CN108469623A - 消除boc调制信号自相关函数边峰的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，旨在提供一种消除BOC调制信号边峰的方法从而解决BOC信号的捕获模糊性问题。本发明通过下述技术方案予以实现：根据BOC调制信号原理，构建BOC调制信号的泛化扩频符号波形表达式；在本地码生成器构造两路本地参考信号，分别将两路本地参考信号与接收机接收到的BOC信号进行相关运算，求解获得两组互相关函数值；根据两组互相关函数值，结合两组互相关函数的对称特性，运用设计的改进相关函数表达式对两互相关函数值进行重构运算，保持BOC信号自相关函数主峰宽度，消除BOC信号自相关函数除主峰之外的多余边峰，从而得到无边峰的BOC调制信号相关函数。

Description

消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法
技术领域
本发明涉及一种消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，能够应用于现代卫星导航***调制信号跟踪同步的技术领域，也能用于卫星导航精确定位、测量等技术领域。
背景技术
二进制偏移载波(Binary Offset Carrier--BOC)调制信号因其具有很好的频谱分离特性，使其在新一代的全球卫星导航***如GPS(Global Position System)、Galileo和北斗***中受到了广泛的应用。与传统卫星导航***所使用的BPSK(Binary PhaseShift Key)调制方式相比较，BOC信号的频谱和Gabor带宽更宽，克服了频谱混叠，从而可以充分利用频谱资源，实现频段共享和相互隔离，频谱分离，且BOC调制信号跟踪定位精度更高，抗多径能力更强。
然而BOC信号也存在着一个无法回避的缺点，BOC信号自相关函数(Auto-Correlation Function--ACF)除了主峰之外还存在着多个边峰，BOC信号自相关函数的多峰性容易导致BOC信号捕获跟踪时锁定在边峰上，造成跟踪误差，最终造成较大的测量误差。而且BOC信号的边峰数量随着调制阶数的增加而增加，接收机在同步过程中很容易误锁到其相关函数的边峰上，增加了捕获跟踪的难度。为了更好地解决这一难题，近些年针对BOC调制信号也提出了一些消除BOC信号模糊度的方法，其中比较有代表性的有：“Bump-jump”方法，通过当前输出与超前、滞后输出相比较来判定当前输出是否跟踪到最大的峰值，然而该算法对于边峰较少的情况较适用，而且一旦发生错锁，就会需要很长的时间来纠正。“BPSK-like”算法，将BOC信号的2个频谱边带进行滤波合成后形成一个与BPSK信号的自相关函数形状相同的单峰相关函数，该方法能够完全消除BOC信号自相关函数的边峰，但丧失了BOC信号在高精度跟踪方面的优势。还有一类是边峰消除法，边峰消除方法是一类基于相关函数组合消除BOC信号模糊度的方法，该类方法是使用合成相关函数的思想，组合这些互相关函数来生成一个无模糊跟踪的新相关函数，比较典型的有自相关旁瓣消除技术(Auto-correlation Side-Peak Cancellation Technique--ASPeCT)、SCPC(Sub-CarrierPhase Cancellation)方法、RZ码波形方法。ASPeCT技术中码跟踪环路中的码产生器中分别产生BOC复现信号与PRN(Pseudo Random Noise)信号，分别于接收到的BOC信号进行相关运算，再用BOC自相关函数与BOC/PRN互相关函数作差，从而消除BOC自相关函数的边峰，解决BOC信号跟踪的模糊问题，虽然实现简单灵活，但只适用于BOC(n，n)信号。副载波相位消除方法(SCPC)，SCPC方法使用同相和正交两路本地码来获得无模糊相关函数，通过在接收机构造相互正交的两路本地辅助信号，然后进行平方相加，得到类似BPSK信号曲线的无模糊相关函数，然而这种方法结果与BPSK-like方法相同，其结果形状与BPSK-like方法所得相关函数比较类似，该方法与BPSK-like方法具有相同的缺陷。RZ码波形方法通过分解AltBOC信号副载波以得到相互对称的新副载波信号，然后与接收信号进行相关运算，进而相加相乘，得到无边峰的相关函数，该方法虽然实现了无模糊跟踪，但其使用了大量的相关器，硬件实现复杂，而且大大降低了主峰的幅值，从而影响了抗互相关干扰能力。
发明内容
本发明针对BOC调制信号自相关函数存在多个边峰的问题，提供一种能够在保持BOC自相关函数主峰宽度的前提下,消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，以解决BOC信号的捕获模糊性问题。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于包括如下步骤：首先，根据二进制偏移载波BOC调制信号原理，构建BOC调制信号的泛化扩频符号波形表达式；其次，在本地码生成器构造两路本地参考信号，分别将两路本地参考信号与接收机接收到的BOC信号进行相关运算，求解获得两组互相关函数值；最后，根据两组互相关函数值，结合两组互相关函数的对称特性，运用设计的改进相关函数表达式对两互相关函数值进行重构运算，保持BOC自相关函数主峰宽度，消除BOC调制信号自相关函数除主峰之外的多余边峰，得到无边峰的BOC调制信号相关函数。