多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法
【专利摘要】本发明公开了多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法，其步骤为：根据BOC调制信号的统计特性，设计旁瓣抑制相关器，使得接收机跟踪到主瓣而不是旁瓣、输出具有单峰特性并且相关函数随时延的增加单调递减；建立多径环境下GNSS信号传播模型，接收机首先根据相关器输出判断接收信号是否存在视距信号，若存在视距信号，采用最大似然估计得到实时位置信息，运用牛顿迭代法更新幅度、时延、相位等参数，若不存在视距信号，则利用最先到达多径分量的统计特性修正视距传播时延。本发明设计的多径环境下GNSS无模糊处理接收机有效克服了多径衰落和BOC信号自相关函数多峰特性的影响，定位精度可以逼近克拉美罗界。
【专利说明】多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及全球卫星导航系统定位【技术领域】，具体涉及多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法。
【背景技术】
[0002]全球卫星导航系统(globalnavigat1n satellite system, GNSS)可以全天候、广覆盖、实时地为海陆空各领域提供通信和导航服务。随着无线通信技术的发展，卫星导航系统凭借其在信息【技术领域】的独特优势，正逐步取代传统的地面无线电导航、天文测量和大地测绘技术，成为人类社会生产生活中普遍采用的导航定位手段。对于下一代GNSS，二进制偏移载波(binary offset carrier,B0C)作为一种新型的波形信号广泛应用于现代全球定位系统(global posit1ning system, GPS),伽利略定位系统(Galileo posit1ningsystem)和北斗卫星导航系统(Beidou satellite navigat1n system, BDS)。在 BOC 调制中，信号由伪随机序列与方波亚载波相乘得到。与当前导航频段采用的二进制相移键控(binary phase shift keying,BPSK)相比,BOC信号实现频谱分离的同时,提高了接收机的码跟踪精度和抗多径干扰能力。
[0003]对于GNSS接收机，通常认为BOC调制比BPSK调制具有更强的抗多径衰落性能。早期简单的码跟踪方法采用时延锁相环(delay lock loop, DLL)预测每个相关采样的时延。多径估计延迟锁相环(multipath estimat1n delay lock loop, MEDLL)技术比较具有不同幅度、时延、相位等参数的自相关函数，估计得出最符合接收序列的本地信号，但该方法在短时延和密集多径的情况下效果并不理想。
[0004]然而，BOC信号体制的主要缺陷在于自相关函数的多峰特性，这将在码跟踪环节出现潜在的模糊性问题。常见的无模糊捕获和跟踪方法包括BPSK-1ike技术，Bump-jumping技术和旁瓣抑制技术。BPSK-1ike技术和Bump-jumping技术通过比较自相关函数主峰和副峰幅度，确定本地信号是否与接收序列同步，但该方法不适用于信噪比较低的情况。旁瓣抑制技术通过生成不同与接受序列的本地信号，利用多个相关器和滤波器有效去除旁瓣对码跟踪精度的影响，但该方法降低了相关函数主峰的尖锐程度，运算复杂度也显著提高。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了提高全球卫星导航系统接收机的定位精度，本发明提供多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法。
[0006]技术方案:为解决上述技术问题，本发明提供的多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法，其实现包括以下步骤:
[0007](—)根据BOC调制信号的统计特性，设计旁瓣抑制相关器，使得接收机跟踪到主瓣而不是旁瓣、输出具有单峰特性，并且相关函数随时延的增加单调递减；
[0008](二)建立多径环境下GNSS信号传播模型,定义接收到的复GNSS信号和本地载波的无模糊相关函数|R?(t) I ;
[0009](三)接收机根据相关器输出判断接收信号是否存在视距信号，若存在视距信号，接收机采用最大似然估计得到实时位置信息，运用牛顿迭代法更新幅度、时延、相位参数，若不存在视距信号，则利用最先到达多径分量的统计特性修正理想状态下视距传播时延；
[0010](四)设计多径环境下GNSS无模糊处理接收机，采用牛顿迭代计算多径时延，定位精度可以逼近克拉美罗界CRB。
[0011]所述步骤(一)中设计旁瓣抑制相关器采用波形为正弦信号的亚载波代替传统的方波亚载波，包括如下步骤:
[0012](I)将接收到的BOC调制信号r(t)与本地同相正弦亚载波信号S1 (t)进行相关运算得到R1(T)；
[0013](2)将接收到的BOC调制信号r(t)与本地正交余弦亚载波信号sQ (t)进行相关运算得到Rq(T);
[0014](3)将同相相关函数R1(T)和正交相关函数&(0进行平方和运算得到无模糊相关函数R( τ )。
