CN110501728B - 定位基站跳时信号的鉴频方法及鉴频装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种定位基站跳时信号的鉴频方法。该鉴频方法包括：根据跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔，计算本地复现跳时信号的频率误差。本申请还提供了一种定位基站跳时信号的鉴频装置。通过本申请提供的定位基站跳时信号的鉴频方法及鉴频装置，充分结合了跳时信号的跳时特性，能够根据跳时信号的特点，获得本地复现跳时信号的频率误差。这样，可以加快频率锁定环路的收敛速度，在跳时信号载波跟踪过程中有效地增强频率锁定环路初始牵引力，能够提高频率锁定环路对初始多普勒估计误差的容忍范围。

Description

定位基站跳时信号的鉴频方法及鉴频装置

技术领域

本申请涉及定位基站跳时信号的鉴频方法及鉴频装置。

背景技术

传统卫星导航***(GNSS)中的导航卫星采用直接序列扩频(DSSS)信号，卫星通过采用不同的扩频码以码分多址复用(CDMA)的形式同时在相同频率的载波上发射信号。在对接收信号的载波进行跟踪的过程中，通过频率锁定环路鉴别出接收的信号的载波与本地复现信号的载波之间的频率差异，并根据该频率差异对本地复现信号的载波频率进行动态调节，经过多次循环反馈，最终使接收的信号的载波与本地复现信号的载波频率动态一致。

伪卫星***基本上沿用了传统GNSS***的直接序列扩频信号，但是由于伪卫星***中用户与各伪卫星距离之间差异相对较大，因此可能产生严重的远近效应问题，从而无法仅依靠码分多址的方式来识别出较弱信号，为此伪卫星***在传统GNSS信号的基础上引入了跳时脉冲发射机制，即采用了被称为直接序列扩频-跳时信号(TH-DSSS)的信号体制。

伪卫星***所采用的TH-DSSS跳时信号体制解决了伪卫星***自身的远近效应问题，然而正是由于TH-DSSS跳时信号体制的跳时脉冲特性，因此在跟踪接收的信号载波的过程中，在频率锁定环路中若直接采用传统鉴频方案，则在信号载波跟踪过程中会出现环路初始牵引力较弱、以及对初始多普勒估计误差容忍范围较小等问题，甚至在某些情况下可能无法跟踪信号。可见，现有传统鉴频方案无法有效适用跳时信号应用场景，因此需要设计出能够适用于跳时信号应用场景的鉴频方案。

发明内容

根据本申请的一个方面，提出了一种定位基站跳时信号的鉴频方法，该鉴频方法可以包括：根据跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔，计算本地复现跳时信号的频率误差。

根据本申请的另一方面，提出了一种定位基站跳时信号的鉴频装置，该鉴频装置可以根据跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔，计算本地复现跳时信号的频率误差。

根据本申请的鉴频方法和鉴频装置，以跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔为基础，计算接收的跳时信号的载波与本地复现跳时信号的载波之间的频率差异，其充分结合了跳时信号的跳时特性，能够根据跳时信号的特点，获得本地复现跳时信号的频率误差。

附图说明

图1示出了伪卫星跳时信号体制下某一颗伪卫星发射的直接序列扩频脉冲信号。

图2示出了根据本申请实施方式的定位基站跳时信号的鉴频方法的流程图。

图3示出了根据本申请实施方式的定位基站跳时信号的鉴频方法的流程图。

图4示出了根据本申请实施方式的定位基站跳时信号的鉴频装置的框图。

图5示出了分别采用传统鉴频方案与根据本申请实施方式的鉴频方案的频率锁定环路的性能对比曲线图。

图6示出了采用传统鉴频方案的频率锁定环路的性能曲线图。

图7示出了采用根据本申请实施方式的鉴频方案的频率锁定环路的性能曲线图。

具体实施方式

下面参照附图对本申请公开的跳时信号的鉴频方法及装置进行详细说明。为简明起见，本申请各实施方式的说明中，相同或类似的装置使用相同或相似的附图标记。

以下基于定位基站跳时信号模型，通过对跳时信号的跳时特性的分析，对本申请的跳时信号鉴频方案进行描述。本申请中的定位基站例如可以是伪卫星、陆基定位基站和/或无线信标。

图1示出了采用TH-DSSS的跳时信号体制的定位基站***中某一定位基站发射的直接序列扩频脉冲信号的示例。如图1所示，跳时信号划分成连续的持续时间为T_p的信号帧，而一个信号帧又被平均分为N个脉冲时隙T_s。在TH-DSSS跳时信号体制下，定位基站***中的每一定位基站仅在一个完整的信号帧内的某个脉冲时隙发射直接序列扩频脉冲信号，从而在一个发射周期内，不同的定位基站将占用不同的脉冲时隙。

