基于合成相关函数的MBOC调制信号无模糊多径抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于合成相关函数的MBOC调制信号无模糊多径抑制技术，包括以下几个步骤：步骤一：根据MBOC调制信号的特点，得出其信号表达式；步骤二：根据步骤一得出MBOC调制信号自相关函数，再将MBOC调制信号的自相关函数分解为若干个自相关函数；步骤三：根据步骤二中所得出的各个自相关函数的特点，通过各个自相关函数合成得到新的相关函数，消除MBOC信号的边峰，实现无模糊跟踪；步骤四：将strobe技术的抗多径原理应用于新的自相关函数中，提出一种由两种不同间隔EML的线性组合实现多径抑制，最终实现无模糊跟踪并得到较好的多径抑制效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于合成相关函数的MBOC（Multiplexed Binary Offset  Carrier--MBOC）调制信号无模糊多径抑制方法，属于利用合成相关函数方法来消除MBOC 调制信号存在的模糊度问题，进而实现MBOC调制信号的无模糊多径抑制的技术领域。

背景技术

新一代的美国GPS(Global Positioning Satellite)系统、欧盟的Galileo系统以及中国 的“北斗二代”导航系统中的信号都将采用二进制偏移载波（Binary Offset Carrier--BOC） 调制方式，BOC调制信号具有分裂形式的频谱，可减小同频段各个导航信号间的相互干扰， 且BOC信号相关函数主峰较窄，能够保证更好的系统性能。复合二进制偏移载波 （Multiplexed Binary Offset Carrier--MBOC）调制信号作为其中的一种，也被广泛用于 GPS L1C频段以及“北斗二代”的B1频段，然而在MBOC信号在进行跟踪时，由于其自 相关函数的多峰性，将导致其鉴别曲线有过个过零点，直接影响测量结果。与此同时现代化 导航系统均提供了多频电离层校正能力，对流层、星历等误差因素也逐渐降低，而BOC信 号的多径误差表现为时间和空间的弱相关性，不利于采用差分技术消除，已成为新一代卫星 导航系统最重要的测量误差来源。

为了解决BOC信号的跟踪模糊问题，目前主要有以下几种方法：（1）Bump-jumping 技术，通过在本地增加远超前和远滞后两路相关器，以保证即时码与自相关函数的主峰对准、 完成BOC信号的跟踪，但是这种算法要以一定的信噪比为前提，否则产生错误跟踪的概率 很高；（2）BPSK-like技术，将本地BOC信号当作两个BPSK(Binary Phase Shift Key) 信号之和，分别对两个BPSK信号进行相关得到类似BPSK信号的无模糊相关函数，但是该 方法降低了BOC信号的跟踪精度和抗多径能力；（3）自相关边峰消除技术（Autocorrelation  Side-Peak Cancellation Technique--ASPeCT）,在本地产生PRN(Pseudo Random  Noise)码和经副载波调制的PRN码，分别和接收信号作相关运算后再进行旁瓣相消处理以抑 制副峰，该性能较好，但是仅适用于Sine-BOC（n，n）信号；（4）伪相关函数法 （Pseudo-Correlation Function--PCF）,在本地采用两个特别设计的信号与接收的BOC 信号进行相关，然后进行非线性处理，得到无模糊相关函数，实现无模糊跟踪；（5）副载波 相位消除法（Sub Carrier Phase Cancellation--SCPC），通过在接收机内部使用相互正交 的两路本地辅助信号，然后进行平方相加，得到类似于BPSK信号曲线的无模糊相关函数， 但是这种方法在处理MBOC信号时复杂度会增加。

发明内容

本发明的目的是为了解决MBOC调制信号跟踪时存在的模糊度以及多径抑制的问题， 提出了基于合成相关函数的MBOC调制信号的无模糊多径抑制方法，首先根据MBOC信号 的特点得出其自相关函数，在将其自相关函数分解为多个子相关函数，由各个子相关函数合 成得到新的相关函数，再将strobe技术的抗多径原理应用于无副峰的相关函数中，提出一种 由两组不同间隔EML(Early Minus Late)的线性组合实现无模糊抗多径的抑制技术，最终实 现无模糊跟踪并得到较好的多径抑制效果。

一种基于合成相关函数的MBOC调制信号的无模糊多径抑制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：根据MBOC调制信号的特点，得出其信号表达式；

