RU2769113C1 - Method of correcting sampling error of ranging code - Google Patents
Method of correcting sampling error of ranging code Download PDFInfo
- Publication number
- RU2769113C1 RU2769113C1 RU2021100096A RU2021100096A RU2769113C1 RU 2769113 C1 RU2769113 C1 RU 2769113C1 RU 2021100096 A RU2021100096 A RU 2021100096A RU 2021100096 A RU2021100096 A RU 2021100096A RU 2769113 C1 RU2769113 C1 RU 2769113C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- symbols
- prs
- ranging code
- transitions
- sampling
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/13—Receivers
- G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
- G01S19/30—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system code related
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радионавигации, а именно к формированию, приему и обработке широкополосных радионавигационных сигналов и может быть использовано для формирования дальномерного кода в аппаратных и программных имитаторах и приемниках сигналов радионавигационных систем спутниковой и наземной радионавигации, включая прецизионную аппаратуру метрологического класса, приемники, расположенные на космических аппаратах (КА), аппаратуру временной синхронизации по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).The invention relates to the field of radio navigation, namely to the formation, reception and processing of broadband radio navigation signals and can be used to generate a ranging code in hardware and software simulators and signal receivers of radio navigation systems of satellite and terrestrial radio navigation, including precision equipment of the metrological class, receivers located on spacecraft (SC), time synchronization equipment based on the signals of global navigation satellite systems (GNSS).
В современных радионавигационных системах положение потребителя (пользователя) навигационной системы определяется на основе расстояний между потребителем и опорными станциями (космическими аппаратами) системы, излучающими навигационные сигналы. Определение расстояний осуществляется путем измерения времени распространения навигационных сигналов от опорных станций к приемнику потребителя. В качестве навигационных сигналов, как правило, используются широкополосные сигналы, модулированные дальномерными кодами - псевдослучайными последовательностями (ПСП) нулей и единиц.In modern radio navigation systems, the position of the consumer (user) of the navigation system is determined on the basis of the distances between the consumer and the reference stations (spacecraft) of the system emitting navigation signals. Distances are determined by measuring the propagation time of navigation signals from reference stations to the consumer's receiver. As navigation signals, as a rule, broadband signals are used, modulated by ranging codes - pseudo-random sequences (PRS) of zeros and ones.
Для измерения времени распространения (задержки) сигнала приемник формирует локальную копию дальномерного кода, задержка которого при помощи следящей системы непрерывно подстраивается под задержку входного сигнала. Выходным сигналом дискриминатора следящей системы является сигнал, пропорциональный разности выходных значений двух корреляторов, опорные дальномерные коды которых сдвинуты во времени относительно текущей оценки задержки в сторону опережения и запаздывания на величину, обычно не превышающую половины длительности символа ПСП. По сути, дискриминатор определяет временной сдвиг между переходами символов ПСП входного сигнала и переходами символов ПСП, формируемой в приемнике. Таким образом, информация о задержке входного сигнала извлекается из временных положений переходов между символами ПСП. Управление задержкой формируемого дальномерного кода осуществляется с выхода петлевого фильтра системы слежения путем изменения частоты следования символов ПСП, либо путем непосредственной установки требуемой задержки в управляемый генератор дальномерного кода.To measure the propagation time (delay) of the signal, the receiver generates a local copy of the ranging code, the delay of which is continuously adjusted to the delay of the input signal using a tracking system. The output signal of the tracking system discriminator is a signal proportional to the difference in the output values of two correlators, the reference ranging codes of which are shifted in time relative to the current delay estimate in the direction of advance and delay by an amount usually not exceeding half the duration of the PRS symbol. Essentially, the discriminator determines the time offset between the PRS symbol transitions of the input signal and the PRS symbol transitions generated at the receiver. Thus, information about the delay of the input signal is extracted from the time positions of the transitions between PRS symbols. The control of the delay of the generated ranging code is carried out from the output of the loop filter of the tracking system by changing the frequency of the PRS symbols, or by directly setting the required delay in the controlled ranging code generator.
Очевидно, точность измерения задержки принятого сигнала напрямую оказывает влияние на точность определения положения потребителя. Однако, при цифровой реализации алгоритмов обработки принимаемых навигационных сигналов, получившей широкое распространение в силу ряда причин, конечная частота дискретизации приводит к возникновению погрешности дискретизации дальномерного кода, и, как следствие, к погрешности измерения времени распространения навигационного сигнала.Obviously, the accuracy of measuring the delay of the received signal directly affects the accuracy of determining the position of the consumer. However, in the digital implementation of algorithms for processing received navigation signals, which has become widespread due to a number of reasons, the finite sampling rate leads to a discretization error in the ranging code, and, as a result, to an error in measuring the propagation time of the navigation signal.
При дискретизации дальномерного кода происходит смещение положений переходов между символами ПСП и, как следствие, смещение нуля дискриминационной характеристики. В общем случае смещение носит случайный характер, равномерно распределено в интервале от нуля до длительности периода дискретизации, зависит от конкретного значения задержки ПСП, самой ПСП и частоты дискретизации.When discretizing the ranging code, the positions of the transitions between the symbols of the PRS are shifted and, as a result, the zero shift of the discrimination characteristic occurs. In the general case, the offset is random, uniformly distributed in the range from zero to the duration of the sampling period, depends on the specific value of the delay of the PRS, the PRS itself, and the sampling frequency.
