一种基于小波变换的多径抑制方法及其系统与流程

文档序号:11152282阅读:1062来源:国知局
一种基于小波变换的多径抑制方法及其系统与制造工艺

本发明涉及卫星导航信号处理领域,尤其涉及一种基于小波变换的多径抑制方法及其系统。



背景技术:

目前多径抑制是卫星导航领域研究的热点问题,多径抑制实际上分为抑制技术和消除技术,其中抑制技术是尽力去减小多径对接收机的影响,而消除技术则是在理论上完全消除多径效应。

从卫星信号和接收天线的设计出发来实现多径抑制的方法受到现实性和通用性的限制,而通过定位导航计算的方法并不能有效地抑制多径,因此,从数字信号处理技术入手寻找有效地多径抑制方法,但是从以上所述,目前现有的几类多径抑制技术都没有考虑非高斯噪声环境,而非高斯环境下基于高斯假设的算法性能会出现退化,这就导致多径抑制效果的明显降低、定位精度变差,因此,研究在非高斯环境下的多径抑制技术具有必要性和实际意义。



技术实现要素:

本发明所要解决的技术问题是由于从卫星信号和接收天线的设计出发来实现多径抑制的方法受到现实性和通用性的限制,而通过定位导航计算的方法并不能有效地抑制多径。

本发明为解决上述技术问题的技术方案如下:一种基于小波变换的多径抑制方法,该方法包括如下步骤:

S1,输入中频信号与本地载波信号通过混频器进行载波剥离处理;

S2,所述步骤S1中的经过载波剥离后的信号分别与本地伪码发生器中输出的至少2个不同相位的本地伪码同时经过相关器,将该信号中的伪码剥离,得到至少2个相关值信号;

S3,步骤S2中经过相关器处理后输出的至少2个相关值信号,经过小波鉴相器进行小波变换得到所述的相关值信号斜率突变点的位置,根据所述斜率突变点的位置计算得到伪码鉴相误差值;

S4,所述步骤S3中的伪码鉴相误差值经过环路滤波器与本地伪码数据振荡器到达本地伪码发生器,调整本地伪码发生器中的伪码。

本发明的有益效果是:利用小波变换方法进行码环多径抑制的技术,在分析伪码自相关函数曲线的基础上,利用小波变换能检测信号奇异性的特点,给出码环鉴相误差,从而改变了传统的鉴相器结构,能够达到有效抑制多径的目的。

在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。

进一步,本地伪码发生器所产生的伪码经过多路延时后,根据延时后的伪码信号判断出即时码。

进一步,所述S2中的至少2个相关值信号经过积分累加后得到至少2个累加值形成伪码相关函数曲线,伪码相关函数曲线用于S3中小波变换。

进一步,小波变换采用的是分辨分析法和Mallat算法。

进一步,小波变换采用的是db3小波,采用db3小波对伪码自相关函数进行小波变换。

采用上述进一步方案的有益效果是:采用小波的离散化,有利于计算的方便,加快计算的效率,在信号进行小波变换的时候,选择正确的小波函数,不会导致信号变换后检测的结构不准确,能够确保小波变换的正常运行。

本发明还涉及一种基于小波变换的多径抑制系统,该系统包括:信号接收器、混频器、数据处理器、小波鉴相器、环路滤波器、本地伪码发生器;

信号接收器、混频器、数据处理器、小波鉴相器、环路滤波器、本地伪码发生器与数据处理器依次串联形成环路;

信号接收器,用于接收中频信号和本地载波信号;

混频器,用于将信号接收器中的中频信号和本地载波信号进行载波剥离处理;

数据处理器,用本地伪码发生器输出的多个不同相位的本地伪码把经过混频器载波剥离出来的信号中的伪码剥离,得到至少2个相关值信号;

小波鉴相器,用于接收数据处理器处理后的信号,将这些信号进行小波变换,计算得到伪码鉴相误差值;

环路滤波器,用得到的伪码鉴相误差值调节本地伪码发生器中的伪码。

上述发明的有益效果:利用小波变换方法进行码环多径抑制的技术,在分析伪码自相关函数曲线的基础上,利用小波变换能检测信号奇异性的特点,给出码环鉴相误差,从而改变了传统的鉴相器结构,能够达到有效抑制多径的目的。

