CN116520363B - 一种多相关臂码环鉴相方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多相关臂码环鉴相方法，包括：将GNSS数字中频信号分别与两路相位差异90°的载波环复制载波信号进行混频处理；将接收信号分别与N条分路的复制C/A码做相关运算，将相关运算输出的多路运算结果分别送入多路积分‑清除器进行相干积分，求得每条分路的相干积分值；计算每条分路的自相关功率，找出自相关功率值最大的分路；由上述算法求得自相关函数主峰的粗略位置；判断GNSS接收机是否正常跟踪有效GNSS信号，判定最大自相关功率估计值是否超过门限值，并根据判定结果获得鉴相结果。本发明保证码环精准鉴相的能力，提高定位精度与跟踪性能，相比于一般接收机码环，更适合GNSS在高轨空间的应用场景。

Description

一种多相关臂码环鉴相方法

技术领域

本发明属于高轨航天器接收技术领域，具体涉及一种多相关臂码环鉴相方法。

背景技术

在GNSS接收机中，信号跟踪环路由载波环和码环组成，其中码环的主要功能是保持复制C/A码与接收C/A码之间的相位一致，从而得到对接收信号的码相位及其伪距测量值，而码环中的核心部件——码相位鉴别器，可以为码环提供精准估算的复制C/A码与接收C/A码之间的码相位差异，保证上述功能的正常实现。

码相位鉴别器利用了C/A码良好的自相关特性和互相关特性，主要是根据本地不同相位的C/A码与输入信号相关值不同这一特性，输出本地复制C/A码和接收C/A码之间的码相位差异。如图1所示，码环一般会复制三份不同相位的C/A码，它们分别称为超前（Early）、即时间（Prompt）和滞后（Late），其中超前码的相位比即时码略微超前，滞后码的相位比即时码略微落后，把两份不同复制C/A码之间的相位差称为两个相关器之间的间距d，通常为1/2码片。

使这三份不同相位的C/A码分别同时与输入信号做相关运算后，得出三条分路的相关结果。当复制的即时C/A码与输入信号码相位一致时，即时码与输入信号的相关值达到最大。而超前码和滞后码均只有即时码相关值的 1/2。若本地即时码和输入信号伪码不一致，则超前、滞后两路的相关输出不再相等，根据相关值的差值可以间接得出码相位的差异，进而一方面获得对输入信号的码相位测量值，另一方面将码相位差异信息反馈给C/A码数控振荡器（NCO）而闭合环路，使其与输入信号中C/A码的相位一致。因此，码相位鉴别器的性能优劣直接影响码环的可靠性和稳定性。

对于高轨用户而言，其GNSS接收机通常处在高于GNSS卫星的轨道上，只能收到来自地球另一侧的GNSS卫星发射的信号，而且受限于GNSS卫星发射天线半波束角限制，大部分信号被地球遮挡，仅仅依赖主瓣信号，无法完成导航定位任务，因此需要接收处理GNSS卫星的旁瓣信号，而旁瓣信号功率通常比主瓣信号功率低近15dB以上。同时，高轨航天器与GNSS卫星间的距离非常遥远，是普通地面环境的2~4倍，这使得接收机接收到的旁瓣信号更加微弱，意味着观测噪声的影响会变大；而且高轨环境为高动态定位场景，接收到的信号变化非常迅速，接收机跟踪环路必须能够及时反映这种变化以实现精确跟踪，否则，极易发生信号失锁而导致系统不能正常工作。

对于一般接收机码环的码相位鉴别器而言，观测噪声过大、高动态场景等因素会影响输入信号的相关结果，使鉴相曲线的形状发生改变，相关结果的峰值难以判断，从而导致鉴相结果产生较大误差，严重时会导致接收机的信号失锁。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多相关臂码环鉴相方法，通过GNSS接收机的码环复制出多份不同相位的C/A码，即使观测噪声造成的误差较大，仍可以保证码环精准鉴相的能力，提高定位精度与跟踪性能，同时通过对相关结果最大分路的信号能量估计设置门限检验鉴相结果的有效性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多相关臂码环鉴相方法，包括如下步骤：