步骤二：根据步骤一得出MBOC调制信号表达式，得到MBOC调制信号自相关函数， 再将MBOC调制信号的自相关函数分解为若干个子相关函数；

步骤三：根据步骤二中所得出的各个子相关函数的特点，通过各个子自相关函数合成得 到新的相关函数，消除MBOC信号的边峰，实现无模糊跟踪；

步骤四：将strobe技术的抗多径原理应用于新的自相关函数中，提出一种由两种不同间 隔EML的线性组合实现多径抑制，最终实现无模糊跟踪并得到较好的多径抑制效果。

本发明的优点在于：

（1）本发明通过分解MBOC信号的自相关函数得到子相关函数，再对各个子相关函数 进行组合得到新的MBOC信号自相关函数，消除了原MBOC信号自相关函数的边峰，实现 了无模糊跟踪；

（2）本发明通过strobe技术抗多径的原理，提出了通过不同间隔EML的线性组合实 现无模糊抗多径的效果。

（3）本发明设计只需要在接收机内部对MBOC信号自相关函数进行相关运算，并对各 个自相关函数进行重新组合，在硬件实现上看，这比传统的MBOC信号的四电平波形实现 起来要更为容易。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明MBOC调制信号的信号波形；

图3是本发明R₀(τ)和R₁₁(τ)组合得到的自相关函数；

图4是本发明各个子相关函数合成得到的新的无边峰相关函数。

图5是本发明所得到的鉴相曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明是基于合成相关函数的MBOC调制信号无模糊多径抑制方法，如图1所示，包 括以下四个步骤：

步骤一：根据MBOC调制信号的特点，得出其信号表达式。

在新一代的导航系统中普遍采用了MBOC调制信号，MBOC信号是根据功率谱密度 （power spectral density-PSD）定义的，它的表达式为：

$G_{\mathrm{MBOC}}\left(f\right)=\frac{10}{11}{G}_{\mathrm{BOC}\left(\mathrm{1,1}\right)}\left(f\right)+\frac{1}{11}{G}_{\mathrm{BOC}\left(\mathrm{6,1}\right)}\left(f\right)---\left(1\right)$

式中，G_MBOC(f)表示MBOC的功率谱密度；G_BOC(1,1)(f)表示BOC（1,1）信号的功率谱 密度；G_BOC(6,1)(f)表示BOC（6,1）的功率谱密度。

CBOC（Composite BOC--CBOC）调制信号是MBOC调制信号的一种实现方式。 CBOC调制信号可以表示为CBOC(6,1,ρ),参数ρ表示BOC（6,1）信号功率在整个CBOC 信号中所占的比重。CBOC调制信号可表示为：

$s\left(t\right)=\underset{i=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}{(-1)}^{c_i}p(t-{\mathrm{iT}}_c)---\left(2\right)$

式中：c_i表示具有二维数值{0,1}的扩频码序列；T_c表示扩频码周期；p(t-iT_c)表示扩频码波 形，周期为T_c，因此p(t-iT_c)的一般形式可表示为p(t)。扩频码符号p(t)可以分为 M(M＝12)部分，M表示MBOC信号的调制阶数，每一段的时间长度为T_s＝T_c/M。因此扩 频码符号p(t)可以表示为如下:

式中：

式中，表示向下取整运算；ρ₁和ρ₂表示幅度权重因子。k表 示副载波的序列号，、T_s表示副载波的周期，T_s＝T_c/M。

如附图2所示为CBOC（6,1,1/11）信号的波形。图中PRN Code表示伪随机码。

步骤二：根据步骤一得出MBOC调制信号表达式，得到MBOC调制信号自相关函数， 再将MBOC调制信号的自相关函数分解为若干个子相关函数。

根据自相关函数的定义，MBOC调制信号的归一化自相关函数可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}R\left(\tau \right)=E\left[s\left(t\right)s(t+\tau )\right]\\ =\frac{1}{T}{\int }_0^{T}s\left(t\right)s(t+\tau )\mathrm{dt}\\ =\frac{1}{T}\underset{l=0}{\overset{T/T_c-1}{\Sigma }}\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{\int }_{(\mathrm{lM}+i)T_s}^{(\mathrm{lM}+i+1)T_s}s\left(t\right)s(t+\tau )\mathrm{dt}\\ =\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}\{\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{d}_i·d_j·\Lambda \left({\mathrm{Mf}}_c(\tau -(i-j)T_s)\right)\}\\ =\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{R}_i\left(\tau \right)\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，l表示扩频码周期的序列号，f_c表示扩频码的频率，f_c＝1/T_c；d_i，d_j的表达式如式 （5）所示，

