一种基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法与流程

本发明属于导航技术领域，尤其涉及一种基于最优相关间隔的码相位过零点偏差方法，其可运用在卫星导航信号接收机或者其他类型的扩频接收机中。

背景技术：

在卫星导航等时间同步系统中，扩频信号的码相位是一个重要的观测量，可以为用户提供高精度无模糊的时差观测结果。如果不忽略旁瓣，扩频信号在理论上是无限带宽的。当使用有限的采样率对无限带宽的信号进行采样时，得到的数字信号就会失真。因此，在对有限采样的数字扩频信号的码相位进行估计时，除了热噪声之外，还会存在失真误差的影响，这在高精度的应用中不可忽视。

在早减迟(Earlyminus Later，E-L)码相位鉴别器中，过零点偏差是指由于采样失真引起的码相位估计误差。过零点偏差的类型有两种，一种是数字信号相关曲线的码相位分辨率不足；另一种则是数字信号自相关曲线的非对称。数字信号的时域分辨率由采样率决定。对于数字扩频信号而言，初始的码相位信息可以分布在不同的采样时刻，并且在相关域得到解析。因此，数字扩频信号相关域的码相位分辨率，要远大于时域相位分辨率。非等量采样就是通过设计非整数倍扩频码速率的采样频率，提高数字扩频码信号在相关域的分辨率，从而对由于分辨率引起的过零点偏差进行有效抑制。然而，非等量采样并没有消除自相关曲线的非对称性，因此，并不能消除由于非对称引起的过零点偏差。部分研究者提出了一种扩频信号最优采样的方法，但是这种设计对采样频率和扩频码速率的要求过高，并不利于工程实现。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法,旨在抑制早减迟数字码相位鉴别器的过零点偏差。

为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：

一种基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法，通过设计早减迟码相位鉴别器的最优相关间隔有效抑制早减迟码相位鉴别器的码相位过零点偏差，其中在已知扩频码速率fc和基带信号采样频率fs的条件下，设计的最优相关间隔D为：

一种早减迟码相位鉴别器，采用上述基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法抑制早减迟码相位鉴别器的码相位过零点偏差。具体地，通过设计早减迟码相位鉴别器的最优相关间隔有效抑制早减迟码相位鉴别器的码相位过零点偏差，其中在已知扩频码速率fc和基带信号采样频率fs的条件下，设计的最优相关间隔D为：

上述基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法，可应用于卫星导航信号接收机或者其他类型的扩频接收机中。即一种卫星导航信号接收机，包括早减迟码相位鉴别器，采用如权利要求1所述的基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法抑制早减迟码相位鉴别器的码相位过零点偏差。具体地，通过设计早减迟码相位鉴别器的最优相关间隔有效抑制早减迟码相位鉴别器的码相位过零点偏差，其中在已知扩频码速率fc和基带信号采样频率fs的条件下，设计的最优相关间隔D为：

本发明的有益效果是：

通过设计早减迟码相位鉴别器的最优相关间隔，可以有效抑制码相位过零点偏差。此外，本发明的整个实施过程中只改变了码相位鉴别器的相关间隔，不涉及矩阵求逆、特征分解等复杂运算，因此本发明实现简单，运算量小，并且实施起来也非常方便，可直接用于传统的卫星导航信号接收机或者其他类型的扩频接收机中的伪码跟踪环路中。

附图说明

图1是早迟码信号时域采样示意图；

图2是码相位的分辨率和过零点偏差的示意图；

图3是不同相关器间隔对应的码相位鉴别曲线；

图4是不同相关器间隔对应的码相位过零点偏差；

图5是码相位过零点偏差的标准差随相关器间隔变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在卫星导航等时间同步系统中，扩频信号的码相位是一个重要的观测量，可以为用户提供高精度无模糊的时差观测结果。然而，在数字码相位鉴别器中，有限采样的基带信号会使相关峰发生畸变，从而产生码相位过零点偏差。本发明提出了一种基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法，通过设计早减迟码相位鉴别器的最优相关间隔有效抑制有效抑制由于相关峰非对称引起的码相位过零点偏差。仿真结果表明，基于最优相关间隔的数字码相位鉴别器，可以将过零点偏差抑制在相关峰码相位分辨率的范围内。

具体地，本发明提供一种基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法，通过设计早减迟码相位鉴别器的最优相关间隔有效抑制早减迟码相位鉴别器的码相位过零点偏差，其中在已知扩频码速率fc和基带信号采样频率fs的条件下，设计的最优相关间隔D为：

上述基于最优相关间隔的码相位过零点偏差抑制方法，可应用于卫星导航信号接收机或者其他类型的扩频接收机中，即卫星导航信号接收机或者其他类型的扩频接收机的伪码跟踪环路中。

所述早减迟码相位鉴别器的最优相关间隔D的设计思路如下：

第一步，建立扩频信号的过零点偏差分析模型。

当早减迟码相位鉴别器使用非等量的方式对接收信号进行采样时，不同扩频码符号的采样位置存在差异。对于理论宽度相同的不同扩频码符号而言，其实际的采样点个数也可能存在差异。在早迟码相位鉴别器中，通过本地信号和接收信号的匹配相关来估计接收信号的初始相位。信号初始相位的时域分辨率取决于时域的采样间隔，但是其在相关域的分辨率同时受到扩频码速率和采样频率的影响。由于可以综合不同采样点的相位信息，通常，信号初始相位在相关域的分辨率要高于在时域的分辨率。