根据本申请的实施方式，如图2所示，提出了一种定位基站跳时信号的鉴频方法。根据该方法，在步骤S100，根据跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔；在步骤S200，计算本地复现跳时信号的频率误差。这样，就能够计算出本地复现跳时信号的载波的频率与接收到的跳时信号的载波的频率之间的差异，从而可以据此对本地复现的跳时信号的载波的频率进行动态调节，使接收的跳时信号的载波与本地复现跳时信号的载波频率动态一致，实现频率锁定。

相应地，根据本申请的实施方式，还提出了一种定位基站跳时信号的鉴频装置。该鉴频装置可以根据跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔，计算本地复现跳时信号的频率误差。

该鉴频方案以跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔为基础，计算接收的跳时信号的载波与本地复现跳时信号的载波之间的频率差异，其充分结合了跳时信号的跳时特性，能够根据跳时信号的特点，获得本地复现跳时信号的频率误差。

根据本申请的实施方式，如图3所示，定位基站跳时信号的鉴频方法还包括：在步骤S110，估计相邻跳时脉冲的位置以确定相邻跳时脉冲的间隔；在步骤S210，确定本地复现跳时信号的频率误差基础值；在步骤S220，根据确定的相邻跳时脉冲的间隔对频率误差基础值进行修正，以获得本地复现跳时信号的频率误差。

如上所述，根据跳时信号体制，跳时信号中出现跳时脉冲的时隙在信号发射周期中多个时隙中处于某确定位置，此确定位置就是该跳时脉冲的位置。在估计出相邻两个跳时脉冲各自的位置之后，就可以根据估计出的相邻跳时脉冲的位置确定相邻跳时脉冲的间隔。

相应地，根据本申请的实施方式，如图4所示，定位基站跳时信号的鉴频装置10可以包括：估计模块100，估计相邻跳时脉冲的位置以确定相邻跳时脉冲的间隔；以及计算模块200，计算本地复现跳时信号的频率误差基础值，根据确定的相邻跳时脉冲的间隔对频率误差基础值进行修正，以获得本地复现跳时信号的频率误差。

进一步地，根据本申请的另一实施方式，计算模块还可以根据接收的跳时信号与本地复现跳时信号同相支路和正交支路的相干积分以及鉴频平均更新时间，获得本地复现跳时信号的频率误差基础值。这样，可以先计算出接收跳时信号与本地复现跳时信号同相支路和正交支路的相干积分，然后将相干积分的结果与鉴频平均更新时间结合，得出本地复现跳时信号的频率误差基础值，从而可以对其进行修正以最终获得本地复现跳时信号的频率误差。在该鉴频方法和鉴频装置中，本地复现跳时信号的频率误差基础值是本地复现跳时信号的载波的频率与接收到的跳时信号的载波的频率之间的粗略差异，可以通过相邻跳时脉冲的间隔对其进行修正，最终获得本地复现的跳时信号的载波的频率与接收到的跳时信号的载波的频率之间的差异。在本申请的实施例中，鉴频平均更新时间可以等于上述信号帧的持续时间，也就是跳时信号的发射周期。

在获得相邻两个跳时脉冲的位置之后，就能够获得该相邻两个跳时脉冲的间隔。下面以图1所示的跳时信号为例，来说明相邻跳时脉冲的各自的位置以及二者的间隔。如图1所示，前一信号帧中的跳时脉冲出现在N个时隙中的第3个时隙，与之相邻的后一信号帧中的跳时脉冲出现在第N-2个时隙。在本申请的语境中，这两个相邻的跳时脉冲中后一个跳时脉冲所在的信号帧为第k个信号帧，或者说该跳时脉冲处于第k个发射周期，且该跳时脉冲的位置m_k＝N-2，其相邻的前一跳时脉冲的位置m_k-1＝3。

一般地，分别处于信号第k-1个和第k个发射周期中的相邻两个跳时脉冲的位置相应地为m_k-1和m_k，根据跳时信号机制，跳时脉冲的位置m_k-1和m_k遵循预设的伪随机跳时序列，因而这两个跳时脉冲的间隔m_k-m_k-1以近似随机的方式变化。

