一种基于APCRW相关器的卫星导航信号载波相位多径偏差消除方法

摘要

本发明提供一种基于APCRW相关器的卫星导航信号载波相位多径偏差消除方法，在准时码参考波形的基础上，设计具有功率补偿能力的辅助码参考波形。通过估计载波相位多径误差以消除多径衰落对卫星导航信号载波相位测量的影响。本发明利用上述方法还设计了一种卫星导航接收机，联合ACRW相关器和PCRW相关器实现载波相位多径偏差消除。本发明实现简单，并且实施起来也非常方便，可直接用于传统的导航接收机的载波跟踪环路。

说明书

技术领域

本发明属于导航技术领域，尤其涉及一种基于辅助准时支路参考波形(APCRW)相关器的卫星导航信号载波相位多径偏差消除方法，其可运用在卫星导航信号接收机或者其他类型的扩频接收机中。

背景技术

多径衰落是卫星导航定位系统中的最主要的误差源之一。在城市多径环境中，由于受到建筑物发射产生的非直达信号(Non-Line of Sight，NLOS)的影响，卫星导航接收机伪距和载波相位测量值会发生偏差。伪距的多径偏差可能会产生米级的定位误差，而载波相位多径则可能使其测量值发生周跳，甚至影响载波相位整周模糊度解算的时间和成功率，降低高精度定位的性能。尽管目前已经有大量文献对卫星导航信号多径进行研究，提出了一系列的多径估计和抑制算法，但仍然有许多值得进一步深入研究的地方，以提高系统的抗多径能力。

对于静态或低动态用户而言，多径误差的变化主要受卫星运动的影响，表现为慢时变的偏差特性。这使得即使是采用数据滤波方法，在短时间内也很难对载波多径偏差进行修复。目前，已经有大量文献对抗多径技术进行了研究。相较于伪距多径，载波相位多径的影响较小，但处理难度却更大。然而，由于高精度定位主要依赖于载波相位，载波多径误差对高精度用户的影响已不可忽视。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于APCRW相关器的卫星导航信号载波相位多径偏差消除方法，旨在通过估计载波相位多径误差以消除多径衰落对卫星导航信号载波相位测量的影响。

为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：

一种基于APCRW相关器的卫星导航信号载波相位多径偏差消除方法，包括以下步骤：

(1)对接收到的原始卫星导航信号进行正交数字下变频，得到基带信号的同相分量z_i(t)和正交分量z_q(t)；

(2)同相分量z_i(t)与准时码参考波形(PCRW)相乘后再通过积分累加操作得到积分累加值I_PS，正交分量z_q(t)与准时码参考波形(PCRW)相乘后再通过积分累加操作得到积分累加值Q_PS；

(3)同相分量z_i(t)与辅助码参考波形(ACRW)相乘后再通过积分累加操作得到积分累加值I_AS；正交分量z_q(t)与辅助码参考波形(ACRW)相乘后再通过积分累加操作得到积分累加值Q_AS；

(4)计算载波环路跟踪误差和载波相位多径误差

(5)消除载波相位多径误差；

对载波相位多径误差进行滤波，得到平滑后的多径误差修正量利用多径误差修正量对原始卫星导航信号的载波相位测量值进行修正，消除信号多径对载波相位测量的影响。

一种卫星导航接收机，包括载波发生器、准时码参考波形生成器、辅助码参考波形生成器、1#准时码参考波形相关器、2#准时码参考波形相关器、1#辅助码参考波形相关器、2#辅助码参考波形相关器、积分累加器、相位鉴别器、载波环路滤波器以及平滑滤波器。

载波发生器，对接收到的原始卫星导航信号进行正交数字下变频，输出基带信号的同相分量z_i(t)和正交分量z_q(t)；同相分量z_i(t)同时输入1#准时码参考波形相关器和1#辅助码参考波形相关器；正交分量z_q(t)同时输入2#准时码参考波形相关器和2#辅助码参考波形相关器；

