基于并行SCPC与HRC相结合的高阶BOC信号多径抑制算法的制作方法

本发明涉及导航通信信号处理，具体为一种基于并行SCPC与HRC相结合的高阶BOC信号多径抑制的问题。

背景技术：

目前全球存在多种卫星导航系统，如美国的全球定位系统(GPS，Global Position System)、中国的北斗系统、俄罗斯的全球卫星导航系统(GLONASS，Global Navigation Satellite System)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo System)等，各卫星导航系统快速发展带来了丰富的导航信息，但是也由此造成了严重的频带拥挤，由此提出了一种新的调制方式—二进制偏移载波调制(BOC,Binary Offset Carrier)，以此来解决上述问题。但与此同时也带来了新的问题，由于BOC信号自相关函数的多峰性会导致BOC信号的捕获模糊以及跟踪点误锁。对于跟踪阶段如果仍然使用传统超前减滞后延迟锁定环即EML(Early Minus Late)锁定环进行跟踪就会产生多个跟踪点，其中包含错误的跟踪点，如果锁定到错误的跟踪点将会严重影响跟踪精度，产生很大的测量误差，其中多径误差是影响精确定位的主要误差来源。

综上所述，BOC信号的提出解决了目前频段拥挤的问题，BOC信号将会是未来导航通信甚至移动通信领域中非常重要的一种调制信号。所以对它的研究是很有必要的，同时选取合适的多径抑制方法，提高BOC信号的跟踪精度也是研究BOC信号的重要环节。

目前对高阶BOC信号多径抑制算法的研究较少，为了减小测量误差提高BOC信号跟踪精度，需要利用一些方法对信号的多径影响进行抑制。现在已经存在多种多径抑制方法，文献“相飞.卫星导航接收机干扰及多径抑制方法研究西安电子科技大学,2013”将这些方法总体上可以分为空域和时域两大类。空域技术不适用于动态环境；时域是关于数字信号处理的技术。时域处理技术又可以分为两类，一种是对多径成分的参数进行估计，根据得到的参数将多径影响去除，如多径估计延迟锁定环、斜度延迟锁定环、rake接收机等技术。另一种是对相关器和码环鉴别器进行改进，文献“Chen J,Automatic estimation of EM parameters in tau-domain.Exploration Geophysics,1998”提出的窄相关技术与文献“纪元法.一种Strobe相关器及其多径抑制性能研究.宇航学报,2007”提出的Strobe技术以及HRC(High-resolution correlator)等都属于对鉴别器改进的方法等。文献“Julien O.ASPeCT:unambiguous Sine-BOC(n,n)acquisition/tracking technique for navigation applications.IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems,2007”提出的Aspect算法以及文献“Yao Z.Unambiguous sine-phased binary offset carrier modulated signal acquisition technique.IEEE Transactions on Wireless Communications,2010.”提出的基于伪相关函数的算法都能实现无模糊跟踪，但是都只适用于调制阶数为2的BOC信号，不适用于高阶的BOC信号。因此本发明提出基于并行SCPC(Sub Carrier Phase Cancellation)与HRC相结合的高阶BOC信号多径抑制算法.

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题，针对BOC信号的多峰性会导致传统的跟踪环路出现跟踪模糊不利于多径抑制以及对高阶BOC信号的多径抑制方法研究匮乏的问题，本文提出了一种将并行SCPC与HRC相结合的高阶BOC信号多径抑制算法。该算法首先是利用并行SCPC算法得到无模糊的与BPSK信号的相关函数相似的相关函数，然后在此基础上利用超前、滞后和远超前、远滞后两组相关器进行线性组合实现对高阶的BOC信号的多径进行抑制，能够达到抑制多径的目的。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：基于并行SCPC与HRC相结合的高阶BOC信号多径抑制算法，其步骤在于，将接收到的BOC信号经过射频前端处理后得到待用的BOC信号；生成本地BOC信号，并将本地BOC信号进行两组不同间隔的超前滞后处理，得到一组超前、滞后码与一组远超前和远滞后码，并将他们分别转换成正交与同相分量；将进行前端处理后的BOC接收信号进行载波分离，得到正交与同相分量；与生成的本地BOC的正交与同相进行相关处理；进行信道合并；将合并后的相关结果进行超前减滞后处理得到两组鉴别曲线；将得到的两组鉴别曲线进行线性组合得到新的HRC鉴别曲线。