本申请的发明人认识到跳时信号的跳时特性将对传统鉴频方案的鉴频结果产生影响，并且进一步提出跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔将对传统鉴频方案的鉴频结果产生影响，从而导致采用传统鉴频方案的锁频环路在跳时信号应用场景下性能较差。基于此，发明人提出了本申请的鉴频方案。下面基于跳时信号的模型，对本申请的鉴频方案做进一步详细说明。

设在某一较短时间内忽略电文带来的影响，定位基站***中接收机接收到的跳时信号可以示意地表示为：

其中，P表示接收信号的功率，τ表示信号传播时延，p(t-τ)表示跳时序列，c(t-τ)表示伪随机扩频序列，ω表示载波角频率，

表示初始载波相位。

本地复现跳时信号可以表示为：

其中，

表示信号传播时延的本地估计，

表示载波角频率的本地估计，

表示初始载波相位的本地估计。

根据本申请的一个实施例，可以通过以下方式来分别计算接收信号与本地复现跳时信号同相支路和正交支路的相干积分。

对于如式(1)所表示的跳时信号r(t-τ)，考虑第k个发射周期，并假设脉冲出现在第m_k个时隙内，且观测时间内信号频率保持不变，忽略噪声的影响，则该跳时信号归一化同相支路的相干积分计算如下：

其中，T_p表示鉴频平均更新时间，其可以是信号帧的持续时间，也就是跳时信号的发射周期；也可以是频率锁定环路的环路更新周期。

对式(3)进行以下推导：

其中，

为倍频项，可以忽略不计，而

其中，m_k表示第k个历元出现跳时脉冲的时隙的位置。

因此，最后得到如下跳时信号的归一化同相支路的相干积分结果：

其中，

同理，

类似地，可以获得跳时信号r(t-τ)的归一化正交支路的相干积分结果：

同理，

跳时信号应用中，通过上式所表示的相干积分结果可以看出，

不仅包含表示接收跳时信号载波的角频率与本地复现跳时信号载波的角频率之间差异(本质上代表最终要求得的频率差异)的

还包含m_k、m_k-1，即第k个和k-1个历元跳时信号的跳时脉冲的位置，进一步说明跳时信号的位置、更具体地相邻跳时脉冲的间隔将对鉴频结果产生影响。因此，发明人提出，在本申请的鉴频方案中，将跳时信号的影响、更具体地相邻跳时脉冲的间隔从鉴频结果的计算过程中识别并“剥离”，以消除跳时信号特性的影响。

具体地，根据本申请的实施方式，在定位基站跳时信号的鉴频方法中，可以通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，

根据跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔确定，m_k-1和m_k分别表示第k-1个和第k个历元出现跳时脉冲的时隙的位置，N表示一个信号发射周期中时隙的数目；

为本地复现跳时信号的频率误差基础值，T_p表示鉴频平均更新时间，I_k-1和I_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号同相支路的相干积分结果，Q_k-1和Q_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号正交支路的相干积分结果。

在该定位基站跳时信号的鉴频方法中，通过接收跳时信号与本地复现跳时信号同相支路和正交支路的相干积分以及鉴频平均更新时间得到频率误差基础值，然后通过根据相邻跳时脉冲的位置求得的跳时脉冲间隔以及信号发射周期中时隙的数目对频率误差基础值进行修正，以获得本地复现跳时信号的频率误差σ。

对于以其他方式确定的频率误差基础值，也可以通过修正以确定本地复现跳时信号的频率误差。

根据本申请的另一实施方式，在定位基站跳时信号的鉴频方法中，可以通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，

根据跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔确定，

为本地复现跳时信号的频率误差基础值。

根据本申请的又一实施方式，在定位基站跳时信号的鉴频方法中，可以通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，

根据跳时信号中相邻跳时脉冲的间隔确定，

为本地复现跳时信号的频率误差基础值。

通过根据本申请的伪卫星跳时信号的鉴频方法及装置，充分结合了跳时信号的跳时特性，能够根据跳时信号的特点，获得本地复现跳时信号的频率误差，从而可以加快频率锁定环路的收敛速度，在跳时信号载波跟踪过程中有效地增强频率锁定环路的初始牵引力，能够提高频率锁定环路对初始多普勒估计误差的容忍范围。图5-7示出的内容可以说明本申请提出的鉴频方法及鉴频装置所带来的显著技术效果。

图5示出了在跳时信号应用场景下，分别采用传统鉴频方案与根据本申请实施方式的鉴频方法/鉴频装置的频率锁定环路的性能对比曲线图。具体地，考虑捕获后所得的初始载波多普勒与真实值相差较小的情况，在这里相差50Hz，此情况下一般不会出现无法跟踪信号的状况。从图5中可以清楚地看到，相比采用传统鉴频方案的频率锁定环路，采用根据本申请鉴频方案的频率锁定环路能够更快地趋于稳定，实现频率锁定，具有更快的收敛速度。