$R_i\left(\tau \right)=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{d}_i·d_j·\Lambda \left({\mathrm{Mf}}_c(\tau -(i-j)T_s)\right)---\left(8\right)$

将R_i(τ)称为R(τ)的子相关函数，因此由（8）式可知，CBOC信号的自相关函数可以 表示为M个子相关函数之和。因此对各个子相关函数进行合理组合可以消除CBOC信号自 相关函数的边峰。

步骤三：根据步骤二中所得出的各个子自相关函数的特点，通过各个子自相关函数合成 得到新的相关函数，消除MBOC信号的边峰，实现无模糊跟踪。

结合（8）式对各子相关函数的特点进行分析，为了消除MBOC信号的边峰，将两者进 行组合可得到：

S₀(τ)＝|R₀(τ)|+|R₁₁(τ)|-|R₀(τ)-R₁₁(τ)|        （9）

其中：S₀(τ)表示由R₀(τ)和R₁₁(τ)合成得到的相关函数，R₀(τ)和R₁₁(τ)分别表示R(τ)的 两个子相关函数。

式（9）所得到的结果如图3所示，由图3可知，合成得到的相关函数已经完全消除了 边峰。为了得到更大的斜率，达到更高的跟踪精度，因此本发明将CBOC信号的各个子相关 函数按照式（10）进行如下组合：

$R_{\mathrm{proposed}}\left(\tau \right)=S_0\left(\tau \right)+\underset{i=1}{\overset{M-2}{\Sigma }}\left\{\right|R_i\left(\tau \right)|+|S_0\left(\tau \right)|-|R_i\left(\tau \right)-S_0\left(\tau \right)\left|\right\}---\left(10\right)$

式中，R_i(τ)表示各个子相关函数。由上式（10）所得到的结果如图4所示。由图4可 知，本发明所提出的组合子相关函数得到新的自相关函数后，完全消除了信号的边峰，斜率 也较原来的CBOC信号的斜率大，更有利于信号跟踪。

步骤四：将strobe技术的抗多径原理应用于新的自相关函数中，提出一种由两种不同间 隔EML的线性组合实现多径抑制，最终实现无模糊跟踪并得到较好的多径抑制效果。

根据Strobe算法构造抗多径鉴别曲线的原理，推广至任意具有类BPSK相关峰的信号 形式，实现类似的抗多径接收。由于合成得到的新相关函数中，其相关峰是非规则曲线，因 此不能直接采用与BPSK信号相同的Strobe参数。假设接收机内部采用间隔分别是Δ₁和Δ₂的两组超前、滞后码E₁/L₁和E₂/L₂，分别采用新的相关函数得到各自鉴别曲线，再进行加权 组合得到Strobe鉴别曲线：

D₁(τ)＝R_proposed(τ-Δ₁/2)-R_proposed(τ+Δ₁/2)       （11）

D₂(τ)＝R_proposed(τ-Δ₂/2)-R_proposed(τ+Δ₂/2)       （12）

D_Strobe(τ)＝D₁(τ)-βD₂(τ)                       （13）

式中，D₁(τ)表示由相关器间隔为Δ₁所得到的鉴相器输出，D₂(τ)表示由相关器间隔为Δ₂所得到的鉴相器输出，D_Strobe(τ)表示由两组不同间隔的相关器加权组合所得到的鉴相器输出。 β是两组超前滞后码的加权系数。

满足无模糊跟踪的条件是在正确的同步点鉴别器输出为零，且鉴别器斜率为正形成保持 跟踪的负反馈，而其他鉴别器零点均为不稳定的正反馈，即满足条件：

D_Strobe(0)＝0,D'_Strobe(0)≥0           （14）

${\forall D}_{\mathrm{Strobe}}\left(\tau \right)=0$且$\tau \ne 0,D_{\mathrm{Strobe}}^{\prime }\left(\tau \right)\le 0---\left(15\right)$

为了满足无模糊跟踪约束，并以多径误差包络作为优化目标，因此本发明中选择一组优 化参数Δ₁＝T_s,Δ₂＝T_s/2,β＝0.15。分别根据两组超前、滞后码E₁/L₁和E₂/L₂，得到两条鉴相 曲线，再利用strobe技术，采用设计好的参数得到全新的鉴相曲线（如图5所示），得到无 模糊的鉴相曲线，并得到很好的多径抑制效果。