进一步,所述的数据处理器包括:至少2个相互并联的相关器,混频器分别与这些相关器串联。

进一步,本地伪码发生器产生的伪码依次延时输入各个相关器。

进一步,本地载波信号的余弦值通过余弦表读取。

采用本发明的有益效果:采用这样的环路系统,提高了多径抑制效果,提高了定位精度。

附图说明

图1为本发明的小波鉴相的伪码跟踪环路结构示意图;

图2为本发明的小波变换的多径抑制方法流程图;

图3为本发明的直达信号和带有不同多径信号的自相关函数曲线示意图;

图4为本发明的Mallat小波分解与重构滤波器组示意图;

图5为本发明的多级小波分解与重构滤波器组示意图;

图6为本发明的伪码跟踪过程中的自相关函数曲线示意图;

图7为本发明的信噪比SNR=-20dB时的伪码自相关函数曲线示意图;

图8为本发明利用db3小波对自相关函数进行3层尺度分解所得到的小波变换结果示意图;

图9为本发明存在一条多径信号时本方法和EML鉴相方法伪码跟踪误差曲线示意图;

图10为本发明存在三条多径信号时本方法和EML鉴相方法伪码跟踪误差曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。

如图2所示的,一种基于小波变换的多径抑制方法,该方法包括如下步骤:

S1,输入中频信号与本地载波信号通过混频器进行载波剥离处理;

S2,步骤S1中的经过载波剥离后的信号分别与本地伪码发生器中输出的至少2个不同相位的本地伪码同时经过相关器,将该信号中的伪码剥离,得到至少2个相关值信号;

S3,步骤S2中经过相关器处理后输出的至少2个相关值信号,经过小波鉴相器进行小波变换得到所述的相关值信号斜率突变点的位置,根据所述斜率突变点的位置计算得到伪码鉴相误差值;

S4,步骤S3中的伪码鉴相误差值经过环路滤波器与本地伪码数据振荡器到达本地伪码发生器,调整本地伪码发生器中的伪码。

如图1所示,一种基于小波变换的多径抑制系统,该系统包括:信号接收器、混频器、数据处理器、小波鉴相器、环路滤波器、本地伪码发生器;

信号接收器、混频器、数据处理器、小波鉴相器、环路滤波器、本地伪码发生器与数据处理器依次串联形成环路;

信号接收器,用于接收中频信号和本地载波信号;

混频器,用于将信号接收器中的中频信号和本地载波信号进行载波剥离处理;

数据处理器,用本地伪码发生器输出的多个不同相位的本地伪码把经过混频器载波剥离出来的信号中的伪码剥离,得到至少2个相关值信号;

小波鉴相器,用于接收数据处理器处理后的信号,将这些信号进行小波变换,计算得到伪码鉴相误差值;

环路滤波器,用得到的伪码鉴相误差值调节本地伪码发生器中的伪码。

1、伪码自相关函数斜率突变点不变性原理

在不考虑导航数据d(t)的情况下,多径信号模型可以写成

假设这时载波已经实现同步,且A=1,则经本地伪码相关后得到的同相对准支路的相关值为

其中,为直达信号的伪码时延估计,为直达信号伪码相位估计误差,则伪码的自相关函数可以表示为

由于多径信号的伪码时延大于直达信号的伪码时延,即τi≥τ0,i=1,…M,则

τ0i≤0,i=1,…M (1-4)

由式(1-2)、(1-3)和(1-4)可知,当τ由-τc变化到τc过程中,伪码的自相关函数R′(τ)出现非零值的点是与(1-3)式中等号右边第二项无关的,即与多径信号是无关的,由此可知带有多径信号的伪码自相关函数斜率突变点是不随多径信号的有无变化的,图3分别给出了不存在多径信号、存在一条多径信号、存在两条多径信号和存在三条多径信号情况下的GPS伪码自相关函数曲线,从图中也可以看出自相关函数斜率突变点的位置不受多径信号的有无影响,因此,检测到自相关函数曲线斜率突变点的位置就能得到此时的伪码相位跟踪误差,从而能在不受多径信号的影响下实现对直达信号伪码的跟踪。

2、基于小波变换的变换奇异点检测

伪码自相关函数斜率突变点不变性原理中,斜率突变点为函数曲线的一类奇异点,小波分析的思想是源于伸缩与平移方法,可以准确检测突变点的位置。

(1)连续小波变换及其离散化

小波函数的确切定义为:设ψ(t)为一平方可积函数,即ψ(t)∈L2(R),当傅里叶变换ψ(ω)满足的条件如下:

