函数；
Figure BDA0003030016580000035
为BOC/PRN的互相关函数，β为修正因子，修正后可使BOC信号经过滤波后变得平滑，适当的调整β值可获得较好的性能，不同β值主要反映在相关函数的负峰上，当β值增大时，负峰也增大，β的取值对整体性能影响不大；当β取值为0.6时，BOC自相关的副峰峰值为主峰峰值的25％，而当β取值为1时，副峰峰值为主峰峰值的12％，这对信号的捕获和后续的跟踪非常有利，而且在降低副峰的同时，自相关函数相关峰的宽度并未增加，继续维持了BOC信号在高精度测距方面的优势；
由上相关函数功率可知，运用经典的迟/早门算法，推导新的鉴别算法，由
Figure BDA0003030016580000036
式中，I和Q分别表示同相支路和正交支路，下标E和L表示码元的提前和滞后，可得：
Figure BDA0003030016580000037
若没有频率误差和外部干扰,则得到：
Figure BDA0003030016580000041
式中，d为码相关空间,P为信号功率,β为修正因子；
综上所述，式(5)是信号跟踪中的码相位误差鉴别器，该鉴别器只有1个准确的跟踪点，避免当输人信号的载噪比较大时容易引起误跟综，同时该鉴别器能够降低或消除副峰，同时还保留了窄距的自相关峰值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：传统的BOC导航信号码相位鉴别器会有模糊的问题或使主峰宽度增加而降低跟踪精度的问题，影响其跟踪性能，而本发明的鉴别器能够降低或消除副峰，同时还保留了窄距的自相关峰值，既保持了BOC调制信号的体制优势，也没有造成太大的能量损失，各方面优势比较明显，可有效地消除稳态误差和模糊跟踪点，具有更良好的性能。
本发明适合卫星导航接收机对于BOC信号得稳定跟踪，本发明原理简单，可操作性强，满足实际应用的要求，具有较强的工程应用性。
附图说明
图1为本发明BOC信号码跟踪环路的实现框架和结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法，包括如下步骤：
(1)构建BOC信号码跟踪环路结构；
码环跟踪首先复制一个伪码，此伪码与接收信号的伪码相位一致，然后将复制伪码和接收信号进行相乘相关，就可将信号中的伪码剥离；BOC信号码跟踪环路结构如图1所示，r(t)即为输入信号。
码跟踪环路在码NCO信号驱动下，同时生成本地PRN码和BOC码，并利用本地PRN码和本地BOC码同时跟踪输入信号，并将两路信号累加值送至码相位鉴别器，鉴相结果用于驱动NCO累加器；
数字中频信号先和复制的本地载波相乘，产生同相和正交相的采样数据，本地载波所产生的信号幅度可由I和Q分量的矢量和计算出来，相位角可由码环鉴相器确定；
闭环工作时，载波NCO由载波跟踪环路控制，使用锁相环时，载波跟踪的主要目的是消除本地载波和接收卫星信号之间的载波相位差，本地载波和接收卫星信号之间的相位差，会使I和Q路矢量产生非零相位角，载波跟踪环可检测和校正此相位角的大小和方向，当锁相环锁定时，I信号达到最大，Q信号几乎为0，本地载波是在数字中频上跟所有卫星信号及噪声进行混频，I信号和Q信号与接收卫星信号的载波相位是一致的，由此实现了载波剥离；但是由于没有进行码剥离，因此混频器输出的I信号是热噪声和本地数字正弦信号之积，Q信号是热噪声和本地余弦信号之积，信号仍然在噪声中淹没，需等到码剥离之后，信号才变为基带信号，才可解调出导航电文；
(2)建立码相位误差鉴别器；
BOC信号的自相关函数为：
Figure BDA0003030016580000061
BOC信号与PRN码的互相关函数为：
Figure BDA0003030016580000062
由式(1)和式(2)可知：BOC信号的两个副峰值出现在-0.5和+0.5码片的地方，归一化的幅度为0.5，BOC与PRN互相关函数的两个峰值也出现在-0.5和+0.5处；
由式(1)和式(2)构建相关函数如式(3)所示：
Figure BDA0003030016580000063
式中：
Figure BDA0003030016580000064
为BOC信号的自相关函数；
Figure BDA0003030016580000065
为BOC/PRN的互相关函数，β为修正因子，修正后可使BOC信号经过滤波后变得平滑，适当的调整β值可获得较好的性能，不同β值主要反映在相关函数的负峰上，当β值增大时，负峰也增大，β的取值对整体性能影响不大；当β取值为0.6时，BOC自相关的副峰峰值为主峰峰值的25％，而当β取值为1时，副峰峰值为主峰峰值的12％，这对信号的捕获和后续的跟踪非常有利，而且在降低副峰的同时，自相关函数相关峰的宽度并未增加，继续维持了BOC信号在高精度测距方面的优势；
