CN114137581A - 一种基于伪指数函数的b1c信号无模糊跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对北斗B1C导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号的跟踪模糊性问题，提出并设计了一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法，包括以下步骤：(1)对导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号进行载波剥离及码相关处理；(2)将相关值送入指数函数模块处理；(3)鉴别器对指数函数模块输出值进行处理；(4)鉴别器结果经过环路滤波器处理控制码环NCO，调节本地码相位、形成闭环。本发明可以有效消除相关曲线的副峰，消除鉴别器输出的误锁点，将接收信号与本地信号的相关结果利用伪指数函数模块处理，实现了对QMBOC(6,1,4/33)信号的无模糊跟踪。同时，与传统BPSK‑like法、SCPC法和ASPeCT法相比，本发明所述的基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法具有更好的抗多径性能。

Description

一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法
技术领域
本发明涉及信号无模糊跟踪方法技术领域，尤其是一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法。
背景技术
北斗三号导航系统B1C频点为1572.42MHz，导频通道采用正交复用的二进制偏移载波(Quadrature Multiplexed Binary Offset Carrier,QMBOC)调制，其与GPS的分时复用的二进制偏移载波(Time Multiplexed Binary Offset Carrier,TMBOC)调制和Galileo的合成的二进制偏移载波(Composite Binary Offset Carrier,CBOC)调制均为二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)衍生的调制信号，被称为“新体制导航信号”。QMBOC信号与TMBOC和CBOC信号具有一定的相似度，但QMBOC信号在时域实现上更为复杂，使QMBOC信号的研究难度更大。BOC衍生的调制信号相比于传统BPSK调制信号具有兼容性强、频带宽、抗干扰能力强等优点，不仅有效的缓解了GNSS频带拥挤问题，而且一定程度上提高了导航系统的测距精度和抗干扰能力。但是经过BOC调制的扩频码会出现跟踪模糊性的问题，使卫星定位结果存在几十甚至上百米的定位误差，并且码跟踪环的跟踪误差会给载波相位跟踪精度带来影响，因此解决QMBOC信号跟踪模糊性问题是对B1C信号同步过程中需要面临的一个问题。
目前关于无模糊跟踪技术主要分为以下几类：峰跳法(Bump-Jumping,BJ)、边带处理技术(B&F)、边锋消除技术(Side-peaks Cancellation,SC)等。BJ法通过额外添加远超前、远滞后相关器的方式判断即时支路是否正确的锁定主峰。该类方法仅适用于低阶BOC信号，并且由于相关器个数的增加，使得硬件结构较为复杂。B&F法分为单边B&F和双边B&F，此类方法中最具代表性的是BPSK-Like法，通过滤波等手段将BOC信号转化为一或两个BPSK信号，以避免BOC副载波带的模糊性问题。此类方法会造成能量损失，同时失去了BOC信号原有的高跟踪精度、抗多径能力强的优势。SC类方法包括自相关副峰消除法(Auto-CorrelationSide Peak Cancellation Technique,ASPeCT)和子载波相位消除法(Sub Carrier PhaseCancellation,SCPC)等。ASPeCT法使用本地重新生成的相关函数代替BOC信号的相关函数，保留了BOC信号调制特性；文献[8]Chae K,Seong R.An unambiguous correlationfunction for generic sine-phased binary offset carrier signal tracking[J].Computers and Electrical Engineering,2016,49(10):161-172.将子载波分成多个矩形脉冲和的形式，然后分别与接收信号相关，进而通过重新组合得到新的相关函数的方法来解决跟踪模糊性问题；文献[9]钱素娟,尹新富.基于ASPeCT的BOC调制信号捕获与跟踪研究[J].现代电子技术,2016,39(21):65-69.将ASPeCT实践于接收机捕获跟踪模块，进一步验证该方法有效性。SCPC法通过亚载波来消除了BOC信号模糊性问题，其自相关函数形状与BPSK-like法类似，因而有着共同的不足之处。PCF法通过设计两路本地码向量分别与接收信号进行相关，然后合成的方式，生成没有副峰的相关函数，进而达到无模糊跟踪的目的，该方法能够保留BOC信号跟踪精度高、抗多径能力强的特点。另外，文献[13]Hodgart M,Blunt P,Unwin M.Double estimator a new receiver principle for tracing BOCsignals.Inside GNSS,2008:26-36.