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明通过构建BOC调制信号的泛化扩频符号波形表达式，然后本地码生成器设计两路本地参考信号，分别与接收到的BOC信号进行相关运算得到两组互相关函数值，最后，结合两组互相关函数的对称特性，采用改进的相关函数表达式对两组互相关函数进行重构运算，从而达到消除BOC调制信号自相关函数的边峰，并能够在保持BOC自相关函数主峰宽度的前提下,消除了BOC信号自相关函数中除了主峰之外的边峰，实现无模糊跟踪。从而解决了现有技术BOC信号自相关函数多峰性容易导致BOC信号捕获跟踪时锁定在边峰上，造成跟踪误差，测量误差较大的问题，以及BOC信号边峰数量随着调制阶数增加而增加，接收机在同步过程中很容易误锁相关函数的边峰上，增加捕获跟踪难度的技术问题。
本发明通过设计两路参考波形，并与接收到的BOC信号进行相关运算，再经过对两互相关函数进行重构运算，消除了BOC调制信号自相关函数除主峰之外的多余边峰，克服了现有技术需要使用大量相关器，硬件实现复杂，会降低主峰的幅值，影响抗互相关干扰能力的缺陷，很好地解决了跟踪时产生误锁问题，有效地提高了码跟踪的可靠性。
本发明通过设计两路本地参考波形，分别与BOC信号进行相关运算得到两组互相关函数，再采用改进的相关函数对两组互相关函数进行运算，从而消除BOC信号自相关函数的边峰，对于Sine-BOC和Cosine-BOC调制信号均适用，未破坏BOC信号高跟踪精度的优势，还可以进行扩展，应用于AltBOC调制信号无模糊跟踪，且简单易实现。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明消除BOC调制信号自相关函数边峰的工作原理流程图。
图2为本发明应用于Sine-BOC(n,n)信号边峰消除结果的曲线示意图。
图3为本发明应用于Cosine-BOC(n,n)信号边峰消除结果的曲线示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，首先，根据二进制偏移载波BOC调制信号原理，构建BOC调制信号的泛化扩频符号波形表达式；其次，在本地码生成器构造两路本地参考信号，分别将两路本地参考信号与接收机接收到的BOC信号进行相关运算，求解获得两组互相关函数值；最后，根据两组互相关函数值，结合两组互相关函数的对称特性，运用设计的改进相关函数表达式对两互相关函数值进行重构运算，保持BOC自相关函数主峰宽度，消除BOC调制信号自相关函数除主峰之外的多余边峰，得到无边峰的BOC调制信号相关函数。
消除BOC调制信号自相关函数的边峰的具体步骤包括：
(1)根据BOC调制信号原理，构建BOC调制信号的泛化扩频符号波形表达式。
BOC调制信号是在原有二进制相移相键控BPSK(Binary Phase Shift Key)调制的基础上，再调制一矩形副载波对信号进行二次扩频得到BOC信号表达式可以表示为：
s(t)＝Pc(t)*sign[sin(2πfst+φ)] (1)
式中，s(t)表示BOC信号，t表示某一时间，P表示信号的幅度，c(t)表示伪码序列，fs表示副载波频率，sign[·]表示符号函数，φ表示正弦信号相位角度，当相位角度φ分别为0°和90°时，BOC信号分别表示正弦BOC(Sine-BOC)信号和余弦BOC(Cosine-BOC)信号。
根据BOC信号表达式(1)，BOC信号的表达形式为BOC(fs,fc)，其中：BOC信号的副载波频率fs＝m×1.023MHz，扩频码速率fc＝n×1.023MHz，m和n都是基准频率的整数倍数，因此BOC信号调制阶数M＝2m/n，BOC信号BOC信号表达式也可表示为BOC(m，n)。
参考BOC信号生成原理及BOC信号表达式(1)，BOC信号s(t)可用泛化符号波形表示为：
式中，ci∈{-1,1}为伪随机码的第i个码片，i为序号，Tc指码片周期。
码片周期Tc＝1/fc，将扩频符号波形p(t)等分为2M份，每一部分的周期长度为Ts＝Tc/2M，其中M为调制阶数。因此扩频码符号p(t)可表示为：
式中，脉冲信号的表达式Ts扩频符号波形等分为2M份之后每一部分的周期长度，k为序号，k＝0,1,...,2M-1，表示码符号序列。
当BOC信号为Sine-BOC信号时，第k个BOC信号的码符号序列其中表示向下取整运算；当BOC信号为Cosine-BOC信号时，其中表示向上取整运算。
(2)本地码产生器设计两路本地参考信号，两路本地参考信号分别与接收机接收到的BOC信号进行相关运算，得到BOC信号与两路本地参考信号的两组互相关函数：
式中，分别表示BOC信号与两路本地参考信号的互相关函数，s/sx分别表示BOC信号与两路本地设计的信号，x＝1,2，τ为时延。
设计两路本地参考波形表达式定义如下：
式中，x＝1,2；cj∈{-1,1}表示伪随机码的第j个码片，j表示序号，Tc表示伪码周期，px(t)为第x组扩频符号波形。
第x组扩频符号波形
式中，与式(3)中定义一致；dx为两路本地设计的信号波形序列，可表示为：
式中，d1、d2分别表示维数为2M×1的向量；T表示转置运算。