由上相关函数功率可知，运用经典的迟/早门算法，推导新的鉴别算法，由
Figure BDA0003030016580000066
式中，I和Q分别表示同相支路和正交支路，下标E和L表示码元的提前和滞后，可得：
Figure BDA0003030016580000067
若没有频率误差和外部干扰,则得到：
Figure BDA0003030016580000071
式中，d为码相关空间,P为信号功率,β为修正因子；
综上所述，式(5)是信号跟踪中的码相位误差鉴别器，该鉴别器只有1个准确的跟踪点，避免当输人信号的载噪比较大时容易引起误跟综，同时该鉴别器能够降低或消除副峰，同时还保留了窄距的自相关峰值。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建BOC信号码跟踪环路结构；
码环跟踪首先复制一个伪码，此伪码与接收信号的伪码相位一致，然后将复制伪码和接收信号进行相乘相关，就可将信号中的伪码剥离；
码跟踪环路在码NCO信号驱动下，同时生成本地PRN码和BOC码，并利用本地PRN码和本地BOC码同时跟踪输入信号，并将两路信号累加值送至码相位鉴别器，鉴相结果用于驱动NCO累加器；
数字中频信号先和复制的本地载波相乘，产生同相和正交相的采样数据，本地载波所产生的信号幅度可由I和Q分量的矢量和计算出来，相位角可由码环鉴相器确定；
闭环工作时，载波NCO由载波跟踪环路控制，使用锁相环时，载波跟踪的主要目的是消除本地载波和接收卫星信号之间的载波相位差，本地载波和接收卫星信号之间的相位差，会使I和Q路矢量产生非零相位角，载波跟踪环可检测和校正此相位角的大小和方向，当锁相环锁定时，I信号达到最大，Q信号几乎为0，本地载波是在数字中频上跟所有卫星信号及噪声进行混频，I信号和Q信号与接收卫星信号的载波相位是一致的，实现了载波剥离；混频器输出的I信号是热噪声和本地数字正弦信号之积，Q信号是热噪声和本地余弦信号之积，信号仍然在噪声中淹没，码剥离之后，信号变为基带信号，可解调出导航电文；
(2)建立码相位误差鉴别器；
BOC信号的自相关函数为：
Figure FDA0003030016570000021
BOC信号与PRN码的互相关函数为：
Figure FDA0003030016570000022
由式(1)和式(2)可知：BOC信号的两个副峰值出现在-0.5和+0.5码片的地方，归一化的幅度为0.5，BOC与PRN互相关函数的两个峰值也出现在-0.5和+0.5处；
由式(1)和式(2)构建相关函数如式(3)所示：
Figure FDA0003030016570000023
式中：
Figure FDA0003030016570000024
为BOC信号的自相关函数；
Figure FDA0003030016570000025
为BOC/PRN的互相关函数，β为修正因子，修正后可使BOC信号经过滤波后变得平滑，适当的调整β值可获得较好的性能，不同β值主要反映在相关函数的负峰上，当β值增大时，负峰也增大，β的取值对整体性能影响不大；当β取值为0.6时，BOC自相关的副峰峰值为主峰峰值的25％，而当β取值为1时，副峰峰值为主峰峰值的12％，在降低副峰的同时，自相关函数相关峰的宽度并未增加，继续维持了BOC信号高精度测距；
由上相关函数功率可知，运用经典的迟/早门算法，推导新的鉴别算法，由
Figure FDA0003030016570000026
式中，I和Q分别表示同相支路和正交支路，下标E和L表示码元的提前和滞后，可得：
Figure FDA0003030016570000027
若没有频率误差和外部干扰,则得到：
Figure FDA0003030016570000031
式中，d为码相关空间,P为信号功率，β为修正因子；
综上所述，式(5)是信号跟踪中的码相位误差鉴别器，该鉴别器只有1个准确的跟踪点，避免当输人信号的载噪比较大时容易引起误跟综。
2.如权利要求1所述的一种卫星导航BOC信号码跟踪环路设计方法，其特征在于：所构建的BOC信号码跟踪环路结构和式(5)所表达的信号跟踪中的码相位鉴别器，该鉴别器只有1个准确的跟踪点，该鉴别器能够降低或消除副峰，同时还保留了窄距的自相关峰值。
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