Возникновение смещения переходов между символами ПСП при дискретизации поясняется фиг. 1. В качестве примера приведены временные диаграммы части ПСП, длиной четыре символа, с двумя переходами. Используемые на фиг. 1 обозначения: d-значение символа ПСП, Т-длительность символа ПСП, Тд - период дискретизации. Точки (окружности) обозначают выборки дискретной ПСП. Сплошная линия соответствует формируемой дискретной ПСП. Пунктирными вертикальными линиями отмечены положения границ символов идеальной (не дискретизированной) ПСП. е - величина смещения перехода между символами дискретизированной ПСП относительно идеальной ПСП. Временные диаграммы приведены для нулевой задержки (верхняя диаграмма) и задержки, равной τ (нижняя диаграмма). Из фиг. 1 видно, что среднее значение отклонений переходов между символами ПСП зависит от задержки ПСП. С увеличением длительности ПСП (количества переходов между символами ПСП) происходит усреднение смещений переходов, и результирующая ошибка определения задержки уменьшается. Тем не менее, в ряде задач, итоговое значение ошибки остается неприемлемым.The occurrence of offset transitions between PR symbols during sampling is illustrated in FIG. 1. As an example, the timing diagrams of a part of the PSP are given, four symbols long, with two transitions. Used in FIG. 1 designations: d-value of the PSP symbol, T-duration of the PSP symbol, T d - sampling period. The dots (circles) denote samples of the discrete PRS. The solid line corresponds to the formed discrete memory bandwidth. Dashed vertical lines mark the positions of the boundaries of the symbols of the ideal (not sampled) PRS. e is the value of the offset of the transition between the symbols of the sampled PR with respect to the ideal PR. Timing diagrams are given for zero delay (upper diagram) and delay equal to τ (lower diagram). From FIG. 1 it can be seen that the average value of the deviations of the transitions between the PR symbols depends on the delay of the PR. As the duration of the PRS (the number of transitions between the symbols of the PRS) increases, the transition offsets are averaged, and the resulting error in determining the delay decreases. However, in a number of tasks, the final value of the error remains unacceptable.
При измерении изменяющейся задержки (и наличии допплеровского сдвига частоты входного навигационного сигнала) также происходит усреднение ошибки. Однако, при малых и нулевых значениях ДСЧ эффект от усреднения мал или отсутствует.When measuring a varying delay (and the presence of a Doppler shift in the frequency of the input navigation signal), the error is also averaged. However, for small and zero DFS values, the effect of averaging is small or absent.
Необходимость высокоточного формирования дальномерного кода и измерения его задержки возникает в: измерительных станциях наземного сегмента ГНСС; аппаратуре потребителей навигационных систем, находящихся на космических аппаратах; приборах метрологического класса (имитаторов и приемников навигационных сигналов, используемых для калибровки и поверки аппаратуры); аппаратуре временной синхронизации по сигналам ГНСС; задачах измерения расстояния между объектами авиационной и космической техники.The need for high-precision formation of the ranging code and measurement of its delay arises in: measuring stations of the ground segment of the GNSS; equipment of consumers of navigation systems located on spacecraft; metrological class devices (simulators and receivers of navigation signals used for calibration and verification of equipment); time synchronization equipment based on GNSS signals; problems of measuring the distance between objects of aviation and space technology.
Уменьшение погрешности дискретизации дальномерного кода за счет увеличения частоты дискретизации ограничено в первую очередь такими факторами, как: сложность реализации обработки сигналов на высокой частоте (вычислительные ресурсы), энергопотребление, тепловыделение, массогабаритные характеристики.Reducing the sampling error of the ranging code by increasing the sampling frequency is limited primarily by such factors as: the complexity of implementing high-frequency signal processing (computing resources), power consumption, heat dissipation, and weight and size characteristics.
Стоит отметить, что в случае кратности частоты дискретизации частоте следования символов ПСП существенно возрастает погрешность дискретизации (статья Dennis М. Akos, Marco Pini, Effect of Sampling Frequency on GNSS Receiver Performance, NAVIGATION: Journal of The Institute of Navigation Vol.м53, No. 2, Summer 2006).It should be noted that in the case of a multiplicity of the sampling frequency of the repetition rate of the PRS symbols, the sampling error significantly increases (article by Dennis M. Akos, Marco Pini, Effect of Sampling Frequency on GNSS Receiver Performance, NAVIGATION: Journal of The Institute of Navigation Vol.m53, No. 2, Summer 2006).
Известен способ уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода заключающийся в вычислении смещения нуля дискриминационной характеристики на основе анализа положений выборок дальномерного кода и последующей коррекции измерений псевдодальности на величину вычисленного смещения (статья Xiaojun Jin, Ning Zhang, Kan Yang и др., PN Ranging Based on Noncommensurate Sampling: Zero-Bias Mitigation Methods, IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. 53, NO. 2 APRIL 2017). Другим, предлагаемым в статье способом уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода является выбор особых значений частоты дискретизации, при которых происходит компенсация погрешности при вычитании значений на выходах корреляторов с запаздывающим и опережающим опорными сигналами. Недостатком предлагаемого в статье способа коррекции погрешности, основанного на вычислении смещения нуля дискриминационной характеристики является большой объем вычислений. Выбор особого значения частоты дискретизации затруднен практическими аспектами реализации аппаратуры (настройка синтезаторов, частотный план), невозможен в широко распространенной практике дискретизации сигналов нескольких навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, Galileo) одним аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Кроме того, как отмечают авторы статьи, для применения предлагаемого ими способа в случае малой временной расстройки между опережающим и запаздывающим каналами дискриминатора (простой и повсеместно используемый прием по борьбе с многолучевым распространением сигналов) возникает необходимость в высокой частоте дискретизации. Оба, предлагаемых в статье способа, не применимы для реализации в имитаторах навигационных сигналов.There is a known method for reducing the sampling error of the ranging code, which consists in calculating the zero offset of the discrimination characteristic based on the analysis of the positions of the ranging code samples and the subsequent correction of pseudorange measurements by the value of the calculated offset (article by Xiaojun Jin, Ning Zhang, Kan Yang et al., PN Ranging Based on Noncommensurate Sampling : Zero-Bias Mitigation Methods, IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. 53, NO. 2 APRIL 2017). Another method proposed in the article to reduce the sampling error of the ranging code is the choice of special values of the sampling frequency, at which the error is compensated when subtracting values at the outputs of correlators with lagging and leading reference signals. The disadvantage of the error correction method proposed in the article, based on the calculation of the zero offset of the discrimination characteristic, is a large amount of calculations. The choice of a special value for the sampling frequency is difficult due to the practical aspects of the implementation of the equipment (synthesizer tuning, frequency plan), it is impossible in the widespread practice of sampling signals from several navigation systems (GLONASS, GPS, Galileo) with a single analog-to-digital converter (ADC). In addition, as the authors of the article note, in order to apply the method they propose in the case of a small time mismatch between the leading and lagging channels of the discriminator (a simple and widely used technique for combating multipath signal propagation), a high sampling rate is required. Both methods proposed in the article are not applicable for implementation in navigation signal simulators.
