专利名称：：中短波扩频导航系统距离差观测量提取方法
技术领域：
：本发明属于采用单频体制扩频方式的中短波无线电导航领域，具体涉及两发射台与接收载体之间距离差观测量的提取方法。技术背景扩频体制因具有抗干扰能力强、保密性强、可实现码分多址和高精度测量的优点，广泛应用于无线电导航系统中，如GPS。扩频接收机作为无线电导航系统中的关键技术设备，通过接收不同导航台发射的信号，完成扩频导航信号的捕获跟踪和数据解调，通过信号跟踪环测得接收载体距发射台的距离或两两距离差实现载体的位置解算。扩频导航系统中测距可分为伪码测距和载波测距，前者是指从接收信号伪码跟踪环中提取观测量，后者相应的是从接收信号载波跟踪环中提取距离观测量。由于扩频系统中伪码速率较载波速率小很多，信号跟踪环在相同的跟踪精度下，从伪码跟踪环中提取的距离观测量的误差较载波跟踪环中提取观测量误差大很多，因此对于高精度导航要求的情况下需要利用载波进行观测量提取。但利用载波信号跟踪提取观测量存在整周模糊度的问题。众所周知，GPS系统中，双频接收机可以较快的实现整周的计算，而对于单频的GPS接收机，需在定点位置进行长时间的测量，并采用一些如LAMBDA算法之类的算法进行载波整周的计算，但单频体制的扩频发射机和接收机具有结构简单、发射功率相应较小等优点，具有一定的应用。
发明内容本发明的目的是提供一种中短波扩频导航系统距离差观测量提取方法，以解决已有技术单纯从伪码跟踪环中提取的距离观测量的误差大，而单纯利用载波信号跟踪环提取观测量存在整周模糊度的问题。本发明通过下述步骤实现一、伪码相位观测量提取；本步骤包括先从伪码捕获环路中提取半个码片量级的距离观测量，再从伪码跟踪环路中提取小于半个码片的距离观测量；从捕获环路中提取半个码片量级的距离差观测量的具体做法为设;为一个码元宽度，单位秒；对于不同导航台信号本地码分别滑动/t,次完成信号的捕获，！对应不同的发射台(/=1,2,3...);以/=1，2的两个导航为例，可得两个导航台与接收机半个码片量级距离差观测量为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中c为实际空气中光速；完成了半个码片量级距离差观测量提取后，紧接着从伪码跟踪环中提取小于半个码片量级的距离差观测量；接收机信号处理时钟为/d，码DCO采用AU」,",位输出，则伪码速率儿血对应控制量—,为人&l个码片对应控制量为其中W^为伪码周期；则接收机通过伪码测得的伪距值为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中？;为一个码片宽度，c为实际空气中光速，/对应不同的导航台接收信号(/=1，2,3)，lj…iV为接收机环路更新次数；由该公式可知，接收机测量单台伪距值是对环路控制量累加的过程；从而可以得到在环路同一更新时刻的两个导航台伪码距离差观测量为将跟踪环路提取的距离差观测量与从捕获环路中提取的半个码片量级的距离差观测量相加便得到可用于定位解算的距离差观测量^fo」W」W"至此完成了伪码相位测量观测量的提取；二、载波相位距离差观测量的提取；本步骤分为两个部分整数部分的提取和小数部分的提取；整数部分为接收机分别与两个发射台之间距离差整数个载波周期部分，小数部分为接收机分别与两个发射台之间距离差扣除整数载波周期后剩下的不足一个载波周期部分；一载波小数部分观测量的提取具体为接收机信号处理时钟为.&，载波DCO采用^。_"位输出，则载波速率/;.。,_对应控制量&。_,为J、t^〃e/"一/X丫J一y厶载波周期对应的控制量为:其中^。，为一个码周期里的载波周期个数；则通过载波相位跟踪环路控制量测得的伪距值小数部分为camerw/'=-二-^'r'ccamer=awrzerw/,+-^^^^^-^~.T.cc節w—viyw=c冊w—wyw—,+^~~^~~^.r—e式中乙,旨为一个载波宽度；得到接收机与两个导航台载波相位距离差观测量的小数部分为:carrier—々acO'o"w=一m^/;—cflrr—m^/'^利用伪码相位观测量确定载波整周；由前面的伪码距离差观测量可得到距离差整周部分的粗略值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>通过伪码距离差观测量得到的距离差整周部分存在W,。r！，WOT能值。对应载波相位距离差)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>:同样存在三种可能值:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>将得到的三组载波相位距离差观测量与伪码相位距离差观测量必」m/—mA进行比较，这三组可能值中与伪码距离差观测量^jm^"^最为接近的值是真实的载波相位距离差观测量。