步骤1）将 GNSS数字中频信号分别与两路相位差异/>的载波环复制载波信号进行混频处理；

步骤2）接收信号分别与条分路的复制C/A码做相关运算，将相关运算输出的多路运算结果分别送入多路积分-清除器进行相干积分，求得每条分路的相干积分值，/>，其中/>表示每条分路的I支路的相干积分值，表示每条分路的Q支路的相干积分值；

步骤3）码环中的条分路/>的每条分路分别有对应的权值，默认即时分路/>的初始权值最大，数值为3，其余分路的初始权值为0；计算每条分路的自相关功率/>，其中/>，/>为/>之间的任意整数，代表第/>条分路，与/>表示/>和/>两支路上的相干积分结果，找出自相关功率值最大的分路，该分路对应的权值进行自加1，其余分路的权值进行自减1；

步骤4）通过步骤1）-步骤3）求得自相关函数主峰的粗略位置；

步骤5）判断GNSS接收机是否正常跟踪有效GNSS信号，判定是否超过门限值，并根据判定结果获得鉴相结果。

进一步地，所述步骤1）中，GNSS数字中频信号表达式如下所示：

(1)

式中，表示离散采样时刻；/>是值为±1的数据比特电平值；/>表示GNSS卫星所播发的C/A码；/>代表数字中频角频率；/>代表信号的载波相位；/>是均值为零的高斯白噪声序列；a为输入的中频信号幅值；

混频处理后结果如下：

(2)

(3)

式中，与/>为接收机复制载波和接收信号载波之间的频率差异与相位差异；与/>表示/>和/>两支路的输入的中频信号与本地复制的两份相位互差/>的正弦与余弦载波信号进行相乘混频，再经过低通滤波后的信号。

进一步地，所述步骤3）中，进行多轮相关，并在每轮中判定是否存在权值等于3的分路，若存在，则认为该分路即为自相关函数峰值的位置，即该分路与即时分路的复制C/A码之间的相位差；若不存在，则进行下一轮的相关运算。

进一步地，所述步骤4）包括：假设自相关函数峰值的位置在分路附近，则复制即时C/A码与接收C/A码的码相位差异为/>，即鉴相结果为：

(6)

(7)

式(6)中，d为相邻分路的复制C/A码之间的相位差，为码片；式(7)中，方程左边的/>为上一轮相关运算和鉴相、能量估计后的最大自相关功率估计值，与本轮中分路/>的自相关功率值/>经指数平滑滤波得到方程右边更新后的/>，/>为滤波系数。

进一步地，所述步骤5）中，所述门限值是提前设定的常数，若超过门限值，则认为GNSS接收机仍在跟踪信号，上述鉴相结果有效；若没有超过门限值，则认为GNSS接收机已经失锁，为噪声，上述鉴相结果无效。

本发明应用于高轨航天器接收GNSS信号的场景，相对于地面和低轨空间来说，GNSS在高轨空间的应用有着不同的技术特点，其有益效果在于：

1、跟踪能力强。GNSS接收机的码环复制出多份不同相位的C/A码，即使观测噪声造成的误差较大，仍可以保证码环精准鉴相的能力，提高定位精度与跟踪性能，相比于一般接收机码环，更适合GNSS在高轨空间的应用场景。

2、通过对相关结果最大分路的信号能量估计设置门限检验鉴相结果的有效性，有效排除因干扰而导致的偶然结果。

3、相比于一般码环中相邻分路的相关器间距为1/2码片，本发明设置为码片(/>条相关器分路，/>)，相关器间距变小，可有效降低鉴相误差。

附图说明

图1为码相位鉴别器的工作原理图；

图2为本发明的一种多相关臂码环鉴相方法流程图；

图3为使用本发明的鉴相值与真实值的对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，GNSS接收机中的码环共有条分路，/>一般为奇数且大于3，每条分路对应码环复制出不同相位的C/A码，其中/>条分路为复制的超前C/A码形成的超前分路/>，/>为复制C/A码相位最超前的分路；/>条分路为复制的滞后C/A码形成的滞后分路/>，/>为复制C/A码相位最落后的分路；剩下的一条分路对应复制的即时C/A码形成即时分路/>，相邻分路的复制的各C/A码之间相位差/>码片。