Другим способом коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода является предварительное вычисление ошибки дискретизации для всех возможных значений задержки дальномерного кода в интервале от нуля до длительности такта дискретизации (патент ЕР 3 483 632 A1, WO 2019/091769 А1, статья J. - M. Sleewaegen, W. De Wilde, Zero-Doppler Pseudorange Biases, 2018, Septentrio, Belgium). Вычисленное значение ошибки фильтруется с помощью фильтра нижних частот, имеющего те же характеристики, что и основной петлевой фильтр системы слежения за задержкой. Отфильтрованное значение ошибки используется для коррекции измерений псевдодальности. Недостатком данного способа является необходимость в реализации дополнительного фильтра. Кроме того, способ не применим для реализации в имитаторах навигационных сигналов.Another way to correct the sampling error of the ranging code is to pre-calculate the sampling error for all possible delay values of the ranging code in the range from zero to the duration of the sampling cycle (
Также известен способ уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода, заключающийся в повышении частоты дискретизации входного сигнала с помощью интерполяции (статья П.В. Шаршавин, А.С. Кондратьев, А.В. Гребенников, Применение цифровой регистрации для повышения точностных характеристик измерения псевдодальности по сигналам спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS, 2012 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева; статья П.В. Шаршавин, А.В. Гребенников, Исследование метода постобработки сигналов спутниковых радионавигационных систем с повышением частоты дискретизации, 2017, ООО НПП «Автономные аэрокосмические системы - ГеоСервис», Институт инженерной физики и радиоэлектроники ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск, https://uavsiberia.com/en/news/issledovanie-metoda-postobrabotki-signalov-sputnikovykh-radionavigatsionnykh-sistem-s-povysheniem-chastoty-diskretizatsii/). Интерполяция осуществляется при помощи экспандера частоты дискретизации и фильтра-интерполятора. Формирование опорного дальномерного кода в приемнике и вычисление корреляционных значений осуществляется на высокой частоте дискретизации. Недостатком данного способа, как отмечают авторы статьи, является необходимость в больших вычислительных затратах. Данный способ может быть использован в режиме постобработки записей навигационных сигналов в программном приемнике, однако его применение в аппаратуре реального времени затруднено. Предлагаемый способ также не может быть использован в имитаторах навигационных сигналов.There is also a known method for reducing the sampling error of the rangefinder code, which consists in increasing the sampling rate of the input signal using interpolation (article by P.V. Sharshavin, A.S. Kondratiev, A.V. Grebennikov, The use of digital registration to improve the accuracy characteristics of pseudorange measurement by signals satellite radio navigation systems GLONASS/GPS, 2012 Bulletin of the Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev, article by P. V. Sharshavin, A. V. Grebennikov, Study of the method of post-processing of satellite radio navigation systems signals with upsampling, 2017, NPP LLC "Autonomous Aerospace Systems - GeoService", Institute of Engineering Physics and Radioelectronics, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, https://uavsiberia.com/en/news/issledovanie-metoda-postobrabotki-signalov-sputnikovykh-radionavigatsionnykh-sistem -s-povysheniem-chastoty-diskretizatsii/). Interpolation is performed using a sample rate expander and an interpolator filter. The formation of the reference ranging code in the receiver and the calculation of the correlation values is carried out at a high sampling rate. The disadvantage of this method, as noted by the authors of the article, is the need for high computational costs. This method can be used in the mode of post-processing of records of navigation signals in a software receiver, however, its application in real-time equipment is difficult. The proposed method also cannot be used in navigation signal simulators.