提出了一种双环路跟踪的方法，将扩频码和子载波分别进行跟踪，并将跟踪结果组合达到消除跟踪模糊性的效果，但是仅仅将两个跟踪结果组合，并不能提高抗多径能力；文献[14]Yao Z,Lu MQ,Unambiguous sine-phased binaryoffset carrier modulated signal acquisition technique.IEEE Transactions onWireless Communications,2010,9(2):577-580.提出一种GRASS方法，该方法仅适用于正弦BOC信号，且实现复杂。目前的无模糊跟踪技术在跟踪模糊性消除效果和硬件实现复杂度两方面不能同时兼备，跟踪模糊性消除效果优的算法实现往往较为复杂，因此，兼顾跟踪模糊性消除效果和实现复杂度的无模糊跟踪方法需要进一步进行研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中存在的问题，提供一种改进的基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法，通过在鉴别器前一级添加指数函数模块，利用指数函数的曲线性质以及QMBOC信号(6,1,4/33)信号自相关函数副峰为负值的特点，对QMBOC(6,1,4/33)信号自相关副峰进行限制，进而消除副峰、实现无模糊跟踪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法，步骤如下：
步骤一：对导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号进行载波剥离及码相关处理；
步骤二：将相关值送入指数函数模块处理；
步骤三：鉴别器对指数函数模块输出值进行处理；
步骤四：鉴别器结果经过环路滤波器处理控制码环NCO，调节本地码相位、形成闭环。
所述步骤一具体为：对导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号进行载波剥离及码相关处理的方法如下：
接收机收到B1C信号，将导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号送入跟踪环路，经本地同相、正交两路载波混频，将信号载波剥离，得到I、Q两支路，然后与超前、即时、滞后三路本地码相关处理，得到六路相关值IE、IP、IL、QE、QP、QL。
所述步骤二具体为：将相关值送入指数函数模块处理的方法如下：
对指数函数进行修正，并得到符合要求的表达式：
y＝ax-1(a＞1)
对上式归一化，并使其过(0,0)点和(1,1)点得到伪指数函数表达式：
Figure BDA0003303348580000041
随着a值的增大，副峰消除效果更加理想，剩余主峰更窄。当a＝100时，副峰完全消除，可以达到无模糊跟踪的目的。进一步处理，由自相关函数可以得到经过指数函数的自相关函数表达式为：
Figure BDA0003303348580000042
所述步骤三具体为：鉴别器对指数函数模块输出值进行处理的方法如下：
鉴别器使用非相干超前减滞后功率鉴相器，相关器间隔1/16码片，在无限带宽处理下，SCPC、ASPeCT、BPSK-like和伪指数函数(a＝100)法处理后鉴别器输出。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法可以有效消除相关曲线的副峰，消除鉴别器输出的误锁点，实现了对QMBOC(6,1,4/33)信号的无模糊跟踪；
(2)同时与传统BPSK-like法、SCPC法和ASPeCT法相比，本文所述的伪指数函数法具有更好的抗多径性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明所述无模糊跟踪方法整体流程图。
图2为QMBOC(6,1,4/33)自相关曲线。
图3为QMBOC(6,1,4/33)鉴相曲线。
图4为伪指数函数曲线。
图5为不同方法处理后的相关曲线。
图6为伪指数函数法不同参数a处理后的相关曲线。
图7为不同方法鉴别器输出曲线。
图8为伪指数函数法不同参数a处理后的鉴相曲线。
图9为伪指数函数法不同参数a多径误差。
图10为伪指数函数法不同参数a平均多径误差。
图11为不同方法多径误差。
图12为不同方法平均多径误差。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示本发明步骤如下：
步骤1：对导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号进行载波剥离及码相关处理。
步骤2：将相关值送入指数函数模块处理。
步骤3：鉴别器对指数函数模块输出值进行处理。
步骤4：鉴别器结果经过环路滤波器处理控制码环NCO，调节本地码相位、形成闭环。
本发明以北斗三号B1C导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号为对象，进行抗多径性能分析，同时以SCPC法、ASPeCT、BPSKlike法为对比，对本发明的具体处理过程进行详细说明。
步骤1中，为方便处理，仅处理有正负相位多径误差包络构成的一路多径信号，多径-直射信号能量比为0.5，相关器间隔0.1码片；QMBOC(6,1,4/33)自相关曲线如图2所示，曲线除主峰之外包含两个副峰，正是由于这两个副峰导致其跟踪模糊问题；QMBOC(6,1,4/33)鉴相曲线如图3所示，信号鉴相曲线五次穿过零相位，存在两个误锁点，在跟踪阶段，由于噪声、动态应力、遮挡在造成的短时失锁等原因，跟踪环可能偏移到误锁点，导致跟踪模糊性。