对于理想的无限采样的扩频信号而言，本地信号与接收信号的相关曲线是光滑对称的三角形。超前和滞后相关器分别是相关峰上关于零相位对称的两个采样点，当相关峰的中心值(即本地扩频码信号与导航接收机接收到的扩频码信号的相位差)偏离零相位时，超前和滞后的相关值也会产生偏差。早迟码相位鉴别器即是利用码相位偏差与超前和滞后相关值的差值之间的线性关系进行相位差的估计。

然而，对于数字信号而言，本地信号与接收信号的相关曲线并不是光滑对称的三角形。如图3所示，当对相关峰的细节进行放大时，可以发现相关峰呈锯齿状变化，具有一定的码相位分辨率dr，且可表示为：

dr＝1/LCM(fs,fc)

其中，LCM(a,b)表示求解a和b的最小公倍数，即LCM(fs,fc)表示求解fc和fs的最小公倍数。

第二步，定义矩形参考波形的平均采样点数。

采用码相关参考波形(Code Correlation Reference Waveform，CCRW)的方法，对早减迟码相位鉴别器的过零点偏差进行分析。假设超前相关器的本地初始码相位为滞后相关器的本地初始码相位为其中，表示准时相关器的本地初始码相位，代表接收机的本地时间；2d0表示早减迟码相位鉴别器的相关间隔。如果直接在时域让超前码与滞后码作差，可以得到矩形参考波形，且矩形参考波形的闸宽为D(D＝2d0)(即早减迟码相位鉴别器的相关间隔)。现定义矩形参考波形的平均采样点数为cs，且可以表示为：

cs＝Dfs/fc

第三步，设计早减迟码相位鉴别器的最优相关间隔。

根据参考码波形的对称性原则，当矩形参考波形的平均采样点数cs为偶数时，可以获得最优过零点偏差抑制能力。因此，下面提出一种早减迟码相位鉴别器的最优闸波宽度(即最优相关间隔D)的设计方法。

在已经设定扩频码速率fc和基带信号采样频率fs的条件下，即已知扩频码速率fc和基带信号采样频率fs的条件下设计过零点偏差抑制性能最优的相关间隔D为：

图1给出了扩频信号早迟码及其矩形参考波形的时域采样示意图，图中对初始相位为的伪随机码序列进行采样，扩频码的符号宽度为tc(＝1/fc，fc为扩频码速率)，数字信号的采样间隔为ts(＝1/fs，fs为基带信号采样频率)。假设超前相关器的本地初始码相位为滞后相关器的本地初始码相位为其中D(＝2d0)表示早迟码相位鉴别器的相关间隔。如果直接在时域让超前码与滞后码作差，可以得到矩形参考波形，且矩形波的闸宽为D。现定义矩形参考波形的平均采样点数为cs。

图2是码相位的分辨率和过零点偏差的示意图。对于理想的无限采样的扩频信号而言，自相关曲线是光滑对称的三角形。超前和滞后相关器分别是相关峰上关于零相位对称的两个采样点，当相关峰的中心值(即本地信号与接收信号的相位差)偏离零相位时，超前和滞后的相关值也会产生偏差，早迟码相位鉴别器即是利用码相位偏差与相关值偏差的线性关系进行相位差的估计。然而，对于数字信号而言，相关曲线并不是光滑对称的三角形。当对相关峰的细节进行放大时，可以发现相关峰呈锯齿状变化，具有一定的码相位分辨率dr

图3是不同相关器间隔对应的码相位鉴别曲线。码相位过零点偏差实际上就是码相位鉴别曲线的过零点偏差，以早减迟码相位鉴别器为例，对几种不同宽度的相关器间隔进行仿真。实验设置基带扩频信号的采样频率fs为100MHz，扩频码速率fc为10.23MHz，扩频码周期为10230码片，扩频码序列选用BD B3I信号的1号码，相关积分时间为1ms。根据最优相关间隔公式，此时最小的相关间隔D0为0.2046码片。下面对D0、0.5D0、0.25D0和0.125D0四组相关间隔进行仿真，如图3所示，只有D0相关间隔为的码相位鉴别器的过零点偏差最小。实际上，当相关间隔取D0的整数倍，且不超过一个码片宽度时，都可使过零点偏差最小。

图4是不同相关器间隔对应的码相位过零点偏差变化曲线。除了受到采样频率fs、扩频码速率fc和相关间隔D的影响之外，码相位过零点偏差dz还与扩频信号的初始码相位0有关。事实上，过零点偏差dz随初始码相位周期变化，且变化周期等于扩频信号的时域分辨率ts。下面仍对上述四组相关间隔进行仿真，采用相同的仿真条件，仅对初始码相位进行遍历。初始相位的取值间隔为相关曲线的分辨率dr，即10-4个码片；初始相位的取值范围为0～0.3码片，即约为三个周期。如图4所示，当相关器间隔D取D0时，过零点偏差在码相位分辨率dr(＝10-4码片)的范围内波动；而对于其他取值的相关间隔，过零点偏差的波动范围远大于码相位分辨率。

图5是码相位过零点偏差的标准差随相关器间隔变化曲线。过零点偏差方差是另一种衡量过零点偏差性能的指标，指的是不同扩频码序列对应的过零点偏差的方差，对过零点偏差的方差进行标准化之后也可以称之为过零点偏差的标准差。由于扩频码序列具有高度的随机性，因此，过零点偏差的标准差可以消除初始码相位的影响，反应过零点偏差对码相位测量的一般影响。尤其是对于长周期的扩频码序列而言，不同时间的过零点偏差不同，对码相位精度的影响可以近似为高斯白噪声。仿真结果表明，当相关间隔设置为最优时，过零点偏差的标准差最小；而相关间隔距离最优相关间隔越远，其过零点偏差的标准差也就越大。实际上，如果固定扩频信号的初始相位，不同扩频序列的过零点偏差都相同。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。