Известен также способ коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода, заключающийся в ограничении спектра сигнала дальномерного кода (статья П.В. Шаршавин, А.С. Кондратьев, А.В. Гребенников, Уменьшение погрешности дискретизации псевдослучайной последовательности дальномерного кода с помощью ограничения спектра, Системы связи и радионавигации: сб. тезисов / науч. ред. В.Ф. Шабанов; отв. за вып. А.Ю. Строкова. - Красноярск: АО «НПП «Радиосвязь», 2015. -355 с.). Согласно приводимому в статье описанию, ограничение спектра реализуется путем добавления в схему формирования ПСП с аккумулятором фазы дополнительного блока, детектирующего моменты перехода ПСП и воспроизводящего переходной процесс в эти моменты. Уменьшение погрешности дискретизации дальномерного кода при этом достигается за счет того, что при воспроизведении переходного процесса учитывается состояние аккумулятора фазы генератора частоты следования символов ПСП в моменты перехода между символами ПСП, несущее информацию об истинном положении перехода. Воспроизведение переходных процессов в сигнале дальномерного кода, имеющем ограниченный спектр возможно при условии многоуровневого квантования этого сигнала. Недостатком данного способа является усложнение реализации - увеличение количества уровней квантования сигнала дальномерного кода по сравнению с традиционно используемым бинарным квантованием этого сигнала. Увеличение количества уровней квантования влечет за собой усложнение коррелятора (возникает необходимость в запоминающих устройствах, многоразрядном умножителе).There is also known a method for correcting the sampling error of the ranging code, which consists in limiting the spectrum of the ranging code signal (article by P.V. Sharshavin, A.S. Kondratiev, A.V. Grebennikov, Reducing the sampling error of the pseudo-random sequence of the ranging code by limiting the spectrum, Communication systems and radio navigation: collection of abstracts / scientific editor V.F. Shabanov, responsible for the issue A.Yu. Strokova. - Krasnoyarsk: JSC "NPP "Radiosvyaz", 2015. -355 p.). According to the description given in the article, spectrum limitation is implemented by adding an additional block to the PRS formation circuit with a phase accumulator, which detects the moments of the PRS transition and reproduces the transient process at these moments. Reducing the sampling error of the ranging code is achieved due to the fact that when reproducing the transient process, the state of the accumulator of the phase of the PRS symbol frequency generator at the moments of the transition between the PSS symbols, which carries information about the true position of the transition, is taken into account. Reproduction of transient processes in a ranging code signal having a limited spectrum is possible under the condition of multilevel quantization of this signal. The disadvantage of this method is the complication of implementation - an increase in the number of levels of quantization of the ranging code signal compared to the traditionally used binary quantization of this signal. An increase in the number of quantization levels entails a complication of the correlator (there is a need for storage devices, a multi-bit multiplier).
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода, заключающийся в смещении временных положений переходов между символами ПСП (статья Vinh Т. Tran, Nagaraj С.Shivaramaiah, Thuan D. Nguyen, Eamonn P. Glennon, Andrew G. Dempster, GNSS receiver implementations to mitigate the effects of commensurate sampling frequencies on DLL code tracking, GPS Solutions, 2018) на случайную величину, принятый в качестве прототипа. В соответствии с прототипом, для уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода положения переходов между символами ПСП смещаются на небольшую случайную величину в пределах длительности такта дискретизации. При этом в качестве величины смещения в статье предлагается использовать случайное значение, либо величину, изменяющуюся по гармоническому или линейному закону. В случае кратности частоты дискретизации и частоты следования символов ПСП способ, описываемый в статье позволяет снизить погрешность дискретизации дальномерного кода. Однако, при некратных частоте дискретизации и частоте следования символов ПСП поскольку значение основного аккумулятора фазы при каждой смене символов ПСП является случайным, добавление дополнительной величины, случайной, либо изменяющейся по гармоническому или линейному закону не устраняет погрешности. Недостатком прототипа является существенно большая величина ошибки, остающейся после коррекции.Closest to the claimed invention is a method for correcting the ranging code sampling error, which consists in shifting the temporal positions of transitions between PSS symbols (article by Vinh T. Tran, Nagaraj C. Shivaramaiah, Thuan D. Nguyen, Eamonn P. Glennon, Andrew G. Dempster, GNSS receiver implementations to mitigate the effects of commensurate sampling frequencies on DLL code tracking, GPS Solutions, 2018) by a random variable, taken as a prototype. In accordance with the prototype, in order to reduce the sampling error of the ranging code, the positions of the transitions between the symbols of the SRP are shifted by a small random value within the duration of the sampling cycle. At the same time, the article proposes to use a random value, or a value that varies according to a harmonic or linear law, as the displacement value. In the case of a multiplicity of the sampling rate and the repetition rate of the PRS symbols, the method described in the article allows to reduce the discretization error of the ranging code. However, with non-multiple sampling rate and PRS symbol frequency, since the value of the main phase accumulator at each change of PRS symbols is random, adding an additional value, random, or changing according to a harmonic or linear law, does not eliminate the error. The disadvantage of the prototype is a significantly large amount of error remaining after correction.
Целью данного изобретения является уменьшение погрешности дискретизации дальномерного кода, уменьшение погрешности воспроизведения задержки дальномерного кода, в формируемых имитаторами радионавигационных сигналов и уменьшение погрешности измерения задержки приемниками радионавигационных сигналов.The purpose of this invention is to reduce the discretization error of the ranging code, to reduce the error in reproducing the delay of the ranging code in radio navigation signals generated by simulators, and to reduce the delay measurement error by radio navigation signal receivers.
Указанная цель достигается тем, что при формировании дальномерного кода изменяют временные положения переходов между символами ПСП, а именно, для каждого перехода между символами ПСП вычисляют сумму величины отклонения положения текущего перехода между символами дискретизированной ПСП от истинного положения и суммы отклонений, вычисленной для предыдущих переходов, и, в случае, если полученное суммарное значение величины отклонения является положительным, то выполняют сдвиг текущего перехода между символами ПСП во времени на один такт дискретизации в сторону опережения, при этом расчет последующих сумм отклонений положений переходов между символами ПСП выполняют с учетом выполненной коррекции положения текущего перехода между символами ПСП.This goal is achieved by changing the temporal positions of the transitions between the PRS symbols during the formation of the ranging code, namely, for each transition between the PSP symbols, the sum of the deviation of the position of the current transition between the symbols of the sampled PRP from the true position and the sum of the deviations calculated for previous transitions are calculated, and, if the obtained total value of the deviation value is positive, then the current transition between the PSP symbols is shifted in time by one sampling cycle in the direction of advance, while the calculation of the subsequent sums of deviations of the positions of the transitions between the PSP symbols is performed taking into account the correction of the position of the current transition between PSP symbols.