HRC相关应用在BPSK信号上能够很好地抑制多径影响，而且BOC信号的调制是在BPSK信号的基础上利用副载波进行了再次调制，由于副载波的再次调制使得BOC信号的功率谱出现裂谱，自相关出现多峰性，当多BOC信号进行并行SCPC算法后得到自相关于BPSK信号的自相关类似，因此将并行SCPC算法与HRC相关结合使用时，会发现得到的多径误差包络面积减小很多，可以达到对BOC信号的多径抑制效果。

本发明将并行SCPC算法与HRC相关结合使用对多径进行抑制，分析推导了并行SCPC算法与HRC相关的实现原理与步骤，验证了两算法结合得到的新算法的有效性，实现了对高阶BOC信号的多径的抑制，克服了跟踪环路出现多个跟踪模糊点、测距误差大等问题，能够实现对抗多径性能高要求的监测工作。

附图说明

图1本发明多径抑制算法实现的具体流程图；

图2本发明并行SCPC算法的原理框图；

图3本发明BOC(15,2.5)信号自相关和并行SCPC算法的对比仿真图；

图4本发明BOC(1,1)信号多径与直达信号自相关对比图；

图5本发明HRC相关图；

图6本发明BOC(15,2.5)信号的EML鉴相输出图；

图7本发明BOC(15,2.5)信号新的鉴相器输出曲线；

图8本发明BOC(14,2)信号新的鉴相器输出曲线；

图9本发明BOC(15,2.5)多径包络误差图；

图10本发明BOC(14,2)多径包络误差图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实例，对本发明的实施作进一步的描述。

图1所示为本发明多径抑制算法实现的具体流程图，具体步骤：将接收到的BOC信号经过射频前端处理后得到待用的BOC信号；生成本地BOC信号，并将本地BOC信号进行两组不同间隔的超前滞后处理，得到两组超前、滞后码，并将他们分别转换成正交与同相分量；将进行前端处理后的BOC接收信号进行载波分离，得到正交与同相分量；与生成的本地BOC的正交与同相进行相关处理；进行信道合并；将合并后的相关结果进行超前减滞后处理得到两组鉴别曲线；将得到的两组鉴别曲线进行线性组合得到新的HRC鉴别曲线，从而实现对高阶BOC信号的多径影响进行抑制。

图2所示为并行SCPC算法的原理框图。载波振荡器振荡出同相与正交的载波信号对接收信号进行解调，本地伪码与本地副载波振荡器生成本地BOC码，与接收到的解调后的BOC信号进行相关处理，最后经过信号的合并得到无模糊类似于BPSK信号的相关函数。SCPC算法的实质是将BOC信号的副载波进行剥离，避免有副载波调制产生的模糊问题。

接收到的BOC信号经过射频前端处理后得到：

r(n)＝Ad(nT_s-τ)c(nT_s-τ)sc(nT_s-τ)cos(2π(f_IF)nT_s)+N(n) (1)

式中，A表示接收信号的幅度，τ是信号的传播时延，d(n)为导航数据，c(n)代表伪码序列，T_s是采样间隔，sc(n)表示副载波序列，f_IF表示接收信号的中频频率，N(n)为高斯白噪声。根据并行SCPC的原理框图，可以得到I,Q支路的输出为：

$R_I\left(n\right)=F^{-1}\{\[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\left(I\right(n)+jQ(n\left)\right)e^{-j2\mathrm{\π}kn/N}\]\×\[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{z}_I\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\π}kn/N}\]\}---\left(2\right)$

$R_Q\left(n\right)=F^{-1}\{\[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\left(I\right(n)+jQ(n\left)\right)e^{-j2\mathrm{\π}kn/N}\]\×\[\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{z}_Q\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\π}kn/N}\]\}---\left(3\right)$

式中：

I(n)＝r(n)cos(2π(f_IF)nT_s) (4)

Q(n)＝r(n)sin(2π(f_IF)nT_s) (5)

z_I(n)＝c(n)sgn(sin(2πf_scnT_s)) (6)

z_Q(n)＝c(n)sgn(cos(2πf_scnT_s)) (7)

N表示BOC信号的调制阶数，则通过信道组合后可得到BOC信号的相关函数为

$R_{scpc}=R_I^2+R_Q^2---\left(8\right)$

图3所示的是BOC(15,2.5)的自相关函数与并行SCPC算法得到的相关函数的对比图，由图3可知，BOC信号的自相关函数存在多峰，经过并行SCPC算法处理后相关函数得到了类似于BPSK信号的相关函数，消除了由于副载波调制导致的副峰。