本发明针对中短波扩频体制无线电导航系统提出了一种伪码-载波联合观测量提取方法，利用伪码相位提取的距离差观测量确定载波整周数，利用载波相位跟踪环提取小数部分距离差观测量，从而完成载波相位高精度的观测量提取。发明中通过采用改变伪码跟踪环的相关间隔得到的距离差观测量变化趋势验证整周的正确性，采用伪码载波观测量动态变化相抵原则对动态环境下伪码距离差观测量进行平均，进一步提高了用于确定载波整周的伪码距离差观测量的准确性，从而解决了单纯从伪码跟踪环中提取的距离观测量的误差大，而单纯利用载波信号跟踪环提取观测量存在整周模糊度的问题。图1为信号接收机伪码载波跟踪电路的结构示意图，图中虚线左边的A部分由FPGA电路实现、右边的B部分由DSP软件实现。图2为伪码跟踪环不同相关间隔下距离差观测量误差与载波相位距离差观测量误差的对比图；在伪码跟踪一段时间后接收机进行了伪码载波联合观测量的提取，通过伪码提取的观测量误差在-90米左右，而完成载波相位观测量提取后的误差在IO米左右，此时伪码观测量误差与载波观测量误差差距为100米，在完成载波相位观测量提取后，伪码跟踪环由1/2相干间隔转入至1/4相干间隔，此时伪码相位距离差观测量的精度有了一定的提高，达到-60米，与载波测量误差差距得到减小，达到70米，验证了载波整周提取的正确性。图3为发明的方法应用于实际接收机后提取距离差观测量误差曲线图；图中横坐标为接收机环路更新次数，纵坐标为通过扩频导航接收机测得距离差与通过差分GPS测得距离差比对后的误差，通过本发明方法测得距离差的误差比较平稳，且较单独使用伪码相位观测量提取时误差小很多。具体实施方式具体实施方式一下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式通过下述步骤实现一、伪码相位观测量提取；本步骤包括先从伪码捕获环路中提取半个码片量级的距离观测量，再从伪码跟踪环路中提取小于半个码片的距离观从捕获支路中提取半个码片量级的距离差观测量的具体做法为设7;.为一个码元宽度，单位秒；对于不同导航台信号本地码分别滑动/fe,次完成信号的捕获，/对应不同的发射台(!、1,2,3…)；以/=1,2的两个导航为例，可得两个导航台与接收机半个码片量级距离差观测量为式中c为实际空气中光速；完成了半个码片量级距离差观测量提取后，紧接着从伪码跟踪环中提取小于半个码片量级的距离差观测量；接收机信号处理时钟为/^,码DCO采用^。<位输出，则伪码速率对应控制量《#—/XY,为l个码片对应控制量为其中乂#为伪码周期；则接收机通过伪码测得的伪距值为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中7;为一个码片宽度，c为实际空气中光速，/对应不同的导航台接收信号(/=1，2，3)，1,2…iV为接收机环路更新次数；由该公式可知，接收机测量单台伪距值是对环路控制量累加的过程；从而可以得到在环路同一更新时刻的两个导航台伪码距离差观测量为将跟踪环路提取的距离差观测量与从捕获环路中提取的半个码片量级的距离差观测量相加便得到可用于定位解算的距离差观测量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>至此完成了伪码相位测量观测量的提取；由于伪码跟踪精度较低，从伪码中提取的观测量误差较大，且抖动也比较大。需进一步从载波跟踪环中提取高精度载波相位距离差观测量。二、载波相位距离差观测量的提取；本步骤分为两个部分整数部分的提取和小数部分的提取；整数部分为接收机分别与两个发射台之间距离差整数个载波周期部分，小数部分为接收机分别与两个发射台之间距离差扣除整数载波周期后剩下的不足一个载波周期部分；载波小数部分观测量的提取具体为接收机信号处理时钟为&,载波DCO(数字压控振荡器)采用<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>位输出，则载波速率/;。,，对应控制量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>一个载波周期对应的控制量为:其中(。^为一个码周期里的载波周期个数；则通过载波相位跟踪环路控制量测得的伪距值小数部分为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>式中7;。