就称ψ(t)是一个基本小波函数,其中,式(1-5)是小波函数的可容许条件。为得到一个连续小波系列,可以将小波母函数ψ(t)进行伸缩平移。令:

式(1-6)中,a代表尺度因子,b代表平移因子,ψab(t)代表小波基函数,其依赖于参数a,b,因为a以及b是连续改变的,所以ψab(t)又叫做连续小波函数基。

由于在实际中计算机无法进行模拟处理,只有将信号进行离散才能方便分析与处理,因此,为了计算机易于实现,将小波离散化处理,目前常用的方法是进行二进小波变换,即选取尺度参数为数列{2j}j∈Z

下面首先给出二进小波的定义,假设ψ∈L2(R)∩L1(R),且存在常数A,B,其中0<A≤B<∞,使得满足下式

则称ψ为二进小波,式(1-7)是稳定性条件,当且仅当A=B时可以达到最稳定状态。对于二进小波函数ψ,令

可得尺度是2j与位置是x的函数f,其小波变换公式如下:

称序列是二进小波变换,W是其变换算子,当尺度是2j时,为f(x)的细节信号。

(2)多分辨分析和Mallat算法

在对信号的局部特性进行分析时,总希望构造出一个在时域、频域都具有良好局部特性的小波基。现有构造小波基的方法有2种:1、直接构造法,但这种方法找到的小波基无法在时频域上同时具有良好的局部化特性;2、多分辨率分析法,又称空间分解法,它建立在函数空间概念的基础上,它把函数空间按照一定规律分解为具有某种特性的一系列子空间序列。多分辨分析具有的性质如下:

(1)单调一致性:Vj∈Vj+1,对任意j∈Z

(2)渐进完全性:

(3)伸缩完全性:

(4)平移不变性:

(5)Riesz基存在性:存在φ(t)∈V0,使得{φj(2-j/2t-k)|k∈Z}构成Vj的Riesz基。关于Riesz的具体说明如下:

若φ(t)是V0的Riesz基,则存在常数A,B,且使得:

即下式成立

多分辨分析可以对函数空间进行构造,且这些函数空间是相互嵌套的,即

小波函数构成的空间为相邻两个函数空间的差,即

对由于所以对都有g(x)∈Vj+1,那么φ(t)的展开式可以表示为

假设任意信号f(t)∈Vj-1在Vj-1空间的展开式为:

将f(t)进行一次分解,即分别投影到尺度空间Vj与小波空间Wj为:

cj,k和dj,k是j尺度上的展开系数,同时有:

令2-jt-k=2-jt′,则有2-(j-1)t-n=2-(j-1)t′+2k-n,由式(1-17)得到

由以上式子可以得到

以上式子就是Mallat小波分解的表达式,所以,只要计算出空间Vj-1的分解系数,就可以将展开系数h(n)和g(n)分别与其进行乘累加,从而得到在空间Vj和Wj的分解系数。

类似的,由多分辨率分析可知Vj⊥Wj,因此存在

上式两边同时与f(t)做内积即得到

上式即为Mallat小波重构的表达式,图4给出了滤波器组结构图,图中分解的低通滤波器和高通滤波器的单位冲击响应分别为h(-n)和g(-n),重构的低通滤波器和高通滤波器的单位冲击响应分别为h(n)和g(n)。可以证明式(1-19)、(1-20)和(1-21)与图3所示的结构图等效。

上图3给出了以及分解与重构的示意图,当推广到多级变换的时候,重构的方式也类似,图4给出了多分级重构算法的结构示意图。

(3)信号的奇异点检测

在信号分析中,信号奇异点包含了很重要的信息,自相关函数曲线的左侧奇异点包含了此时的码鉴相误差信息,因而对信号的奇异点分析尤为重要,而小波变换对信号奇异点有很高的灵敏度,且它已成功地应用到边缘检测和时变信号检测中,本节将介绍一下利用小波变换对信号进行奇异性检测的方法。

小波变换常常由Lipschitz指数来刻画函数的局部正定性,小波变换模的极大值在尺度十分精细的条件下会收敛于信号的奇异点,并且衰减的速度快慢与奇异点的Lipschitz指数有关。

设n为不小于零的整数,n<α≤n+1,若有常数A和h0>0,与n次多项式Pn(h),对任意的h≤h0,均有

|f(x0+h)-Pn(h)|≤A|h|α (1-22)