[0015]所述步骤(二)多径环境下解调后接收复GNSS信号可以表示为
[0016]
【权利要求】
1.多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法，其特征在于:包括以下步骤: (一)根据BOC调制信号的统计特性，设计旁瓣抑制相关器，使得接收机跟踪到主瓣而不是旁瓣、输出具有单峰特性，并且相关函数随时延的增加单调递减； (二)建立多径环境下GNSS信号传播模型，定义接收到的复GNSS信号和本地载波的无模糊相关函数|R?(t) I ; (三)接收机根据相关器输出判断接收信号是否存在视距信号，若存在视距信号，接收机采用最大似然估计得到实时位置信息，运用牛顿迭代法更新幅度、时延、相位参数，若不存在视距信号，则利用最先到达多径分量的统计特性修正理想状态下视距传播时延； (四)设计多径环境下GNSS无模糊处理接收机，采用牛顿迭代计算多径时延，定位精度逼近克拉美罗界CRB。
2.根据权利要求1所述的多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法，其特征在于:所述步骤(一)中设计旁瓣抑制相关器采用波形为正弦信号的亚载波代替传统的方波亚载波，包括如下步骤: (1)将接收到的BOC调制信号r(t)与本地同相正弦亚载波信号Sl(t)进行相关运算得到 R1 ( τ ); (2)将接收到的BOC调制信号r(t)与本地正交余弦亚载波信号sQ(t)进行相关运算得到 Rq ( τ ); (3)将同相相关函数RJτ )和正交相关函数RQ( τ )进行平方和运算得到无模糊相关函数R( τ )。
3.根据权利要求1所述的多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法，其特征在于:所述步骤(二)多径环境下解调后接收复GNSS信号可以表示为
P.r(t) = A(t)s(t - r)e 如 +^ap (t)s(f - τρ )ei<Pp + n(t)
p=\ 式中，A(t)表示视距分量的幅度，τ表示视距信号传播时间，史表示载波相位偏移，P表示多径信号的数目，ap(t)表示第P条多径分量的幅度，τρ表示第P条多径分量的时延，終表不第P条多径分量的相位偏移，n(t)表不复噪声。 假设信号的幅度和传播时延在单位观测时间内保持不变，在只有视距传播信号的情况下，传输过程可以看作加性高斯白噪声AWGN卫星信道，在存在多径反射信号的情况下，接收信号可以简化为视距分量和最先到达的非视距分量，根据中心极限定理，密集多径条件下接收信号模型可以简化为单路径传播，即接收到的复GNSS信号可以简化为
r (t) = As (t- τ ) +as (t_ ε ) +n (t) 式中，A表示视距相量，τ信号传播时间，a表示最先到达的非视距幅度相量，ε表示最先到达的非视距幅度分量； 定义接收到的复GNSS信号和本地载波的无模糊相关函数为
4.根据权利要求1所述的多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法，其特征在于，所述步骤(三)包括如下步骤: 若无模糊相关函数|R?(0 I大于或等于门限δ，则存在视距传播信号，此时接收信号r(t) = As(t- τ )+as(t_ ε )+n (t)，接收机采用最大似然估计得到实时位置信息，运用牛顿迭代法更新视距分量和最先到达的多径分量的幅度、时延、相位； 若无模糊相关函数|R?( τ ) I小于门限δ，则不存在视距传播信号，此时接收信号r(t)=as(t_ ε )+n (t),接收机首先估计得到最先到达的多径分量的幅度、时延、相位等参数,根据多径分量到达时间间隔服从指数分布的特性，采用最大似然估计修正理想状态下视距分量传播时延。
5.根据权利要求1所述的多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法，其特征在于，所述步骤(四)包括如下步骤: 多径环境下传播时延的克拉美罗界CRB表示为
当接收信号不存在视距分量时，接收信号可以看作最先到达的多径分量和噪声的叠加，此时，多径环境下概率密度函数为
同理可得多径分量的幅度为.RJc)
多径时延的迭代公式为
根据早迟门同步法，上式可以改写为
多径分量到达时间间隔服从指数分布，将最先到达的多径时延S1, ε2，...，εη作为样本，采用最大似然函数
式中，f(e1；x)表示指数分布函数，利用多径时延得到τ的最大似然估计量为
τ = min{ ε 17 ε 2，…，ε J。
6.根据权利要求4所述的多径环境下全球卫星导航系统接收机无模糊处理方法，其特征在于: 当接收信号存在视距分量时，多径环境下接收信号的概率密度函数为
式中，θ = (τ, e,A,a) e Θ是最大似然估计的四个参数，σ 2是AWGN的平均功率。假设积分时间T是GNSS信号周期的整数倍，最大似然函数可以表示为
式中，Rss( ε - τ )表示s(t_ τ )和s(t_ ε )的自相关函数，它是一个仅取决于ε和τ的实数
求偏导，幅度相量为
采用牛顿迭代估计传播时延τ和ε
【文档编号】G01S19/37GK104199067SQ201410490152
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】叶芝慧, 冯奇, 吕珺, 张乃通 申请人:南京大学