如图2所示，本发明的一种多相关臂码环鉴相方法包括如下步骤：

步骤1） GNSS接收机对输入信号进行混频处理，包括：

GNSS数字中频信号分别与两路相位差异/>的载波环复制载波信号进行混频处理，其中GNSS数字中频信号/>表达式如下所示：

(1)

式中，表示离散采样时刻；/>是值为±1的数据比特电平值；/>表示GNSS卫星所播发的C/A码；/>代表数字中频角频率；/>代表信号的载波相位；/>是均值为零的高斯白噪声序列；a为输入的中频信号幅值。

混频处理后结果如下：

(2)

(3)

式中，与/>为接收机复制载波和接收信号载波之间的频率差异与相位差异;与/>表示/>和/>两支路的输入的中频信号与本地复制的两份相位互差/>的正弦与余弦载波信号进行相乘混频，再经过低通滤波后的信号。

步骤2）接收信号分别与条分路的复制C/A码做相关运算，将相关运算输出的多路运算结果分别送入多路积分-清除器进行相干积分，求得每条分路的相干积分值，/>，其中/>表示每条分路的I支路的相干积分值，表示每条分路的Q支路的相干积分值。

步骤3）根据每条分路的自相关功率值，得到自相关函数峰值所在分路，包括：

码环中的条分路/>的每条分路分别有对应的权值，默认即时分路的初始权值最大，数值为3，其余分路的初始权值为0；计算每条分路的自相关功率/>，其中/>，其中，/>为/>之间的任意整数，代表第/>条分路，与/>表示/>和/>两支路上的相干积分结果，找出自相关功率值最大的分路，该分路对应的权值进行自加1，其余分路的权值进行自减1。

如上所述进行多轮相关，并在每轮中判定是否存在权值为3的分路，若存在，则认为该分路即为自相关函数峰值的位置，即该分路与即时分路复制C/A码之间的相位差；若不存在，则进行下一轮的相关运算。

步骤4）由步骤1）-步骤3）求得自相关函数主峰的粗略位置，这里假设其位置在分路附近，则复制即时C/A码与接收C/A码的码相位差异为/>，即鉴相结果为：

(6)

(7)

式(6)中，d为相邻分路的复制C/A码之间的相位差，为码片；式(7)中，方程左边的/>为上一轮相关运算和鉴相、能量估计后的最大自相关功率估计值，与本轮中分路/>的自相关功率值/>经指数平滑滤波得到方程右边更新后的/>，/>为滤波系数，作为最终的最大自相关功率估计值，进一步降低噪声对弱信号能量估计波动较大的影响；由于比即时分路复制C/A码落后/>码片的分路的复制C/A码与接收C/A码相关结果为最大，说明自相关函数主峰的位置并不在即时分路/>附近，而是移至/>分路附近，所以需要在鉴相结果/>中加/>。

步骤5）判断最终自相关功率峰值是否大于门限值，包括：

判断GNSS接收机是否正常跟踪有效GNSS信号，判定是否超过门限值，该门限值是提前设定的常数，若超过门限值，则认为接收机仍在跟踪信号，上述鉴相结果有效；若没有超过门限值，则认为接收机已经失锁，/>为噪声，上述鉴相结果无效。

下面结合具体实例对本发明的基于多相关臂码环鉴相方法进行说明，在这一具体实例中采用13条分路，相邻分路的复制的各C/A码之间相位差为d=1/6码片，实例中省略对输入信号的混频与相关处理，直接根据13条分路的码相位对应C/A自相关函数的采样值乘以固定数值b，并作平方运算，加入噪声，模拟每条分路输出的自相关功率值，具体包括以下步骤：