(3)参阅图2、图3。结合两互相关函数的对称特性，通过设计的改进相关函数表达式对两互相关函数值进行重构运算，从而达到消除BOC调制信号自相关函数的边峰。
设计改进相关函数Ru(τ)表达式为：
式中，为BOC信号与本地设计信号s1的互相关函数，为BOC信号与本地设计信号s2的互相关函数。通过上式(9)的表达式计算得到新的相关函数，即消除了BOC信号自相关函数的边峰。
参阅图2。图2中虚线表示sine-BOC信号的自相关函数，实线表示sine-BOC信号经本文方法处理之后，消除了原sine-BOC信号自相关函数的边峰。
参阅图3。图3中虚线表示cosine-BOC信号的自相关函数，实线表示cosine-BOC信号经本文方法处理之后，消除了原cosine-BOC信号的边峰。

Claims (10)

1.一种消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于包括如下步骤：首先，根据二进制偏移载波BOC调制信号原理，构建BOC调制信号的泛化扩频符号波形表达式；其次，在本地码生成器构造两路本地参考信号，分别将两路本地参考信号与接收机接收到的BOC信号进行相关运算，求解获得两组互相关函数值；最后，根据两组互相关函数值，结合两组互相关函数的对称特性，运用设计的改进相关函数表达式对两互相关函数值进行重构运算，保持BOC自相关函数主峰宽度，消除BOC信号自相关函数除主峰之外的多余边峰，得到无边峰的BOC调制信号相关函数。
2.如权利要求1所述的消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于：根据BOC调制信号原理，在二进制相移相键控BPSK调制的基础上，再调制一矩形副载波对BOC信号进行二次扩频得到BOC信号s(t)
s(t)＝Pc(t)*sign[sin(2πfst+φ)] (1)
式中，t表示某一时间，P为BOC信号的幅度，c(t)为伪码序列，fs为副载波频率，sign[·]为符号函数，φ为正弦信号的相位角度。
3.如权利要求2所述的消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于：当相位角度φ分别为0°和90°时，BOC信号分别表示正弦BOC(Sine-BOC)信号和余弦BOC信号；根据BOC信号表达式(1)，BOC信号的表达形式为BOC(fs,fc)，其中：BOC信号的副载波频率fs＝m×1.023MHz，扩频码速率fc＝n×1.023MHz，m和n都是基准频率的整数倍数，因此BOC信号调制阶数M＝2m/n，BOC信号BOC信号表达式也可表示为BOC(m，n)。
4.如权利要求2所述的消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于：参考BOC信号生成原理及BOC信号表达式(1)，BOC信号s(t)用泛化符号波形表示为：
式中，ci∈{-1,1}为伪随机码的第i个码片，i为序号，Tc指码片周期。
5.如权利要求4所述的消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于：码片周期Tc＝1/fc，将扩频符号波形p(t)等分为2M份，每一部分的周期长度为Ts＝Tc/2M，其中M为调制阶数。
6.如权利要求5所述的消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于：扩频码符号p(t)表示为：
其中，脉冲信号的表达式式中，Ts表示扩频符号波形等分为2M之后每一部分的周期长度，k为序号，k＝0,1,...,2M-1，表示码符号序列。
7.如权利要求6所述的消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于：当BOC信号为Sine-BOC信号时，第k个BOC信号的码符号序列其中表示向下取整运算；当BOC信号为Cosine-BOC信号时，其中表示向上取整运算。
8.如权利要求1所述的消除BOC调制信号自相关函数的方法，其特征在于：本地码生成器构造两路本地参考信号：
式中，x＝1,2；cj∈{-1,1}表示伪随机码的第j个码片，j表示序号，Tc表示伪码周期，px(t)为第x组扩频符号波形。
第x组扩频符号波形
式中，与式(3)中定义一致；dx为两路本地设计的信号波形序列，可表示为：
式中，d1、d2分别表示维数为2M×1的向量；T表示转置运算。
9.如权利要求1或2所述的消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于：BOC信号与两路本地参考信号的两组互相关函数：
式中，s/sx分别表示BOC信号与两路本地设计的信号，x＝1,2，τ为时延，E表示相关运算符号。
10.如权利要求1所述的消除BOC调制信号自相关函数边峰的方法，其特征在于：设计改进相关函数Ru(τ)表达式为：
式中，μ表示改进相关函数的下标，s1、s2分别表示本地设计的两路参考波形，为BOC信号与本地设计波形s1的互相关函数，为BOC信号与本地设计波形s2的互相关函数，τ为时延。
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