CN110109156B - 一种卫星导航多路复用调制下boc信号数字畸变分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星导航多路复用调制下BOC信号数字畸变分析方法，包括以下步骤：S100：获取卫星信号；S200：根据卫星信号求解出卫星信号的功率谱密度函数；S300：根据卫星信号的功率谱密度函数表达式，绘制出卫星信号的功率谱密度图；S400：根据卫星信号的功率谱密度图上是否出现尖峰，判断卫星信号是否发生数字畸变；S500：若卫星信号发生畸变，采用过零点计算方法精确计算出卫星信号的数字畸变量。本发明有效快捷的发现信号中发生畸变情况，并且及时精确的计算出畸变量。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航信号的数字畸变分析方法，尤其涉及一种卫星导航多路复用调制下BOC信号数字畸变分析方法。
背景技术
卫星导航从基础研究领域(天文学、力学、物理学、地球动力学等)到工程技术领域(信息传递、深空探测、空间飞行器、时间传递、测速授时等)，以及关系国民经济建设和国家安全的诸多重要部门和领域(海事、交通、救援、精准农业、地震监测、电子通讯等)等各个方面，均已占据重要地位，发挥着重要作用。可以说，卫星导航技术是各种基础理论、最新科技成果、国家科技水平和综合实力的集中体现。全球卫星导航***(Global NavigationSatellite System,GNSS)以其高精度、实时性、不受气候和地域等条件限制的特点，已发展成为在陆地交通、航海和航空中的通用导航工具，成为应用最广泛的导航技术。世界各发达国家长期以来一直致力于卫星导航领域的研究工作，以确保向用户提供更加精确的实时位置、速度和时间等信息。
卫星导航信号是卫星导航***与接收机的唯一接口，完善的信号体制设计是终端设备开发和芯片研制的首要输入条件。可以说，信号的潜在性能决定了整个卫星导航***的性能极限。如果卫星发射的信号本身存在缺陷，即使***其它环节的设计再优，整个***在定位、测速、授时性能、抗干扰能力、与其它***的兼容与互操作性等关键性能上仍然存在难以弥补的不足。
然而在现有技术中，新型GNSS导航信号虽然有着众多优点，但同时也增加了信号设计及实现过程中的复杂性。信号的各类微小异常，都有可能对GNSS的PVT性能产生致命影响。导航信号在星上产生到信号发射整个过程中，任何故障或异常都会可能使得待发射信号波形产生畸变。最终会导致接收机跟踪过程中相关峰曲线相比理想情况下出现异常，从而对不同跟踪环路和不同鉴相器的接收机产生不同程度的跟踪误差和测距误差。而现有技术中，对于卫星导航多路复用调制下BOC信号的分析中，大多不能有效快捷的发现信号中发生畸变情况，并且不能及时精确的计算出畸变量。
因此，有必要提供一种卫星导航多路复用调制下BOC信号数字畸变分析方法，以解决上述问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星导航多路复用调制下BOC信号畸变分析方法。
本发明提供一种卫星导航多路复用调制下BOC信号数字畸变分析方法，包括以下步骤：
S100：获取卫星信号；
S200：根据卫星信号求解出卫星信号的功率谱密度函数；
S300：根据卫星信号的功率谱密度函数表达式，绘制出卫星信号的功率谱密度图；
S400：根据卫星信号的功率谱密度图上是否出现尖峰，判断卫星信号是否发生数字畸变；
S500：若卫星信号发生畸变，采用过零点计算方法或极大似然发精确计算出卫星信号的数字畸变量。
进一步的，在S200中，所述根据卫星信号求解出卫星信号的功率谱密度函数具体步骤如下：
S201：求得畸变信号的时域表达式；
S202：求得信号自相关函数；
S203：对信号自相关函数进行傅里叶变换得到卫星信号的功率谱密度函数。
进一步的，在S500中，所述采用过零点计算方法精确计算出卫星信号的数字畸变量的步骤如下：
S501：求得以采样点为单位的上升沿过零点的表达式；
S502：将码片的下降沿过零点减去上升沿过零点可得信号单个正码片数字失真数值。
与相关技术相比，本发明具有如下有益效果：
在现有技术中，对于卫星导航多路复用调制下BOC信号的分析中，大多不能有效快捷的发现信号中发生畸变情况，并且不能及时精确的计算出畸变量。而本发明可以有效快捷的发现信号中发生畸变情况，并且及时可以精确的计算出畸变量。
具体实施方式
下面将结合实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提供一种卫星导航多路复用调制下BOC信号畸变分析方法，包括以下步骤：
S100：获取多路复用调制下BOC信号；
S200：根据多路复用调制下BOC信号求解出多路复用调制下BOC信号的功率谱密度函数；
BOC信号发生数字畸变时，存在三种不同的情形，由于现阶段GNSS***采用BOC调制的信号的典型代表为GPS L1 M信号，因此本文仍以BOC(10,5)信号为分析对象，详细分析在不同的数字畸变原理下BOC信号的功率谱密度解析式。BOC信号的一般表达式为：
式中，ak为伪码信号序列，为伪码码片赋型信号，在BOC调制信号中为矩形脉冲信号，Tc为伪码码宽，χ(t)为副载波信号，它通常是个周期信号。
S202：求得信号自相关函数；
对sx(t)信号求解自相关函数Rx(τ)：
上式中Ra(k)为伪码序列ak的自相关函数。