Техническим результатом выполнения указанных выше действий является уменьшение погрешности дискретизации дальномерного кода вследствие уменьшения изменения среднего значения отклонений переходов между символами ПСП, вычисленного на интервале времени, равном периоду ПСП, либо отличающемся от периода ПСП при изменении значения задержки. Временные диаграммы, поясняющие сдвиг перехода между символами ПСП приведены на фиг. 2. Жирными пунктирными линиями показано положение перехода до коррекции.The technical result of performing the above actions is to reduce the discretization error of the ranging code due to a decrease in the change in the average value of deviations of transitions between PSP symbols, calculated on a time interval equal to the PSP period, or different from the PSP period when the delay value changes. Timing diagrams illustrating the transition shift between PR symbols are shown in FIG. 2. Bold dotted lines show the position of the transition before correction.
Предлагаемый способ уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода и способ, используемый в прототипе предполагают выполнение действий непосредственно с переходами дальномерного кода, в отличие от приводимых в описании изобретения аналогов, в которых выполняется коррекция ошибки измерения задержки. Благодаря этому предлагаемый и используемый в прототипе способы могут быть использованы для уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода генераторов как приемников, так и имитаторов радионавигационных сигналов.The proposed method for reducing the sampling error of the ranging code and the method used in the prototype involve performing actions directly with the transitions of the ranging code, in contrast to the analogues given in the description of the invention, in which the delay measurement error is corrected. Due to this, the methods proposed and used in the prototype can be used to reduce the sampling error of the ranging code generators of both receivers and simulators of radio navigation signals.
Отличием заявляемого изобретения от прототипа является то, что смещение положений переходов между символами ПСП выполняется не случайным образом, а с учетом величины отклонения текущего и предыдущих символов ПСП от истинного значения.The difference between the claimed invention and the prototype is that the displacement of the positions of transitions between PSP symbols is performed not randomly, but taking into account the deviation of the current and previous PSP symbols from the true value.
На фиг. 1 приведены временные диаграммы, поясняющие смещение переходов между символами ПСП (возникновение погрешности дискретизации дальномерного кода).In FIG. 1 shows the timing diagrams explaining the shift of transitions between PSS symbols (the occurrence of a discretization error of the ranging code).
На фиг. 2 приведены временные диаграммы после выполнения коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода.In FIG. 2 shows the timing diagrams after performing the correction of the ranging code sampling error.
На фиг. 3 приведен пример структурной схемы генератора ПСП, реализующий предлагаемый способ коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода.In FIG. Figure 3 shows an example of a block diagram of a PRS generator that implements the proposed method for correcting the sampling error of a ranging code.
На фиг. 4 приведена блок-схема алгоритма программной реализации предлагаемого способа коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода.In FIG. Figure 4 shows a block diagram of the algorithm for the software implementation of the proposed method for correcting the discretization error of the ranging code.
На фиг. 5 приведены графики взаимно-корреляционных функций без коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода, полученных путем моделирования.In FIG. Figure 5 shows graphs of cross-correlation functions without correction of the discretization error of the ranging code, obtained by modeling.
На фиг. 6 приведены графики взаимно-корреляционных функций с использованием предлагаемого способа коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода, полученных путем моделирования.In FIG. 6 shows graphs of cross-correlation functions using the proposed method for correcting the discretization error of the ranging code obtained by modeling.
На фиг. 7 приведены графики зависимостей ошибки измерения задержки дальномерного кода от значения задержки входного сигнала без коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода, полученных путем моделирования.In FIG. Figure 7 shows the graphs of the ranging code delay measurement error versus the input signal delay value without correcting the ranging code sampling error, obtained by simulation.
На фиг. 8 приведены графики зависимостей ошибки измерения задержки дальномерного кода от значения задержки входного сигнала с коррекцией погрешности дискретизации дальномерного кода, полученных путем моделирования.In FIG. Figure 8 shows the graphs of the ranging code delay measurement error versus the value of the input signal delay with correction of the ranging code sampling error, obtained by simulation.
На фиг. 9 приведен график ошибки измерения задержки дальномерного кода без коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода, полученной экспериментально.In FIG. Figure 9 shows a graph of the ranging code delay measurement error without correcting the experimentally obtained ranging code sampling error.
На фиг. 10 приведен график ошибки измерения задержки дальномерного с коррекцией погрешности дискретизации дальномерного кода, полученной экспериментально.In FIG. Figure 10 shows a graph of the rangefinder delay measurement error with the rangefinder code sampling error correction obtained experimentally.
Пример структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода приведен на фиг. 3.An example of a block diagram of a device that implements the proposed method for correcting the ranging code sampling error is shown in Fig. 3.
