一种用于高精度激光测距的伪码再生测量方法及系统

本发明涉及一种用于高精度激光测距一体化的伪码再生测量方法，属于激光通信。

背景技术：

0、技术背景

1、激光通信测距技术是在激光通信技术和激光测量技术基础上提出的一种新型综合测控体制，是以激光为信息传输载体，完成对空间飞行器轨迹、星间距离测量以及时钟频率传递，实现数据传输中继和有效载荷测量信息传输的一体化系统。在当前的星间激光通信测距技术背景下，为了实现远距离的星际通信，激光测距是一种被广泛采用的方法。然而，目前存在着一些问题。由于星际环境的复杂性，在低信噪比的深空环境即在宇宙中远离地球的地方，其通信信号受到很强的干扰和噪音影响，使接收到的信号变得非常微弱，信号传输的过程中会受到干扰，导致信噪比相对较低。这种低信噪比会直接影响到测距的准确度和精度。

技术实现思路

1、为了弥补当前星间激光通信测距技术的不足，本发明的目的是提供一种用于高精度激光测距的伪码再生测量方法及系统，在利用伪码帧头测距和帧数据通信基础上，通过线性内插以及码环跟踪相位来估计发送随机数据，利用伪码再生的技术优势，通过用再生的与接受到的伪码信号相同符号长度的伪码取代之前较短的pn码，增加码环本地相关伪码长度；利用线性内插得到最佳采样点的优势，优化高精度通信测距系统，提高测距精度，能够适应超低信噪比环境，显著提高测距精度。

2、为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

3、本发明公开的一种用于高精度激光测距的伪码再生测量方法及系统，通过在接收端生成一个与捕获到的伪码信号相同符号长度的本地相关伪码，取代之前本地生成的较短的pn码，增加码环本地相关伪码长度，使得本地相关伪码与接收到的伪码信号做相关运算得到的结果更加可靠，优化高精度通信测距系统，从而弥补星间激光通信测距的不足，提高激光通信测距的准确性和稳定性。另外，本发明中，还提出利用线性内插得到的最佳采样点进行判决，取代之前的直接抽取判决，进而更准确的恢复出用来跟踪的本地码序列，通过线性内插得到最佳采样点能够适应超低信噪比环境，从而提高系统增益，以提高测距精度。

4、本发明公开的一种用于高精度激光测距的伪码再生测量方法，包括如下步骤：

5、步骤1、信号帧格式为pn码+帧数据，所述pn码即帧头，其中信号帧长为m，帧头长度为n，帧数据长度为m-n，pn码有很强的自相关性：一个序列在与时间偏移的自身版本进行相关乘积求和时具有自相关性。当时间偏移为零时，相关性最大，称为自相关峰值。其他时间偏移的相关性都较小，称为自相关旁瓣。pn码序列x(t)的自相关函数rx(τ)为公式(1)；

6、

7、其中：tc是一个码片的持续时间称为码宽，i为一任意整数，τ为自相关函数rx(τ)的自变量。

8、步骤2、伪码信号成功发送后，接收机需要对其进行捕获，通过捕获伪码信号让接收机跟踪环路成功地跟踪gps卫星信号，接收机内部所初始复制的pn码信号需与接受信号吻合到预定程度；否则，若复制信号与接受信号之间的差异超过跟踪环路的牵入范围，则环路通常会对信号失锁。

9、步骤3、接收机在开始信号跟踪之前，先需要估算出接收信号的码相位；

10、所述估算信号码相位：根据帧头的序列长度及考虑到因信号传播环境造成的误码等因素设置捕获门限值vt，当本地pn码与接收到的伪码信号做相关得到的相关峰v大于捕获门限值vt时，即为成功捕捉，继续步骤4，否则为捕获失败，若捕获失败则需要重新捕获，即返回步骤2，直到成功捕获到包含有效数据的伪码信号。

11、步骤4、伪码信号成功被捕获，则进入码环跟踪阶段，进一步计算捕获的伪码信号的精细的相位。所述码环跟踪包括三路伪码相关子步骤、超前滞后鉴相子步骤、环路滤波子步骤、nco调制相位、读取本地及解调伪码子步骤；

12、所述码环跟踪阶段，具体包括如下子步骤；

13、步骤4.1、超前即时滞后相关：接收器码环首先通过码发生器将其希望跟踪的目标gps卫星所发射的、具有相位或延时或时序的伪码信号复制为三份不同相位的伪码，三份不同相位的伪码分别称为超前、即时和滞后复制伪码，即early复制伪码、promp复制伪码、late复制伪码，并分别简称为e、p和l码，所述超前码的相位比即时码的相位略微超前，滞后码的相位比即时码的相位略微滞后，通过码环使即时码与接受的伪码信号之间的相位保持一致。然后将这三份不同相位的复制信号码分别与接收信号做相关运算，得到e和l两支路的相关结果ie、il，通过相位差异运算公式(2)计算出码相位差异δcp；