准时码参考波形生成器，生成准时码参考波形，并将准时码参考波形分别输入到1#准时码参考波形相关器和2#准时码参考波形相关器中；

辅助码参考波形生成器，生成辅助码参考波形，并将辅助码参考波形分别输入到1#辅助码参考波形相关器和2#辅助码参考波形相关器中；

1#准时码参考波形相关器、2#准时码参考波形相关器、1#辅助码参考波形相关器、2#辅助码参考波形相关器分别进行相关运算，1#准时码参考波形相关器、2#准时码参考波形相关器、1#辅助码参考波形相关器以及2#辅助码参考波形相关器的输出端均连接有一积分累加器，各积分加器对各相关器输出的相关结果进行积分累加，各积分累加结果均输入到相位鉴别器，由相位鉴别器得到载波环路跟踪误差和载波相位多径误差，载波环路滤波器对载波环路跟踪误差进行滤波降噪处理，对接收到的原始卫星导航信号的载波初始相位和多普勒频率进行估计，并将原始卫星导航信号的载波初始相位和多普勒频率的估计值输出给载波发生器，产生本地载波信号；平滑滤波器对载波相位多径误差进行滤波，得到平滑后的多径误差修正量；利用多径误差修正量对原始卫星导航信号的载波相位测量值进行修正，消除信号多径对载波相位测量的影响。

相对于现有技术，本发明能够产生以下技术效果：

本发明在研究准时码参考波形(Punctual Code Reference Waveform，PCRW)的基础上，设计具有功率补偿能力的辅助码参考波形(Auxiliary Code Reference Waveform，ACRW)，提出了一种联合ACRW相关器和PCRW相关器的载波相位多径偏差消除(Auxiliaryand Punctual Code Reference Waveform，APCRW)方法，并利用该方法设计了一种卫星导航接收机。

本发明可以分离载波跟踪和载波多径，通过组合准时码参考波形相关器和辅助码参考波形相关器，得到全匹配的组合估计载波相位，部分匹配的组合估计载波多径。仿真和实测结果表明，当参考波形的闸宽取1/8个码片时，本发明的抗多径性能比传统匹配接收方法提高了73.8％，且载波环路的跟踪灵敏度保持不变。此外，在本发明的整个实施过程中只改变了经典接收机的本地参考码的波形形状，并不涉及矩阵求逆、特征分解等复杂运算，因此本发明实现简单，运算量小，并且实施起来也非常方便，可直接用于传统的导航接收机的载波跟踪环路。

附图说明

图1是本发明实施例1中提供的一种卫星导航接收机的结构框图；

图2是准时码参考波形以及辅助码参考波形；

图3是在无限带宽条件下直达信号、多径信号和复合信号的相关曲线示意图。

图4是在无限带宽条件下的载波多径误差包络；

图5是在有限带宽条件下的载波多径误差包络；

图6是FMRW、PCRW和APCRW三种方法在不同载噪比条件下的载波相位精度仿真结果；

图7是信号模拟源测试条件下不同闸宽对应的载波相位多径误差估计值；

图8是信号模拟源测试条件下不同闸宽对应的载波相位测量值；

图9是对天实测条件下不同卫星对应的载波相位多径误差；

图10是不同卫星对应的载波相位精度。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于APCRW相关器的卫星导航信号载波相位多径偏差消除方法，包括以下步骤：

(1)对接收到的原始卫星导航信号进行正交数字下变频，得到基带信号的同相分量z_i(t)和正交分量z_q(t)。

导航接收机接收卫星导航信号，接收到的原始卫星导航信号r(t)可以等效为直达信号(LOS，Line of Sight)与N路非直达多径信号(NLOS，Non-Line of Sight)及信道加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)的线性叠加，r(t)表示为：

其中，为信号幅度；为信号载波初始相位；为信号码相位延迟；i＝0表示LOS直达信号，i＝1,…,N则表示N路NLOS多径信号；x(t)为调制的基带扩频码序列；n(t)为高斯白噪声序列。