S203：对信号自相关函数进行傅里叶变换得到多路复用调制下BOC信号的功率谱密度函数：
对上式进行傅里叶变换，得到sx(t)的功率谱密度Sx(f)如下：
在此，我们将扩频符号的傅里叶变换记为/>副载波符号χ(l)的傅里叶变换记为X(f)，伪码序列ak的傅里叶变换记为Sa(f)，将上述三个傅里叶表达式代入上式可得到BOC信号的功率谱密度解析式为：
假定二进制伪码序列ak呈独立同分布，那么这个无限长的理想伪码序列具有如下的自相关特性：
那么其功率谱密度Sa(f)为
因此BOC信号功率谱表达式可进一步表达为：
S300：根据多路复用调制下BOC信号的功率谱密度函数表达式，绘制出多路复用调制下BOC信号的功率谱密度图；
S400：根据多路复用调制下BOC信号的功率谱密度图上是否出现尖峰，判断多路复用调制下BOC信号是否发生信号畸变，发生畸变后的信号会出现尖峰谱现象，在零频率、主瓣和旁瓣以及旁瓣之间出现了尖峰，而主瓣中心频率处没有出现尖峰。
S500：若多路复用调制下BOC信号发生畸变，采用过零点计算方法或极大似然发精确计算出多路复用调制下BOC信号的数字畸变量。
在S500中，所述采用过零点计算方法精确计算出多路复用调制下BOC信号的数字畸变量的步骤如下：
S501：求得以采样点为单位的上升沿过零点的表达式：
假设信号正码片发生了数字失真，且失真量Δ为正，信号的波形中的正码片下降沿过零点发生偏移，正码片宽度增大，相邻的负码片宽度减小了Δ。因而测量信号波形中码片的过零点之差可以获得正码片和负码片宽度，码片的过零点可以利用边沿上符号发生改变的两个点(x0,y0)和(x1,y1)线性拟合得到，以采样点为单位的上升沿过零点xrising求解表达式如下：
S502：将码片的下降沿过零点减去上升沿过零点可得信号单个正码片数字失真数值：
信号的下降沿过零点xfailing也可通过线性拟合求解，将码片的下降沿过零点减去上升沿过零点可得信号单个正码片数字失真数值：
其中，fs为信号的采样率，round为四舍五入取整运算。当数字失真量的绝对值大于Tc/2时，信号功率谱将会产生十分严重的伪码时钟泄露现象，信号质量严重下降，在目前GNSS***中未发现该种现象，因而本文不作考虑。需要注意的是，基带信号已调制了导航电文，必须根据导航电文符号分开计算数字失真。同时，地面接收信号受噪声影响，信号实测的过零点存在抖动现象，数字失真量近似呈正态分布，本文通过平均后基带信号信噪比远高于原始信号，通过测量累加平均后的基带信号减少噪声对数字失真量测量的影响，对测量结果求平均，可获得最终精确的数字失真量。
同时，求解多路复用调制下具有非周期性的授权信号的BOC信号的数字畸变量可以采用极大似然法。由于目前只有GPS***存在数字畸变，卫星载荷采用了差分传输技术，单个支路信号发生了数字畸变，因而数字畸变参数仅为2个，即：
上式中ηI和ηQ为I/Q支路信号的数字畸变量，y为接收信号，X为理想输入信号，为通道传输函数估计值。在该算法中，数字畸变量的分辨率决定信号的采样率，可设置数字畸变量的分辨率为0.1ns，因而数据采样率应为10GHz，上式中通过简单的二维搜索进行求解。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种卫星导航多路复用调制下BOC信号数字畸变分析方法，其特征在于包括以下步骤：
S100：通过高增益天线获取高信噪比卫星下行多路复用调制下BOC导航信号；
S200：根据多路复用调制下BOC信号求解出多路复用调制下BOC信号的功率谱密度函数；
S201：求得畸变信号的时域表达式：式中，ak为伪码信号序列，/>为伪码码片赋型信号，在BOC调制信号中为矩形脉冲信号，Tc为伪码码宽，χ(t)为副载波信号；
S202：求得信号自相关函数：
式中Ra(k)为伪码序列ak的自相关函数；
S203：对信号自相关函数进行傅里叶变换得到多路复用调制下卫星信号的功率谱密度函数表达式：扩频符号/>的傅里叶变换记为/>副载波符号χ(l)的傅里叶变换记为X(f)；
S300：根据多路复用调制下BOC信号的功率谱密度函数表达式，绘制出多路复用调制下BOC信号的功率谱密度图；
S400：根据多路复用调制下BOC信号的功率谱密度图上是否出现尖峰，判断多路复用调制下BOC信号是否发生信号畸变,发生畸变后的信号会在在中心频点、主瓣和旁瓣以及旁瓣之间出现了尖峰，而不只是在主瓣中心频率处出现尖峰；
S500：若多路复用调制下BOC信号发生畸变，采用过零点计算方法或极大似然法精确计算出多路复用调制下BOC信号的数字畸变量，极大似然法目标函数具体为：
其中，ηI和ηQ为理想基带信号的数字畸变数值，y为接收的解调后的基带信号，X为理想输入信号。
2.如权利要求1所述的一种卫星导航多路复用调制下BOC信号畸变分析方法，其特征在于：在S500中，所述采用过零点计算方法精确计算出卫星信号的数字畸变量的步骤如下：
S501：求得以采样点为单位的上升沿过零点的表达式，具体为式中(x0,y0)为码片上升沿过零点下点，(x1,y1)为码片上升沿过零点上点；
S502：将码片的下降沿过零点减去上升沿过零点可得信号单个正码片数字失真数值，表达式为：
if-Tc/2≤Δ≤Tc/2，其中，fs为信号的采样率，round为四舍五入取整运算，xfailing为信号的下降沿过零点。
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