CN115047501B - 一种适用于boc调制的卫星导航授权信号估计方法 - Google Patents

一种适用于boc调制的卫星导航授权信号估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法，包括采集导航信号，对导航信号中同频段的公开信号进行捕获和跟踪，得到公开信号的码相位、载波相位和多普勒测量值；根据公开信号的码相位、载波相位和多普勒测量值对公开信号剥离载波，对授权信号进行带通滤波、码片级对齐、剥离副载波、低通滤波和加窗，得到每个授权码的有效采样点，将所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇，根据两个簇与预设的簇‑授权码±1的对应关系，得到授权码流的估计结果。方法简单可靠，易于实现。

Description

一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法
技术领域
本发明属于卫星导航信号扩频码盲估计技术领域，特别是涉及一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法。
背景技术
随着卫星导航相应技术的迅猛发展，卫星导航系统已经广泛应用于社会的各行各业，随着GNSS的广泛应用和数字信号处理技术的进步，基于先进集成电路的接收机不断接近导航信号的性能的性能极限，卫星导航传统民用公开频点信号的局限性也逐渐显现。二进制偏移载波（Binary Offset Carrier, BOC）扩频调制技术做为新一代GNSS信号的典型新技术，使用了副载波的扩频调制方式，一方面在同一个中心频点约束下，最大程度实现了与旧导航信号的频谱分离；另一方面，更宽的频谱带宽提高了新信号的跟踪精度上限。以GPS新信号为例，L1M信号由于采用了BOC(10,5)调制，其相关峰在正负一个码片范围内会有多个峰值，而主峰相比于公开信号L1C/A信号的相关峰具备更加陡峭的边沿，从而测距偏差表现出更为灵敏的变化，在测距精度上具备更大的优势。
目前针对BOC调制的授权码估计技术主要基于单边带滤波后的接收处理，在利用相应的大口径天线高增益条件下，通过上或下边带滤波得到类似传统BPSK调制的信号，从而完成相应码流观测量提取。该方法利用单边带滤波避免了BOC调制的影响，但是损失了一半的有效信号能量，影响了授权码估计性能的潜在上限。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法，方法包括以下步骤：
步骤S100：采集导航信号，对导航信号中同频段的公开信号进行捕获和跟踪，得到公开信号的码相位、载波相位和多普勒测量值；
步骤S200：根据公开信号的载波相位和多普勒测量值对公开信号进行载波剥离，对导航信号中同频段的BOC调制授权信号的双边带主瓣进行带通滤波；
步骤S300：根据公开信号码相位测量值找到公开信号码相位起始位置点，截取带通滤波后的BOC调制授权信号采样点，使授权信号的起始采样点与公开信号的码相位起始位置点对齐；
步骤S400：剥离BOC调制授权信号的副载波，对剥离副载波后的BOC调制授权信号进行主瓣低通滤波得到基带IQ复信号；
步骤S500：将基带IQ复信号加窗去掉码片边缘的采样点，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点，将所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇，根据两个簇与预设的簇-授权码±1的对应关系，得到授权码流的估计结果。
优选地，步骤S200中根据公开信号的载波相位和多普勒测量值对公开信号进行载波剥离，包括：
根据公开信号的载波相位和多普勒测量值对公开信号进行数字下变频至零频实现载波剥离。
优选地，数字下变频具体为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表示采样信号，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
表示频段的中心频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为公开信号的多普勒测量值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为载波相位测量值。
优选地，步骤S400中剥离BOC调制授权信号的副载波具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为剥离副载波后的信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为对齐公开信号码相位起始位置点的授权信号，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
是符号函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示副载波频率。
优选地，步骤S400中的低通滤波实现方式包括快速傅里叶变换滤波器、有限长单位脉冲响应滤波器和无限长单位脉冲响应滤波器。
优选地，步骤S200中双边带主瓣进行带通滤波的实现方式为快速傅里叶变换滤波器。
优选地，步骤S500中将基带IQ复信号加窗去掉码片边缘的采样点，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点，将所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇，包括：