则称f(x)在点x0为Lipschitz指数α,Pn(h)就是f(x)在x0点做Taylor级数展开的前n项。

可以看出,函数在点x0处的奇异性大小可以由f(x)的Lipschitz指数α刻画,f(x)在x0越光滑,α越大,反之亦然,对于如图3所示的伪码自相关斜坡函数R′(τ),其再斜率突变点处可微,但是一阶导数不连续,其Lipschitz指数就为1。

另外,在对信号进行小波变换时,选择正确的小波函数至关重要,若选择的小波函数不当,对信号进行变换后得到的检测结果可能是不准确甚至是错误的,因而,本文对伪码自相关函数曲线进行小波变换而选择小波函数时,需要考虑以下几点:

(1)ψ(t)有紧支集;

(2)ψ(t)连续可微;

(3)ψ(t)有N阶消失矩;

(4)ψ(t)具有对称性。

均符合上述条件的正交小波基是本文选择小波函数的依据。

3、基于小波变换的跟踪环路设计

基于上述分析,假设在伪码跟踪环路中,载波已经同步,且在捕获阶段已经将伪码误差提高到半个码片以内,设一个码片的宽度为τc,一个码片的采样点数为N,为得到多径干扰下的伪码自相关函数,对本地产生的伪码每隔一个采样点依次进行延时,得到M(M可以取1.5N≤M≤2N)路不同相位的本地伪码,再与混频器的输出进行相关后送入M个积分累加器进行累加,累加后的M个累加值形成伪码的自相关函数曲线,之后对其进行小波变换得到斜率突变点的位置,达到伪码鉴相目的。

图6给出了未实现和实现伪码跟踪的自相关函数曲线,从图中可以看出,当完全实现伪码跟踪时,自相关函数的斜率突变点应该在1τc(IP支路超前一个码片的位置),假设伪码跟踪过程中的t时刻,检测到自相关函数的起点在nτc的位置,则此时的鉴相误差Derr可以表示为

Derr=(n-1)τc (1-23)

上述过程可以理解为一种小波鉴相器,它改变了传统的鉴相器结构,用小波变换检测自相关函数曲线斜率突变点位置后经过计算得到伪码误差。鉴相结果的精确度与一个码片的采样点数成正比,较高的精确度会增加实现的复杂度,因此,在实际应用中要做取舍,本专利所提出的一种新的多径抑制方法所形成的伪码跟踪环路结构如图1所示,图1中本地伪码发生器所产生的伪码经过M路延时后得到即时码,环路主要工作在伪码自相关函数曲线的左侧。

4、性能仿真与分析

本专利采用db3小波对伪码自相关函数进行小波变换;采用码长为1023的C/A码,并设一个码片的采样点数为100。因为载波对多径的影响很小,则可同时假定载波已经实现同步,单纯考察上述方法对多径的抑制效果,并与传统的超前-滞后(EarlyMinusLate,EML)鉴相方法进行了对比。

(1)伪码自相关函数曲线斜率突变点检测

由于实际中形成的伪码自相关函数曲线并不是平滑的,图7和图8分别给出当信噪比SNR为-20dB时的自相关函数曲线(左侧一段)和利用db3小波对其进行3层尺度分解后的小波变换结果曲线。如图7所示,当没有噪声时自相关函数曲线的斜率突变点在第80个采样点,而受到噪声污染的曲线斜率的突变点变得不明显,图8中,对受噪声污染的自相关函数曲线进行小波变换,由小波变换的模极大值性质,可以明显的检测到斜率突变点的位置。

(2)伪码跟踪误差的仿真结果比较

图9和图10分别给出了在信噪比SNR=-20dB的条件下,分别存在一条和三条多径信号时,本文方法和EML鉴相方法的伪码跟踪误差比较曲线,其中,一条多径信号的多径衰减系数a1=0.6,码延时τ1=0.4τc;三条多径信号的多径衰减系数为a1=0.6,a2=0.2,a3=0.3,码延时分别为τ1=0.4τc2=0.2τc3=0.3τc,从图9和图10中可以看出,本文方法对多径的条数不敏感,当误差稳定后,传统的早迟伪码延迟锁定环路存在着较大的跟踪误差,而本方法的伪码跟踪环路能实现精确的跟踪。

在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例,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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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