图6和图7分别示出了在跳时信号应用场景下，分别采用传统鉴频方案和根据本申请实施方式的鉴频方法/鉴频装置的频率锁定环路的性能曲线图。具体地，考虑捕获后所得的初始载波多普勒与真实值相差较大的情况，在这里相差120Hz。从图6(a)和6(b)中可以看到，采用传统鉴频方案的频率锁定环路无法跟踪信号；与之相对，如图7(a)和7(b)所示，采用根据本申请鉴频方案的频率锁定环路不仅实现了信号跟踪，对初始多普勒估计误差的容忍范围较大，而且还能够较快地收敛。

以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (8)

1.定位基站跳时信号的鉴频方法，包括：

估计相邻跳时脉冲的位置以确定相邻跳时脉冲的间隔，

通过接收跳时信号与本地复现跳时信号同相支路和正交支路的相干积分以及鉴频平均更新时间确定本地复现跳时信号的频率误差基础值，

根据确定的相邻跳时脉冲的间隔对频率误差基础值进行修正，以获得本地复现跳时信号的频率误差。

2.如权利要求1所述的鉴频方法，其中，通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，m_k-1和m_k分别表示第k-1个和第k个历元出现跳时脉冲的时隙的位置，N表示一个信号发射周期中时隙的数目，

为本地复现跳时信号的频率误差基础值，

T_p表示鉴频平均更新时间，

I_k-1和I_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号同相支路的相干积分结果，Q_k-1和Q_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号正交支路的相干积分结果。

3.如权利要求1所述的鉴频方法，其中，通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，m_k-1和m_k分别表示第k-1个和第k个历元出现跳时脉冲的时隙的位置，N表示一个信号发射周期中时隙的数目，

为本地复现跳时信号的频率误差基础值，

T_p表示鉴频平均更新时间，

I_k-1和I_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号同相支路的相干积分结果，Q_k-1和Q_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号正交支路的相干积分结果。

4.如权利要求1所述的鉴频方法，其中，通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，m_k-1和m_k分别表示第k-1个和第k个历元出现跳时脉冲的时隙的位置，N表示一个信号发射周期中时隙的数目，

为本地复现跳时信号的频率误差基础值，

T_p表示鉴频平均更新时间，

I_k-1和I_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号同相支路的相干积分结果，Q_k-1和Q_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号正交支路的相干积分结果。

5.定位基站跳时信号的鉴频装置，其中所述鉴频装置包括：

估计模块，估计相邻跳时脉冲的位置以确定相邻跳时脉冲的间隔；以及

计算模块，通过接收跳时信号与本地复现跳时信号同相支路和正交支路的相干积分以及鉴频平均更新时间，计算本地复现跳时信号的频率误差基础值，根据确定的相邻跳时脉冲的间隔对频率误差基础值进行修正，以获得本地复现跳时信号的频率误差。

6.如权利要求5所述的鉴频装置，其中，所述计算模块通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，m_k-1和m_k分别表示由所述估计模块获得的第k-1个和第k个历元出现跳时脉冲的时隙的位置，N表示一个信号发射周期中时隙的数目，

为本地复现跳时信号的频率误差基础值，

T_p表示鉴频平均更新时间，

I_k-1和I_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号同相支路的相干积分结果，Q_k-1和Q_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号正交支路的相干积分结果。

7.如权利要求5所述的鉴频装置，其中，所述计算模块通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，m_k-1和m_k分别表示由所述估计模块获得的第k-1个和第k个历元出现跳时脉冲的时隙的位置，N表示一个信号发射周期中时隙的数目，

为本地复现跳时信号的频率误差基础值，

T_p表示鉴频平均更新时间，

I_k-1和I_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号同相支路的相干积分结果，Q_k-1和Q_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号正交支路的相干积分结果。

8.如权利要求5所述的鉴频装置，其中，所述计算模块通过以下方式确定本地复现跳时信号的频率误差σ：

其中，m_k-1和m_k分别表示由所述估计模块获得的第k-1个和第k个历元出现跳时脉冲的时隙的位置，N表示一个信号发射周期中时隙的数目，

为本地复现跳时信号的频率误差基础值，

T_p表示鉴频平均更新时间，

I_k-1和I_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号同相支路的相干积分结果，Q_k-1和Q_k分别表示第k-1个和第k个历元接收的跳时信号与本地复现跳时信号正交支路的相干积分结果。

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