取基带IQ复信号码片正中间的一半宽度内采样点进行加窗，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点；
使用Ward法对所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇。
优选地，步骤S520包括：
步骤S521：将每个有效采样点当成一个初始簇；
步骤S522：使用Ward法计算任意两个簇的距离，并找到最近的两个簇；
步骤S523：合并距离最近的两个簇，生成新的簇的集合；
步骤S524：返回步骤S522直到最后簇的个数为2。
优选地，步骤S522具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示簇r和簇s的ward距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示欧几里德距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure DEST_PATH_IMAGE015
分别表示簇r和簇s的中心点，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure DEST_PATH_IMAGE017
分别表示簇r和簇s的数据点数。
相对于现有技术，本发明考虑到BOC调制对信号频谱的影响，采用信号对齐后BOC解调和聚类分析的的方法，提出了一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法，通过对BOC调制授权信号的双边带滤波和BOC解调，充分利用信号能量，构建聚类分析结果与调制星座图的映射关系，估计出授权信号的码流信息，具有方法简单可靠，易于实现等优点。
附图说明
图1为本发明的一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法流程图；
图2为本发明一实施例中提供的数字下变频后的频谱图；
图3为本发明一实施例中授权码信号双边带主瓣带通滤波后的频谱图；
图4为本发明一实施例中授权码信号剥离副载波后的频谱图；
图5为本发明一实施例中低通滤波后的频谱图；
图6为本发明一实施例中低通滤波后的调制星座图；
图7为本发明一实施例中低通滤波后的加窗示意图；其中，（a）为加窗前波形图；（b）为加窗波形图；（c）为加窗后波形图；
图8为本发明一实施例中加窗求平均后的调制星座图；
图9为本发明一实施例中授权码正确估计后的信号相关峰。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法，方法包括以下步骤：
步骤S100：采集导航信号，对导航信号中同频段的公开信号进行捕获和跟踪，得到公开信号的码相位、载波相位和多普勒测量值。
具体地，抛物面高增益天线对准指定的GNSS卫星后，信号采集器可实时采集高载噪比的GNSS信号，该采样信号可以是数字中频信号或射频直采信号，量化位数通常在8bit以上，采样数字信号可以是实信号，也可以是复信号。在本例中，信号的采样率是1Gsps，量化位数12bit，实信号射频直采，覆盖了整个L1频段。在采集导航信号后，对同频段公开信号捕获与跟踪，获得公开信号的码相位、载波相位和多普勒测量值。
步骤S200：根据公开信号的载波相位和多普勒测量值对公开信号进行载波剥离，对导航信号中同频段的BOC调制授权信号的双边带主瓣进行带通滤波。
在一个实施例中，步骤S200中根据公开信号的载波相位和多普勒测量值对公开信号进行载波剥离，包括：
根据公开信号的载波相位和多普勒测量值对公开信号进行数字下变频至零频实现载波剥离。
在一个实施例中，数字下变频具体为：
Figure 767773DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 91438DEST_PATH_IMAGE002
表示采样信号，
Figure 402334DEST_PATH_IMAGE003
表示频段的中心频率，
Figure 63122DEST_PATH_IMAGE004
为公开信号的多普勒测量值，
Figure 281089DEST_PATH_IMAGE005
为载波相位测量值。
进一步地，数字下变频后的频谱图如图2所示。
在一个实施例中，步骤S200中双边带主瓣进行带通滤波的实现方式为快速傅里叶变换滤波器。
具体地，对授权码信号L1M的两个主瓣进行双边带通滤波，本例中选用1ms采样点数据，即1000000点快速傅里叶变换（FFT）实现双边带中心频点分别为±10.23MHz，带宽都为10.23MHz的带通滤波，带通滤波后记为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
，其频谱图如图3所示。带通滤波后保留了双边带BOC调制的授权信号，带外抑制大于40dB，能够有效抑制副载波剥离引入的信号混叠。
步骤S300：根据公开信号的码相位测量值找到公开信号码相位起始位置点，截取带通滤波后的BOC调制授权信号采样点，使授权信号的起始采样点与公开信号的码相位起始位置点对齐。
步骤S400：剥离BOC调制授权信号的副载波，对剥离副载波后的BOC调制授权信号进行主瓣低通滤波得到基带IQ复信号。
在一个实施例中，步骤S400中剥离BOC调制授权信号的副载波具体为：