对于多径抑制算法的介绍，首先简单介绍一下多径。多径效应是指除了接收到的直达信号外，还存在衰落的反射信号，在多径环境下接收到的信号即为直达信号与衰落的信号的总和，图4所示的是BOC(15,2.5)信号自相关和并行SCPC算法的对比仿真图，为了更好的观察现象，选取的是调制阶数为2的BOC信号，本文采用两径信号进行分析，多径信号的幅度选为0.5，延时为1/24chips。根据仿真图可知，在多径信号的影响下，BOC信号的自相关函数发生了一定的畸变。

当接收机完成信号的捕获后进入跟踪阶段，码相位的跟踪由延迟锁定环DLL实现，包括码环路鉴相器、环路滤波器和码NCO，本文采用EML鉴别器进行分析。图5是本发明HRC相关图，图中E,L表示超前滞后码，vE,vL表示远超前远滞后码，HRC相当于有两组EML码线性组合，它是由5个相关器组成，有一组超前、滞后码和一组远超前、远滞后码，超前滞后码的间隔为d，远超前远滞后码的间隔一般选取为2d,HRC的码鉴相器输出为D_HRC

D_HRC＝(E-L)-0.5(vE-vL) (9)

文献“Mcgraw G A.GNSS Multipath Mitigation Using Gated and High Resolution Correlator Concepts，1999.”给出了具有5个相关器的HRC的S曲线，表达式如式所示；

S_HRC(τ)＝|R_L(τ)|²-|R_E(τ)|²+a(|R_vL(τ)|²-|R_vE(τ)|²) (10)

式中，R_L表示利用并行SCPC算法得到的滞后的相关函数，R_E,R_vE,R_vL分别表示利用SCPC算法得到的超前、远超前，远滞后相关函数，a表示的是权系数，通常取a＝-0.5。

利用仿真实验对本发明算法的有效性进行验证，实验参数设置：实验采用EML算法对BOC(15,2.5)多径信号进行仿真，信号的采样频率为491.04MHz，多径信号的幅值为0.5，多径信号的码偏移为1/30chips，相关器的间隔为d＝1/15chips通过计算机仿真可得到BOC(15,2.5)信号的EML鉴相输出如图6所示。由图可知，在没有多径影响的情况，当跟踪环路锁定到正确的跟踪点时，对于主峰而言，当鉴相器的输出为零时，码偏移量也为零，但当受到多径影响时，码偏移量不在是零，产生了一定的误差，这将导致伪码的测距误差。

图7、图8所示为利用本文算法得到高阶BOC信号的新的鉴相器输出曲线图，实验采用本发明的算法对接收到的高阶多径信号BOC(15,2.5)和BOC(14,2)进行仿真分析，信号的采样频率为491.04MHz，实验中BOC(15,2.5)的两个间隔分别为d＝1/24chips，2d＝1/12chips，对于BOC(14,2)信号d＝17/480chips，2d＝34/480chips，仿真在理想的没有多径情况下进行，从图中可以看出在±1码片的附近处存在一段很小的过零区域，且在±11/12～±1的码片内基本上已经不存在模糊的鉴相，鉴相输出都已趋向于0，所以进过本文算法的鉴相输出只有一个稳定的过零点，消除了跟踪的模糊性，对多径效应起到了很好的抑制效果。

图9、图10代表高阶BOC信号的多径包络误差曲线图，将EML算法和本文的算法进行了对比。实验中两种信号的EML算法的间隔均为1/24个码片，信号的采样频率为491.04MHz，本文算法中BOC(15,2.5)信号的间隔为d＝1/24chi，p s2d＝1/12chips；BOC(15,2.5)信号的间隔为d＝17/480chips，2d＝34/480chips。同样采用两径信号进行试验，多径信号的幅值为0.5，由仿真图可知本文算法得到的多径误差包络要比EML算法的多径误差包络小很多，多径误差包络均改善约80％以上，且在延迟约,40m以后部分多径误差较小。对比仿真说明本文算法对高阶的BOC信号具有优越的抗多径性能，很好的抑制了多径信号的影响。

传统的多径抑制算法对BPSK信号有很好的效果，但不适用于BOC信号，且对于高阶BOC信号的多径抑制算法研究的较少，本文从该点出发将并行SCPC算法与Strobe相关结合得到了新的适用于高阶BOC信号多径抑制的算法。本算法能够有效的抑制多径的影响，消除了跟踪模糊点，提高了跟踪精度，并且抗多径误差包络的面积与传统的算法相比优化了80％以上，对于抗多径方面的研究具有一定的重要意义。