步骤S1：13条分路复制的本地C/A码相对于接收C/A码的码相位差异为：

，

其中，表示本地复制的即时C/A码与接收C/A码的码相位差异，正值为落后，负值为提前。

步骤S2：根据步骤S1中13条分路复制C/A码的码相位，对C/A码自相关函数进行采样，得到对应取值并乘以固定数值b，然后作平方运算，加入噪声，模拟每条分路输出的自相关功率值，之后采用公式(6)与公式(7)对自相关功率峰值与码相位差异进行估计。

以下将以具体的仿真结果说明本发明的优越性。设置数值b为22.36，噪声服从均值为0，标准差为2的高斯分布，则信噪比为21dB。随机在-1到1之间，步进为0.1的序列取一组值作为即时C/A码与接收C/A码的码相位差异的真实值，使用本技术方案的鉴相值与真实值的对比如图3，鉴相次数为200次，真实值与鉴相值的误差在0.1码片之内，平均误差为0.017码片，结合图3分析可知，在接收信号较弱的情况下，本发明的鉴相方法仍可以对码相位差异有更精确的估计，提高了弱信号下的跟踪性能。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多相关臂码环鉴相方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1）将 GNSS数字中频信号分别与两路相位差异/>的载波环复制载波信号进行混频处理；

步骤2）接收信号分别与条分路的复制C/A码做相关运算，将相关运算输出的多路运算结果分别送入多路积分-清除器进行相干积分，求得每条分路的相干积分值/>，/>，其中/>表示每条分路的I支路的相干积分值，/>表示每条分路的Q支路的相干积分值；

步骤3）码环中的条分路/>的每条分路分别有对应的权值，默认即时分路的初始权值最大，数值为3，其余分路的初始权值为0；计算每条分路的自相关功率/>，其中/>，/>为/>之间的任意整数，代表第/>条分路，/>与表示/>和/>两支路上的相干积分结果，找出自相关功率值最大的分路，该分路对应的权值进行自加1，其余分路的权值进行自减1；

步骤4）通过步骤1）-步骤3）求得自相关函数主峰的粗略位置；

步骤5）判断GNSS接收机是否正常跟踪有效GNSS信号，判定是否超过门限值，并根据判定结果获得鉴相结果。

2.根据权利要求1所述的一种多相关臂码环鉴相方法，其特征在于，所述步骤1）中，GNSS数字中频信号表达式如下所示：

(1)

式中，表示离散采样时刻；/>是值为±1的数据比特电平值；/>表示GNSS卫星所播发的C/A码；/>代表数字中频角频率；/>代表信号的载波相位；/>是均值为零的高斯白噪声序列；a为输入的中频信号幅值；

混频处理后结果如下：

(2)

(3)

式中，与/>为接收机复制载波和接收信号载波之间的频率差异与相位差异；与/>表示/>和/>两支路的输入的中频信号与本地复制的两份相位互差/>的正弦与余弦载波信号进行相乘混频，再经过低通滤波后的信号。

3.根据权利要求2所述的一种多相关臂码环鉴相方法，其特征在于，所述步骤3）中，进行多轮相关，并在每轮中判定是否存在权值等于3的分路，若存在，则认为该分路即为自相关函数峰值的位置，即该分路与即时分路的复制C/A码之间的相位差；若不存在，则进行下一轮的相关运算。

4.根据权利要求3所述的一种多相关臂码环鉴相方法，其特征在于，所述步骤4）包括：假设自相关函数峰值的位置在分路附近，则复制即时C/A码与接收C/A码的码相位差异为/>，即鉴相结果为：

(6)

(7)

式(6)中，d为相邻分路的复制C/A码之间的相位差，为码片；式(7)中，方程右边的/>为上一轮相关运算和鉴相、能量估计后的最大自相关功率估计值，与本轮中分路/>的自相关功率值/>经指数平滑滤波得到方程左边更新后的/>，/>为滤波系数。

5.根据权利要求4所述的一种多相关臂码环鉴相方法，其特征在于，所述步骤5）中，所述门限值是提前设定的常数，若超过门限值，则认为GNSS接收机仍在跟踪信号，上述鉴相结果有效；若没有超过门限值，则认为GNSS接收机已经失锁，为噪声，上述鉴相结果无效。