14、

15、步骤4.2、鉴相：若相关得到的δcp为零则说明此时本地码相位与接收信号码相位完全吻合，成功跟踪，继续步骤5，若δcp不为零，表明本地码相位与接受信号码相位不同步，继续步骤4.3；

16、步骤4.3、环路滤波：计算得到的码相位差异δcp作为环路滤波器的输入，环路滤波器通过判断δcp的正负来判断本地码序列与接受到的码序列之间的相位关系，根据δcp的数值大小来调节输出量δw，二阶数字式环路滤波器传递函数f(z)为公式(3)；

17、

18、其中k为环路比例系数，b0、b1为公式(4)、(5)

19、

20、

21、a2＝2ξ  (6)

22、其中ts为信号采样周期，ωn为特征频率或自然频率，ξ为阻尼系数；

23、步骤4.4、数控振荡器nco调整相位：环路滤波器的输出量作为数控振荡器nco的输入，然后振荡器输出一个相位调整量μ(k)，用来进行本地跟踪伪码的再采样；所述相位调整量为相邻两个采样点之间的相位距离；

24、步骤4.5、读取本地以及解调伪码：根据μ(k)调整两个采样点之间的相位，根据两个采样点之间的相位读取本地伪码，并且根据伪码调制方式解调伪码。

25、步骤5、在码环跟踪过程中通过对符号进行线性内插，使得采样更加准确、误码更少。

26、所述线性内插：即对每个符号进行r倍过采样，通过r设置为小数提高测距精度，则每个符号有[r]/[r+1]个采样点，对于[r]个采样点，则根据所述采样点内插出一个最佳采样点；若内插算法判断得到[r+1]个采样点，则舍弃一个然后用剩余采样点进行内插。

27、步骤6、对经过线性内插得到的最佳采样点与判决门限比较进行判决，得到每个符号采样点对应的符号值，对每个符号进行过采样，得到与接收伪码信号同长的本地伪码序列，所述伪码信号长度为pn码长度+帧数据长度。

28、步骤7、本地伪码序列与步骤4.1中的e、p、l码做相关，分别得到本地伪码序列与e码相关的乘积求和结果，基于所述三个相关的乘积求和结果，根据码相位差异δcp运算公式得到即时码与接收到的伪码信号之间的相位差异，将所述相位差异反馈用于码环跟踪，提高激光通信对目标信号的跟踪精度，进而提高激光通信测距的准确性和稳定性。

29、本发明公开的一种用于高精度激光测距的伪码再生测量系统，用于实现所述一种用于高精度激光测距的伪码再生测量方法。所述一种用于高精度激光测距的伪码再生测量系统，包括伪随机码生成模块、信号发射模块、信号接收模块、相关性计算模块、内插算法模块。

30、所述伪随机码生成模块，产生伪随机码序列作为发射信号。伪随机码在时间和频率上具有良好随机性，用于提供测距系统的发射信号。

31、所述信号发射模块，使用发射器将生成的伪随机码作为载波信号发送出去。发射过程中，伪随机码作为帧头信号模块，用于标志距离测量的开始。

32、所述信号接收模块，接收器接收到发射信号后，对接收到的信号进行采样和处理。接收器需要通过相关性计算来判断伪随机码在接收信号中的位置。

33、所述相关性计算模块，利用接收到的信号与已知的伪随机码进行相关性计算，计算结果反映信号接收时延，从而得到距离测量的结果。

34、所述内插算法模块，通过线性内插找到每个符号最佳采样点使采样更加精准，判决更加准确。

35、有益效果：

36、1、本发明公开的一种用于高精度激光测距的伪码再生测量方法及系统，通过线性内插以及码环跟踪相位来估计发送随机数据，增加码环本地相关伪码长度，相比于传统的帧头测距方式，本发明能够适应超低信噪比环境，显著提高测距精度。

37、2、本发明公开的一种用于高精度激光测距的伪码再生测量方法及系统，使用线性内插得到符号最佳采样点，相比于直接抽取判决，误码率增益显著提高，进而更准确的恢复出用来跟踪的本地码序列，对低信噪比的深空环境有更强的适应性。

38、3、本发明公开的一种用于高精度激光测距的伪码再生测量方法及系统，在跟踪过程中，使用与接收到的伪码信号相同长度的本地码序列进行相关计算，从而得到更明显的相关峰值，以提高相关计算结果的准确性和跟踪效果的优化。