Figure 775656DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 308268DEST_PATH_IMAGE007
为剥离副载波后的信号，
Figure 38327DEST_PATH_IMAGE008
为对齐公开信号码相位起始位置点的授权信号，
Figure 113730DEST_PATH_IMAGE009
是符号函数，
Figure 372673DEST_PATH_IMAGE010
表示副载波频率。
具体地，以L1M信号为例，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
。剥离载波后的信号频谱如图4所示，将双边带信号全部集中在基带上，信号功率有近3dB的提升。
在一个实施例中，步骤S400中的低通滤波实现方式包括快速傅里叶变换滤波器、有限长单位脉冲响应滤波器和无限长单位脉冲响应滤波器。
具体地，为抑制剥离副载波导致的高频分量影响，采用主瓣低通滤波，本例中数字低通滤波的截止频率为5.115MHz，低通滤波器的实现可采用FFT滤波器、FIR滤波器、IIR滤波器等多种实现方式，本例中选用1ms采样点数据，即1000000点FFT实现通带范围为-5.115~+5.115MHz的频率低通滤波，滤波后的信号频谱如图5所示，仅保留授权码主瓣带宽内信号，带外抑制大于40dB，有效抑制了带外噪声对授权码估计的影响。
步骤S500：将基带IQ复信号加窗去掉码片边缘的采样点，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点，将所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇，根据两个簇与预设的簇-授权码±1的对应关系，得到授权码流的估计结果。
在一个实施例中，步骤S500中将基带IQ复信号加窗去掉码片边缘的采样点，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点，将所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇，包括：
取基带IQ复信号码片正中间的一半宽度内采样点进行加窗，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点；
使用Ward法对所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇。
具体地，低通滤波后，信号调制星座图如图6所示，基带IQ复信号对应为码片，码片在翻转点的变化趋于平缓，不利于码片正负的正确判决，为降低这种影响，采用码片中间部分采样点求平均的方法。如图7所示，从两个码片波形随时间变化，在两个码片交界处取值，容易导致码片值判断错误，因此可以通过加窗方式减少码片交界处的影响，仅取加窗内的数值代表码片内有效数值，图7中可以看出加窗后，使得码片内的有效值更加远离0值，有利于后续正确估计授权码值。
本例中取码片正中间一半码片宽度内采样点求平均。加窗求平均后的调制星座图如图8所示，对比图6加窗前的结果，显然图8更有利于信号的分类。
进一步地，将码片内加窗求平均结果的复信号的实部和虚部构成一个矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，通过使用Ward法计算簇之间的最短距离，创建凝聚层次树结构。Ward距离计算使用递增的平方和，也就是说，由于连接两个簇，簇内总平方和的增加。簇内平方和定义为簇内所有对象与簇质心之间距离的平方和。
在一个实施例中，步骤S520包括：
步骤S521：将每个有效采样点当成一个初始簇；
步骤S522：使用Ward法计算任意两个簇的距离，并找到最近的两个簇；
步骤S523：合并距离最近的两个簇，生成新的簇的集合；
步骤S524：返回步骤S522直到最后簇的个数为2。
在一个实施例中，步骤S522具体为：
Figure 736790DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 739381DEST_PATH_IMAGE012
表示簇r和簇s的ward距离，
Figure 669290DEST_PATH_IMAGE013
表示欧几里德距离，
Figure 630293DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 137498DEST_PATH_IMAGE015
分别表示簇r和簇s的中心点，
Figure 819146DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 993776DEST_PATH_IMAGE017
分别表示簇r和簇s的数据点数。
每个簇中包括多个授权码的有效采样点，根据两个簇与预设的簇-授权码±1的对应关系，得到授权码流的估计结果。得到授权码流后，通过对信号的跟踪处理可以得到授权信号的相关峰如图9所示，相关峰符合BOC调制的特点，验证了该授权码估计方法的正确性。
相对于现有技术，本发明考虑到BOC调制对信号频谱的影响，采用信号对齐后BOC解调和聚类分析的的方法，提出了一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法，通过对高增益信号的双边带滤波和BOC解调，充分利用信号能量，构建聚类分析结果与调制星座图的映射关系，估计出授权信号的码流信息，具有方法简单可靠，易于实现等优点。