_为一个载波宽度；因为arctan形式的鉴相函数具有较大的线性鉴相区域，一般载波相位跟踪环采用arctan形式的鉴相函数，其鉴相曲线的线性区为f-工，^，鉴相输出相同时、22实际接收信号载波相位差可能不在同一个象限，因此需将环路鉴相输出的小数部分观测量对应到一个载波周期内，即[0，2;r)内。此时利用载波相位跟踪环路中正交同相支路相关值的正负符号关系判断实际接收信号载波相位差与鉴相输出相位差的关系。表1为接收信号实际载波相位差与鉴相输出相位差之间的关系，表中cmr—为接收信号实际载波相位差。本发明以arctan形式的鉴相函数为例，对于不同的形式的鉴相函数，其鉴相曲线的线性区域也不一致，，此时同样需要将其鉴相输出的小数部分观测量对应到同一个载波周期[0,2;r)内。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>此时可以得到接收机与两个导航台载波相位距离差观测量的小数部分为:在提取了载波相位距离差观测量小数部分后需确定观测量整周部分，本实施方式中载波测距整周部分的提取建立在伪码观测量提取的基础之上，即利用伪码相位观测量确定载波整周。由前面的伪码距离差观测量可得到距离差整周部分的粗略值(i/s——code_=(iz、——code+血—C(9^fe之所以称为粗略值是因为伪码跟踪精度较差，在中短波频段扩频无线电导航系统中，码速率和载波速率往往较低，一个码片内载波个数也较少，一般信号中频过后一个码片内的载波数在5至IO个载波周期，而扩频信号伪码跟踪精度一般能达到i—i"'p，因此单台扩频信号跟踪精度可达到半个载波周期之内，即单个导航台伪码相位伪距测量误差在半个载波周期内。采用两台伪距做差后，伪码相位距离差的观测量误差一般在一个载波周期之内，因此通过伪码距离差观测量得到的距离差整周部分存在A^-hL，W,+,三种可能值。对应载波相位距G测量同样存在三种可能值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>此时将得到的三组载波相位距离差观测量与伪码相位距离差观测量cfo一_进行比较，这三组可能值中与伪码距离差观测量&——c挂最为接近的值是真实的载波相位距离差观测量。本实施方式针对中短波扩频无线电导航系统，因为在中短波扩频系统中载波频率较低，因此接收信号中频过后一个码片内的载波数也比较少，一般在5至io个之间，此时伪码跟踪环中提取伪码相位距离差观测量精度至多存在一个整周的误差。为了确保整周的正确性，本实施方式提出了利用改变伪码相干间隔的方法验证整周的正确性，众所周之，伪码跟踪环相干间隔越小，伪码跟踪精度越高。因此本实施方式提出，在计算载波整周时用的伪码相位距离差观测量先从l/2相干间隔的跟踪环路中提取，在完成载波相位距离差观测量提取后，提高伪码跟踪环的相干间隔，即伪码跟踪环从l/2相干间隔提高至l/8相干间隔，此时伪码跟踪环跟踪精度得到进一步的提高，再从l/8相干间隔的伪码跟踪环中提取伪码相位距离差观测量，这时提取的观测量精度较从！/2相干间隔码跟踪环中提取的观测量精度要高，将两个伪码相位距离差观测量与之前提取的载波相位距离差观测量进行比较以判断整周的正确性，即如果从l/8相干间隔中提取伪码相位距离差观测量较l/2相干间隔中提取距离差观测量更接近载波相位距离差观测量，则说明整周的正确性；否则存在整周模糊度，此时需将整周数加1或减1，再进行判断，符合上述条件加1或减1的整周值则为正确的整周数。如图1所示，扩频导航接收机数字信号处理部分一般均采用FPGA+DSP工作方式，这种方式用于扩频导航信号的捕获跟踪是公认己知的，例如参见ArtechHouse出版的，题为"GPSPrinciplesandApplications(GPS原理与应用)"(ISBNO-89006-793-7)一书中第5章(GPSsatellitesignalacquisitionandtracking"GPS卫星信号捕获和跟踪")。接收机中各通道的数字相关器、积分清洗器、伪码发生器、载波发生器及逻辑控制电路等由FPGA芯片来完成，DSP芯片读取各通道积分清洗器的值，依据相应的控制算法控制各通道的硬件电路，并监控环路的锁定情况，同时完成数据采集、载体位置解算等任务。采用多个通道并行工作以同时跟踪不同导航台信号。扩频导航信号的捕获跟踪环路采用公认的基于能量判决的同相正交支路实现环路的闭合，例如参见科学出版社出版的，题为"扩频通信数字基带信号处理算法及其VLSI实现"(ISBN7-03-013158-4)—书中第7章(扩频码序列的捕获)和第8章(数字延迟锁定跟踪环)。由于接收信号与本地信号之间存在频差，从单个导航台信号提取的伪距随着时间的变化有着向下或向上累积的过程，因此接收机将测量伪距做差以消除频差的影响，得到两两导航台距离差观测量。