Формирование тактовой частоты следования символов ПСП (fT) выполняется с помощью аккумулятора фазы 1, содержащего сумматор 2 и регистр аккумулятора фазы 3. N - разрядность аккумулятора фазы. Необходимая частота следования символов задается с помощью кода частоты (Kч), подаваемого на второй вход сумматора 2. Блок 4 выполняет детектирование переходов старшего бита аккумулятора фазы от логического уровня "1" к логическому уровню "0". MSB - most significant bit (старший значащий бит). По сигналу тактовой частоты следования символов ПСП (с выхода блока 4) происходит сдвиг регистра сдвига с линейной обратной связью (РСЛОС, блок 5) либо переход к очередной ячейке памяти в случае табличного формирования ПСП. В традиционной схеме генератора дальномерного кода выход блока 5 является выходом схемы.The formation of the clock frequency of the PRP symbols (f T ) is performed using the accumulator of
Для реализации предлагаемого способа уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода схема (фиг. 3) дополняется блоком 6, вычисляющим сумму (блок 12) величины отклонения положения текущего перехода между символами дискретизированной ПСП от истинного положения и суммы отклонений, вычисленной для предыдущих переходов. Для вычисления величины отклонения на текущем переходе между символами ПСП от истинного значения используется значение аккумулятора фазы тактовой частоты ПСП. Значение суммы отклонений переходов (регистр 13) обновляется в случае, если (условие реализуется при помощи сигнала на входе разрешения тактовой частоты - СЕ) очередной символ dk отличается от предыдущего dk-1 (блок 9). Регистр 7 служит для задержки формируемых символов ПСП на один такт дискретизации. Если значение суммы отклонений положений переходов между символами ПСП от истинного значения является положительным (блок 14), то на выход с помощью элемента выбора (блок 8) выдается незадержанный символ ПСП (выполняется коррекция положения перехода между символами ПСП). При отрицательном значении ошибки, накопленной в аккумуляторе ошибки (блок 9), коррекция положения перехода между символами ПСП не выполняется и на выход выдается символ ПСП, задержанный на один такт дискретизации. При каждой смене символа ПСП значение аккумулятора ошибки 13 обновляется на величину отклонения текущего перехода от требуемого значения с учетом того, проводится коррекция или нет (блок 10). Регистр (блок 11) предназначен для учета задержки, возникающей в РСЛОС.To implement the proposed method for reducing the ranging code sampling error, the circuit (Fig. 3) is supplemented with
Примером программной реализации способа коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода является алгоритм, блок-схема которого приведена на фиг.4.An example of a software implementation of the method for correcting the sampling error of the ranging code is an algorithm, the block diagram of which is shown in Fig.4.
В блок-схеме использованы следующие обозначения: е - сумма величин отклонения переходов между символами ПСП; dk - текущий символ ПСП; dk-1 - предыдущий символ ПСП; acc - состояние аккумулятора фазы генератора тактовой частоты ПСП в текущий момент времени; increment -приращение аккумулятора фазы генератора тактовой частоты ПСП (код частоты); forbid - флаг запрещения формирования импульса тактовой частоты (выполняет функцию, аналогичную блокам 5, 10 на фиг.3 при аппаратной реализации); MSB - старший значащий бит аккумулятора фазы.The following notation is used in the block diagram: e is the sum of the deviation values of transitions between PSP symbols; d k - current PSP symbol; d k-1 - previous PSP symbol; acc - the state of the accumulator of the phase of the clock frequency generator of the PSP at the current time; increment - increment of the accumulator of the phase of the PSP clock generator (frequency code); forbid - flag for prohibiting the formation of a clock frequency pulse (performs a function similar to
Возможность осуществления изобретения подтверждается результатами программного моделирования и эксперимента с использованием отладочной платы, содержащей систему на кристалле Xilinx Zynq-7000, синтезаторы опорных частот, смеситель, цифро-аналоговый преобразователь, и высокоскоростного цифрового осциллографа.The feasibility of the invention is confirmed by the results of software simulation and experiment using a debug board containing a Xilinx Zynq-7000 system-on-a-chip, reference frequency synthesizers, a mixer, a digital-to-analog converter, and a high-speed digital oscilloscope.
Моделирование проводилось для сигнала ГЛОНАСС-М, ПСП стандартной точности. Формирование входного сигнала выполнялось на частоте дискретизации 10 ГГц. Далее выполнялась фильтрация входного сигнала полосовым фильтром, с характеристиками аналогичными используемым фильтрам в радионавигационных приемниках, и децимация с целью понижения частоты дискретизации до значения 100 МГц. Ошибка измерения задержки сигнала оценивалась по смещению нуля дискриминационной характеристики. Моделирование проведено для двух вариантов формирования ПСП: без применения способа коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода и с применением предлагаемого способа. На фиг. 5 приведены полученные в ходе моделирования графики взаимно-корреляционных функций входного и опорного сигналов, вычисленные с помощью двух корреляторов, опорные дальномерные коды которых расстроены на величину, равную нескольким тактам дискретизации. На фиг. 6 приведены графики ВКФ, получаемые при использовании способа коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода. Кривая AL (фиг. 5, 6) соответствует коррелятору с опережающим опорным дальномерным кодом, кривая AR - коррелятору с отстающим опорным дальномерным кодом. По горизонтальной оси отложена временная расстройка между задержкой входного сигнала и задержкой опорного сигнала, нормированная к длительности периода дискретизации Тд. Как видно из графиков, применение способа уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода приводит к уменьшению погрешности, получаемых взаимно-корреляционных функций. Зависимости ошибок измерения задержки от значения задержки входного сигнала приведены на фиг.7 (без коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода), фиг.8 (с коррекцией по предлагаемому способу).The simulation was carried out for the GLONASS-M signal, PSP of standard accuracy. The input signal was formed at a sampling rate of 10 GHz. Next, the input signal was filtered with a bandpass filter, with characteristics similar to those used in radio navigation receivers, and decimated to reduce the sampling rate to 100 MHz. The signal delay measurement error was estimated from the zero shift of the discrimination characteristic. The simulation was carried out for two variants of the formation of the SRP: without using the method of correcting the discretization error of the ranging code and using the proposed method. In FIG. Figure 5 shows the graphs of the cross-correlation functions of the input and reference signals obtained during the simulation, calculated using two correlators, the reference ranging codes of which are detuned by an amount equal to several sampling cycles. In FIG. Figure 6 shows the graphs of the VKF obtained using the method for correcting the discretization error of the ranging code. Curve A L (Fig. 5, 6) corresponds to the correlator with an advanced reference ranging code, curve A R corresponds to the correlator with a lagging reference ranging code. The horizontal axis shows the time difference between the delay of the input signal and the delay of the reference signal, normalized to the duration of the sampling period T d . As can be seen from the graphs, the application of the method of reducing the discretization error of the ranging code leads to a decrease in the error of the obtained cross-correlation functions. The dependence of delay measurement errors on the value of the delay of the input signal is shown in Fig.7 (without correction of the sampling error of the ranging code), Fig.8 (corrected by the proposed method).