当采用全匹配相关的方法对接收到的原始卫星导航信号中的载波相位进行估计时，载波跟踪环路中本地参考信号与接收到的原始卫星导航信号的互相关函数可表示为：

其中，表示对信号载波初始相位的估计值；τ₀表示信号的初始码相位；ω(τ)表示本地信号与接收噪声的相关值；信号自相关函数R(τ)可表示为：

R(τ)＝∫x(t)x(t+τ)dt

(2)同相分量z_i(t)与准时码参考波形(PCRW)相乘后再通过积分累加操作得到积分累加值I_PS。正交分量z_q(t)与准时码参考波形(PCRW)相乘后再通过积分累加操作得到积分累加值Q_PS。

准时码参考波形(PCRW)可用如下公式进行描述：

其中，表示第k个准时码参考波形，c_k(t)为扩频码符号，T_C为扩频码符号宽度。

(3)同相分量z_i(t)与辅助码参考波形(ACRW)相乘后再通过积分累加操作得到积分累加值I_AS；正交分量z_q(t)与辅助码参考波形(ACRW)相乘后再通过积分累加操作得到积分累加值Q_AS。

辅助码参考波形(ACRW)可用如下公式进行描述：

其中，表示第k个辅助码参考波形，c_k(t)为扩频码符号，T_C为扩频码符号宽度。

(4)计算载波环路跟踪误差和载波相位多径误差

由于ACRW参考码和PCRW参考码是时分的FMRW参考码，对ACRW和PCRW相关器的输出结果进行累加，即可得到与FMRW相关器一致的积分累加值。因此，本发明方法(即APCRW方法)的载波环路跟踪误差可计算如下：

由于PCRW方法具备抗载波多径能力，因此，本发明方法(即APCRW方法)构造的载波相位多径误差为：

其中，表示全匹配接收的载波相位估计值。

(5)消除载波相位多径误差；

对载波相位多径误差进行滤波，得到平滑后的多径误差修正量利用多径误差修正量对原始卫星导航信号的载波相位测量值进行修正，消除信号多径对载波相位测量的影响。

参照图1，本发明实施例1中提供的一种卫星导航接收机的结构框图。一种卫星导航接收机，包括载波发生器、准时码参考波形生成器、辅助码参考波形生成器、1#准时码参考波形相关器、2#准时码参考波形相关器、1#辅助码参考波形相关器、2#辅助码参考波形相关器、积分累加器、相位鉴别器、载波环路滤波器以及平滑滤波器。

载波发生器，对接收到的原始卫星导航信号进行正交数字下变频，输出基带信号的同相分量z_i(t)和正交分量z_q(t)；同相分量z_i(t)同时输入1#准时码参考波形相关器和1#辅助码参考波形相关器；正交分量z_q(t)同时输入2#准时码参考波形相关器和2#辅助码参考波形相关器；

准时码参考波形生成器，生成准时码参考波形，并将准时码参考波形分别输入到1#准时码参考波形相关器和2#准时码参考波形相关器中；

辅助码参考波形生成器，生成辅助码参考波形，并将辅助码参考波形分别输入到1#辅助码参考波形相关器和2#辅助码参考波形相关器中；

1#准时码参考波形相关器、2#准时码参考波形相关器、1#辅助码参考波形相关器、2#辅助码参考波形相关器分别进行相关运算，1#准时码参考波形相关器、2#准时码参考波形相关器、1#辅助码参考波形相关器以及2#辅助码参考波形相关器的输出端均连接有一积分累加器，各积分加器对各相关器输出的相关结果进行积分累加，各积分累加结果均输入到相位鉴别器，由相位鉴别器得到载波环路跟踪误差和载波相位多径误差，载波环路滤波器对载波环路跟踪误差进行滤波降噪处理，对接收到的原始卫星导航信号的载波初始相位和多普勒频率进行估计，并将原始卫星导航信号的载波初始相位和多普勒频率的估计值输出给载波发生器，产生本地载波信号；平滑滤波器对载波相位多径误差进行滤波，得到平滑后的多径误差修正量；利用多径误差修正量对原始卫星导航信号的载波相位测量值进行修正，消除信号多径对载波相位测量的影响。