接收机信号跟踪环路中伪码和载波鉴相由DSP软件实现，得到接收信号与本地信号相位差，相位差再经过环路滤波器输出控制量取整后输入至FPGA，控制本地码和本地载波的相位，此时经过环路滤波器后的控制量取整后反映接收机本地码和载波相位滑动量，因此接收机伪距通过输入FPGA的控制量进行提取。工作过程中，接收机首先同时对不同导航台的导航信号进行捕获，使本地产生的伪码相位与接收信号伪码相位差在半个码片之内，之后转入伪码跟踪，此时接收机得到半个码片量级的伪码距离差观测量。转入伪码跟踪后，接收机即开始进行伪码相位观测量的提取，在跟踪过程中，对于不同通道的导航台信号，分别通过各自的伪码时钟输入量计算本地伪码滑动量，并按照环路的更新进行累加更可得到接收机与各个导航台之间的伪距值，将各个通道的伪距值两两做差，得到小于半个码片量级的距离差观测量，然后与从捕获环路中提取的半个码片量级的观测量相加，便可计算出两两导航台与接收载体之间的通过伪码相位提取的距离差观测量。在伪码跟踪一段时间较为稳定后，启动载波跟踪环，进行载波相位提取。对于不同导航台信号分别从伪码时钟和载波时钟输入量计算出本地伪码与载波相位滑动所对应的距离，以环路更新为累加频率，分别将本地伪码滑动距离差与载波滑动距离差做差后的值和载波相位滑动对应距离差进行累加。在载波相位跟踪环达到预设门限值后，进行载波整周的计算，此时将本地伪码滑动距离与载波滑动距离做差后的累加值对应累加次数进行平均，将平均后的值加上转入载波跟踪时刻时的伪码相位提取观测量值进行整周计算，得到距离差的整周数，再将整周数对应观测量加上载波相位滑动对应的距离差的累加值，得到利用载波相位测距的距离差观测量，从而完成伪码载波联合观测量提取。实施方式二本实施方式与实施方式一的区别在于在步骤一中，为消除由于伪码跟踪环抖动引起测距值的抖动，在计算整周前将伪码测距差进行平均以消除抖动误差；由于接收载体的动态性，在进行伪码测距差测量值时，采用伪码载波观测量动态变化相抵原则进行平均，即由于载体动态性引起的伪码观测量与载波观测量变化是一致的，在跟踪环路每一次刷新时，将伪码距离差观测量与载波距离差观测量相减后进行累加平均，从而消除载体动态性的影响。如在,,时刻接收机完成伪码的稳定跟踪并开始进行载波相位跟踪，此时伪码距离差观测量为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>从n时刻开始进行伪码距离差观测量的平均，到^时刻完成)则平均后的伪码距离观测量为:的平均，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>对应从n时刻到~时刻载波相〗立'距离差观测量的小数部分C釘—为该距离差观测量包括两部分的内容，二'是f,时刻到^时刻载体动态变化引起的载波相位变化；另一个是,,时刻接收信号与本地信号载波相位差。在V时刻利用伪码距离差观测量的平均值确定载波整周，整周对应的载波距G测量加上Cwr一Fm"/。"即可得到高精度载波相位距离差观测量。权利要求1、中短波扩频导航系统距离差观测量提取方法，其特征在于它通过下述步骤实现一、伪码相位观测量提取；本步骤包括先从伪码捕获环路中提取半个码片量级的距离观测量，再从伪码跟踪环路中提取小于半个码片的距离观测量；从捕获支路中提取半个码片量级的距离差观测量的具体做法为设Tc为一个码元宽度，单位秒；对于不同导航台信号本地码分别滑动ki次完成信号的捕获，i对应不同的发射台(i＝1，2，3…)；以i＝1，2的两个导航为例，可得两个导航台与接收机半个码片量级距离差观测量为2、根据权利要求1所述的中短波扩频导航系统距离差观测量提取方法，其特征在于在步骤一中，在计算整周前将伪码测距差进行平均以消除抖动误差(全文摘要中短波扩频导航系统距离差观测量提取方法，它涉及两发射台与接收载体之间距离差观测量的提取方法。它解决了已有技术单纯从伪码跟踪环中提取的距离观测量的误差大，而单纯利用载波信号跟踪环提取观测量存在整周模糊度的问题。本发明利用伪码相位提取的距离差观测量确定载波整周数，利用载波相位跟踪环提取小数部分距离差观测量，从而完成载波相位高精度的观测量提取。发明中通过采用改变伪码跟踪环的相关间隔得到的距离差观测量变化趋势验证整周的正确性，采用伪码载波观测量动态变化相抵原则对动态环境下伪码距离差观测量进行平均，进一步提高了用于确定载波整周的伪码距离差观测量的准确性。文档编号G01S5/14GK101216549SQ200810063839公开日2008年7月9日申请日期2008年1月11日优先权日2008年1月11日发明者徐定杰,锋沈,伟王,冰薛,郝燕玲,韦金辰,平黄申请人:哈尔滨工程大学