Для подтверждения возможности достижения технического результата (уменьшения погрешности дискретизации дальномерного кода) был проведен эксперимент по формированию реального навигационного сигнала ГЛОНАСС стандартной точности в частотном диапазоне L1 с использованием предлагаемого способа коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода.To confirm the possibility of achieving a technical result (reducing the ranging code sampling error), an experiment was conducted to generate a real GLONASS navigation signal of standard accuracy in the L1 frequency range using the proposed method for correcting the ranging code sampling error.
Формирование сигнала осуществлялось при помощи имитатора радионавигационных сигналов, реализованного на отладочной плате, содержащей систему на кристалле Zynq-7000, синтезаторы опорных частот, смеситель и цифро-аналоговый преобразователь.The signal was formed using a radio navigation signal simulator implemented on a debug board containing a Zynq-7000 system-on-a-chip, reference frequency synthesizers, a mixer, and a digital-to-analog converter.
Цифровая часть имитатора была реализована в программируемой пользователем вентильной матрице микросхемы Zynq-7000. Один из каналов формирования навигационного сигнала, содержал генератор тактовой частоты ПСП, выполненный в соответствии с фиг. 3, т.е. с применением предлагаемого способа коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода, другой канал имитатора содержал традиционный вариант генератора. Процессорная часть Zynq-7000 использовалась для управления цифровой частью имитатора, включая расчет кодов частот, начальных значений аккумуляторов фазы генераторов опорного колебания и тактовой частоты ПСП на основе задаваемой задержки формируемого сигнала.The digital part of the simulator was implemented in a user-programmable gate array of the Zynq-7000 chip. One of the navigation signal generation channels contained a PRS clock frequency generator, made in accordance with FIG. 3, i.e. using the proposed method for correcting the sampling error of the ranging code, the other channel of the simulator contained the traditional version of the generator. The processor part of the Zynq-7000 was used to control the digital part of the simulator, including the calculation of frequency codes, the initial values of the phase accumulators of the reference oscillation generators, and the PRS clock frequency based on the specified delay of the generated signal.
Формирование навигационного сигнала выполнялось на частоте дискретизации, равной 190 МГц, затем с помощью смесителя осуществлялся перенос сигнала на частоту 1602 МГц. Скорость изменения задержки навигационного сигнала, устанавливаемой в имитатор, была задана равной 0.1 мм/с. Такая низкая скорость изменения задержки навигационного сигнала позволила получить значения ошибок измерения задержки для всех возможных положений переходов между символами ПСП. При этом для изменения задержки на величину, равную длительности такта дискретизации, требовалось 4 часа 23 минуты. В ходе одного сеанса эксперимента общее изменение задержки составляло около трех тактов дискретизации.The formation of the navigation signal was performed at a sampling frequency of 190 MHz, then, using a mixer, the signal was transferred to a frequency of 1602 MHz. The rate of change of the navigation signal delay set in the simulator was set to 0.1 mm/s. Such a low rate of change of the delay of the navigation signal made it possible to obtain the values of errors in the measurement of the delay for all possible positions of the transitions between the PRS symbols. At the same time, it took 4 hours and 23 minutes to change the delay by an amount equal to the duration of the sampling cycle. During one session of the experiment, the total delay change was about three sampling cycles.
Оценка задержки формируемого навигационного сигнала выполнялась путем программного анализа записей сигнала, получаемых при помощи высокоскоростного цифрового осциллографа, работающего на частоте 5 ГГц. Для определения ошибки измерения задержки использовались разности кодовых (измеряемых по задержке дальномерного кода) и фазовых (измеряемых по фазе несущего колебания) псевдодальностей. На фиг. 9 приведен график ошибки измерения кодовой псевдодальности без коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода. Фиг. 10 - ошибка измерения кодовой псевдодальности при использовании в имитаторе предлагаемого способа коррекции. Результаты эксперимента свидетельствуют об эффективности предлагаемого способа коррекции погрешности дискретизации дальномерного кода.Estimation of the delay of the generated navigation signal was carried out by software analysis of the signal records obtained using a high-speed digital oscilloscope operating at a frequency of 5 GHz. To determine the delay measurement error, the differences in code (measured by the delay of the ranging code) and phase (measured by the phase of the carrier wave) pseudoranges were used. In FIG. 9 shows a graph of the error in measuring the code pseudorange without correcting the sampling error of the ranging code. Fig. 10 - code pseudo-range measurement error when using the proposed correction method in the simulator. The results of the experiment indicate the effectiveness of the proposed method for correcting the discretization error of the ranging code.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021100096A RU2769113C1 (en) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | Method of correcting sampling error of ranging code |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021100096A RU2769113C1 (en) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | Method of correcting sampling error of ranging code |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2769113C1 true RU2769113C1 (en) | 2022-03-28 |
Family
ID=81075881