图2是准时码参考波形以及辅助码参考波形。相较于FMRW相关的扩频码序列而言，ACRW参考码和PCRW参考码都是一种部分匹配参考码。PCRW参考码为了消除NLOS信号的影响，仅取了每个扩频码前端的小部分扩频信号。ACRW参考码实际上是PCRW参考码余下的那部分扩频信号，即ACRW和PCRW相关器是对FMRW相关器在时间域的拆分。

图3是在无限带宽条件下直达信号、多径信号和复合信号的相关曲线示意图。这里假设直达信号的幅度为1，载波初始相位为0，伪码相位延迟为0，多径信号的幅度为0.25，载波初始相位为0.5π，码相位延迟为0.2个码片。合成信号的相关曲线是一个三维曲线，其载波相位与码相位延迟有关，合成相关峰的峰值为1.02，中心码相位为0，载波相位(多径误差)为11.31°。

图4是在无限带宽条件下的载波多径误差包络。其中，当参考波形的闸波宽度W＝1时，本发明方法(APCRW方法)与传统的FMRW方法等效，即不具备载波相位多径抑制能力。由图4可以看出，闸波宽度越小，本发明方法(APCRW方法)的抗多径性能就越好。当闸宽W＝1/8时，载波相位多径误差包络面积减小约87.5％。

图5是在有限带宽条件下的载波多径误差包络。对于实际的卫星导航接收机而言，有限的前端信号宽带会使信号相关峰发生畸变，从而降低本发明方法(APCRW方法)的载波相位多径误差的估计准确度。由图可见，参考波形的闸宽越小，有限带宽对其抗多径性能的影响越大。在10MHz的有限宽带条件下，当闸宽W＝1/8时，载波相位多径误差包络面积减小约73.8％。

图6是FMRW、PCRW和本发明方法(APCRW方法)三种方法在不同载噪比条件下的载波相位精度仿真结果。设置的参考波形闸宽为1/8码片，载波环路的带宽为2Hz，而载波相位多径误差估计值则使用0.2Hz的低通滤波器进行平滑，相干积分时间为20ms。仿真结果表明，载波相位多径误差的补偿只对载波相位测量的影响相对较小，载波相位的精度损耗约0.8dB，明显小于PCRW方法的9dB损耗。

图7是信号模拟源测试条件下不同闸宽对应的载波相位多径误差估计值。使用本发明方法(APCRW方法)解算得到的载波相位多径误差估计值随时间变化曲线，分别遍历了四种闸宽大小。其中，当W＝1时，本发明方法(APCRW方法)可以等效为FMRW方法，即载波相位多径误差估计值恒为零，没有抗多径能力。当W＝1/8时，载波相位多径误差估计值约为11.8°，这与理论值(11.3°)相符。

图8是信号模拟源测试条件下不同闸宽对应的载波相位测量值。使用PCRW方法解算得到的载波相位测量值随时间变化曲线，同样遍历了四种闸宽大小。其中，当W＝1时，PCRW也可以等效为FMRW方法。从实验结果中可以看出，闸宽越小，载波相位的偏差就越小，而载波相位抖动的幅度越大。

图9是对天实测条件下不同卫星对应的载波相位多径误差。从图中可以看出，闸波宽度越小，载波相位多径误差估计值越大，即载波相位多径抑制能力越强。对于33号星而言，而当闸波宽度W＝1/8时，最大载波相位多径误差约为7.5°。

图10是不同卫星对应的载波相位精度。这里使用FMRW、本发明方法(APCRW方法)和PCRW三种方法计算得到的载波相位测量值的精度。其中，FMRW是全匹配接收，载波相位的抖动最小；PCRW是部分接收，载波相位的抖动最大；本发明方法(APCRW方法)的载波相位测量值引入了多径修正误差，因此，其载波相位抖动略大于全匹配接收方法。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。