以上对本发明所提供的一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适用于BOC调制的卫星导航授权信号估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：采集导航信号，对所述导航信号中同频段的公开信号进行捕获和跟踪，得到公开信号的码相位、载波相位和多普勒测量值；
步骤S200：根据所述公开信号的载波相位和多普勒测量值对所述公开信号进行载波剥离，对所述导航信号中同频段的BOC调制授权信号的双边带主瓣进行带通滤波；
步骤S300：根据所述公开信号的码相位测量值找到公开信号码相位起始位置点，截取带通滤波后的BOC调制授权信号采样点，使所述授权信号的起始采样点与所述公开信号的码相位起始位置点对齐；
步骤S400：剥离所述BOC调制授权信号的副载波，对剥离副载波后的BOC调制授权信号进行主瓣低通滤波得到基带IQ复信号；
步骤S500：将所述基带IQ复信号加窗去掉码片边缘的采样点，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点，将所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇，根据所述两个簇与预设的簇-授权码±1的对应关系，得到授权码流的估计结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S200中根据所述公开信号的载波相位和多普勒测量值对所述公开信号进行载波剥离，包括：
根据所述公开信号的载波相位和多普勒测量值对所述公开信号进行数字下变频至零频实现载波剥离。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数字下变频具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 65777DEST_PATH_IMAGE002
表示采样信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示频段的中心频率，
Figure 936912DEST_PATH_IMAGE004
为公开信号的多普勒测量值，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为公开信号的载波相位测量值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S400中剥离所述BOC调制授权信号的副载波具体为：
Figure 654332DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为剥离副载波后的信号，
Figure 236492DEST_PATH_IMAGE008
为对齐公开信号码相位起始位置点的授权信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是符号函数，
Figure 254127DEST_PATH_IMAGE010
表示副载波频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S400中的低通滤波实现方式包括快速傅里叶变换滤波器、有限长单位脉冲响应滤波器和无限长单位脉冲响应滤波器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S200中双边带主瓣进行带通滤波的实现方式为快速傅里叶变换滤波器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S500中所述将所述基带IQ复信号加窗去掉码片边缘的采样点，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点，将所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇，包括：
步骤S510：取所述基带IQ复信号码片正中间的一半宽度内采样点进行加窗，对加窗内复信号的采样点求平均得到每个授权码的有效采样点；
步骤S520：使用Ward法对所有有效采样点在复数平面上进行层次聚类分析得到两个簇。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S520包括：
步骤S521：将每个有效采样点当成一个初始簇；
步骤S522：使用Ward法计算任意两个簇的距离，并找到最近的两个簇；
步骤S523：合并距离最近的两个簇，生成新的簇的集合；
步骤S524：返回步骤S522直到最后簇的个数为2。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S522具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
表示簇r和簇s的Ward距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示欧几里德距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
分别表示簇r和簇s的中心点，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure DEST_PATH_IMAGE024
分别表示簇r和簇s的数据点数。
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