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021100096A RU2769113C1 (en) | 2021-01-11 | 2021-01-11 | Method of correcting sampling error of ranging code |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2769113C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7911378B2 (en) * | 2008-12-19 | 2011-03-22 | Nexteq Navigation Corporation | System and method for applying code corrections for GNSS positioning |
RU2428714C2 (en) * | 2006-05-18 | 2011-09-10 | Дзе Боинг Компани | Universal high-performance navigation system |
RU2522907C2 (en) * | 2012-03-20 | 2014-07-20 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Pulse-doppler radio altimeter |
RU2552646C2 (en) * | 2010-01-29 | 2015-06-10 | Навком Текнолоджи, Инк. | Method and system for position estimation using dual real-time kinematic engines |
CN107064969A (en) * | 2017-03-06 | 2017-08-18 | 哈尔滨工程大学 | A kind of GNSS receiver phase estimator and compensation method |
RU2680711C2 (en) * | 2014-03-28 | 2019-02-26 | Дзе Юропиен Юнион, Репризентед Бай Дзе Юропиен Комишн | Method and device for processing radio-navigation signals for atmospheric monitoring |
WO2019091769A1 (en) * | 2017-11-09 | 2019-05-16 | Septentrio N.V. | Method for correcting a pseudorange in a receiver for satellite navigation |
-
2021
- 2021-01-11 RU RU2021100096A patent/RU2769113C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2428714C2 (en) * | 2006-05-18 | 2011-09-10 | Дзе Боинг Компани | Universal high-performance navigation system |
US7911378B2 (en) * | 2008-12-19 | 2011-03-22 | Nexteq Navigation Corporation | System and method for applying code corrections for GNSS positioning |
RU2552646C2 (en) * | 2010-01-29 | 2015-06-10 | Навком Текнолоджи, Инк. | Method and system for position estimation using dual real-time kinematic engines |
RU2522907C2 (en) * | 2012-03-20 | 2014-07-20 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Pulse-doppler radio altimeter |
RU2680711C2 (en) * | 2014-03-28 | 2019-02-26 | Дзе Юропиен Юнион, Репризентед Бай Дзе Юропиен Комишн | Method and device for processing radio-navigation signals for atmospheric monitoring |
CN107064969A (en) * | 2017-03-06 | 2017-08-18 | 哈尔滨工程大学 | A kind of GNSS receiver phase estimator and compensation method |
WO2019091769A1 (en) * | 2017-11-09 | 2019-05-16 | Septentrio N.V. | Method for correcting a pseudorange in a receiver for satellite navigation |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
VINH Т. TRAN, NAGARAJ С.SHIVARAMAIAH, THUAN D. NGUYEN, EAMONN P. GLENNON, ANDREW G. DEMPSTER, GNSS receiver implementations to mitigate the effects of commensurate sampling frequencies on DLL code tracking // GPS Solutions, 2018. 22, Art. no. 24. 11 p. https://doi.org/10.1007/s10291-017-0690-x. * |
VINH Т. TRAN, NAGARAJ С.SHIVARAMAIAH, THUAN D. NGUYEN, EAMONN P. GLENNON, ANDREW G. DEMPSTER, GNSS receiver implementations to mitigate the effects of commensurate sampling frequencies on DLL code tracking // GPS Solutions, 2018. 22, Art. no. 24. 11 p. https://doi.org/10.1007/s10291-017-0690-x. XIAOJUN JIN, NING ZHANG, KAN YANG XUEMIN (SHERMAN) SEN, ZHAOBIN XU, CHAOJIE ZHANG, ZHONGHE JIN, PN Ranging Based on Noncommensurate Sampling: Zero-Bias Mitigation Methods // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 53, no. 2, pp. 926-940, April 2017, doi: 10.1109/TAES.2017.2667236. * |
XIAOJUN JIN, NING ZHANG, KAN YANG XUEMIN (SHERMAN) SEN, ZHAOBIN XU, CHAOJIE ZHANG, ZHONGHE JIN, PN Ranging Based on Noncommensurate Sampling: Zero-Bias Mitigation Methods // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 53, no. 2, pp. 926-940, April 2017, doi: 10.1109/TAES.2017.2667236. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7124047B2 (en) | System and method for time-of-flight detection | |
US8411726B2 (en) | Method and apparatus for performing signal correlation at multiple resolutions to mitigate multipath interference | |
TWI551879B (en) | Method and gps/gnss receiver circuit for acquisition, tracking, and sub-microsecond time transfer using weak gps/gnss signals | |
JP4757425B2 (en) | Code phase tracking method and receiver | |
US10859709B2 (en) | Satellite navigation receiver with fixed point sigma rho filter | |
CN105917585B (en) | For receiving the method and receiver of composite signal | |
US20200271794A1 (en) | Method for correcting a pseudorange in a receiver for satellite navigation | |
JP4869022B2 (en) | Satellite signal tracking device and satellite signal receiver including the same | |
Yan et al. | Weak GPS signal tracking using FFT discriminator in open loop receiver | |
EP3602129A1 (en) | Global navigation satellite system (gnss) signal tracking | |
CN110857994A (en) | GNSS receiver apparatus with GNSS pseudo-random noise delay sequence generator | |
EP3362818B1 (en) | Satellite navigation receiver with fixed point sigma rho filter | |
JP2839211B2 (en) | Wide-area positioning system receiver | |
CA2685324C (en) | Measurement of energy potential (signal-to-noise ratio) in digital global navigation satellite systems receivers | |
RU2769113C1 (en) | Method of correcting sampling error of ranging code | |
EP1734377A1 (en) | Method for designing a receiver for ranging applications | |
EP2188907A2 (en) | Method and device for multipath mitigation | |
US20230213662A1 (en) | System and method for global navigation satellite system (gnss) position estimation | |
RU2319977C1 (en) | Method for tracking of delay of range finder code fronts of navigational satellite signals | |
KR100905338B1 (en) | Method and apparatus for digital correlation | |
US7222035B1 (en) | Method and apparatus for determining changing signal frequency | |
Kou et al. | Processing GPS L2C signals under ionospheric scintillations | |
Kanouj et al. | A new approach to designing a positioning system for operation under the conditions of dynamic stress and high noise level | |
JP2005207815A (en) | Multipath signal detection device | |
Liu et al. | Tracking loops with time-varying sampling periods for the TH-CDMA signal |