步骤2中，伪指数函数曲线如图4所示，经过伪指数函数处理后的自相关函数图像如图5所示，a＝100时本方法处理后QMBOC(6,1,4/33)相关图像两侧副峰被消除，与SCPC、ASPeCT、BPSK-like法相比本方法没有残余副峰，并且有更窄的相关峰，跟踪精度更高；伪指数函数法在不同参数a处理后的相关曲线如图6所示，随着a值的增大，副峰消除效果更加理想，剩余主峰更窄。当a＝100时，副峰完全消除，可以达到无模糊跟踪的目的。
步骤3中，在无限带宽处理下，SCPC、ASPeCT、BPSK-like和伪指数函数(a＝100)法处理后鉴别器输出，以及伪指数函数法参数a分别为5、20、100时处理后鉴相结果分别如图7、8所示，伪指数函数法鉴相结果完全消除误锁点，可以达到无模糊跟踪的目的；采用本发明所述伪指数函数法对QMBOC(6,1,4/33)信号进行处理后的多径误差以及平均多径误差如图9和图10所示，随着参数a的增大的码环多径包络面积逐渐变小，平均多径误差变小，即参数a越大，抗多径性能越优，码环跟踪精度更高；在8MHz带宽处理下，分别使用ASPeCT、BPSK-like、SCPC和伪指数函数(a＝100)法对QMBOC(6,1,4/33)信号处理后的多径包络误差和平均多径误差如图11和图12所示，对于QMBOC(6,1,4/33)信号，采用本发明所述伪指数函数法处理后的码环多径包络面积即多径误差以及平均多径误差要小于传统BPSK-like法、SCPC法、ASPeCT法，即伪指数函数法具有更好的抗多径性能，码环跟踪精度更高。
由仿真验证结果可知，本发明可以有效消除相关曲线的副峰，消除鉴别器输出的误锁点，实现了对QMBOC(6,1,4/33)信号的无模糊跟踪。同时，与传统BPSK-like法、SCPC法和ASPeCT法相比，本文所述的伪指数函数法具有更好的抗多径性能。
综上，本发明针对北斗B1C导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号的跟踪模糊性问题，提出并设计了一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法，将接收信号与本地信号的相关结果利用伪指数函数模块处理，以达到无模糊跟踪的目的。本发明包括以下步骤：(1)对导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号进行载波剥离及码相关处理；(2)将相关值送入指数函数模块处理；(3)鉴别器对指数函数模块输出值进行处理；(4)鉴别器结果经过环路滤波器处理控制码环NCO，调节本地码相位、形成闭环。经验证，本发明可以有效消除相关曲线的副峰，消除鉴别器输出的误锁点，实现了对QMBOC(6,1,4/33)信号的无模糊跟踪。同时，与传统BPSK-like法、SCPC法和ASPeCT法相比，本发明所述的基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法具有更好的抗多径性能。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：对导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号进行载波剥离及码相关处理；
步骤二：将相关值送入指数函数模块处理；
步骤三：鉴别器对指数函数模块输出值进行处理；
步骤四：鉴别器结果经过环路滤波器处理控制码环NCO，调节本地码相位、形成闭环。
2.一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法，其特征在于：所述步骤一具体为：对导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号进行载波剥离及码相关处理的方法如下：
接收机收到B1C信号，将导频通道QMBOC(6,1,4/33)信号送入跟踪环路，经本地同相、正交两路载波混频，将信号载波剥离，得到I、Q两支路，然后与超前、即时、滞后三路本地码相关处理，得到六路相关值IE、IP、IL、QE、QP、QL。
3.根据权利要求1所述的一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法，其特征在于：所述步骤二具体为：将相关值送入指数函数模块处理的方法如下：
对指数函数进行修正，并得到符合要求的表达式：
y＝ax-1(a＞1)
对上式归一化，并使其过(0,0)点和(1,1)点得到伪指数函数表达式：
Figure FDA0003303348570000011
随着a值的增大，副峰消除效果更加理想，剩余主峰更窄。当a＝100时，副峰完全消除，可以达到无模糊跟踪的目的。进一步处理，由自相关函数可以得到经过指数函数的自相关函数表达式为：
Figure FDA0003303348570000021
4.根据权利要求1所述的一种基于伪指数函数的B1C信号无模糊跟踪方法，其特征在于：所述步骤三具体为：鉴别器对指数函数模块输出值进行处理的方法如下：
鉴别器使用非相干超前减滞后功率鉴相器，相关器间隔1/16码片，在无限带宽处理下，SCPC、ASPeCT、BPSK-like和伪指数函数(a＝100)法处理后鉴别器输出。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116338740A (zh) * 2023-05-30 2023-06-27 中国民航大学 一种基于pcf重构的北斗b1c信号无模糊捕获计算方法

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