CN113219503B - 数字码相位的分辨率误差平滑方法及卫星导航接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字码相位的分辨率误差平滑方法及卫星导航接收机，通过构建伪码相位跟踪环路，对导航接收机中码相位估计的机理进行剖析。改进传统的码相位控制单元，在本地码相位增加相位周期抖动。针对不同的实现方式，设计三种相位周期抖动样式。根据数字相关器码相位分辨率和相干积分时间约束，设计相位周期抖动的幅度和周期。可在不明显增加计算量的条件下显著提高数字码相位的估计精度。

Description

数字码相位的分辨率误差平滑方法及卫星导航接收机
技术领域
本发明涉及卫星导航信号处理领域，具体的涉及一种数字码相位的分辨率误差平滑方法及卫星导航接收机。
背景技术
在卫星导航接收机中，码相位是一种重要的时延观测量，用以支撑接收机的定位和授时等功能。对于全数字卫星导航接收机，基带信号的采样时钟对码相位估计精度有着显著影响。当采样时钟等于整数倍扩频码速率时，信号码相位将被重复采样，对应采样点的码相位遍历性不足，导致数字码相位估计产生严重的分辨率误差。
通过增加基带信号的采样时钟，或者设计与扩频码速率不成比例关系的非等量采样频率，都可以有效提高数字码相位估计的分辨率。然而，数字基带信号的采样时钟与接收机的硬件资源密切相关，在硬件资源受到约束的条件下，不一定能提高采样时钟或者使用非等量采样频率。目前的平滑方法无法在不显著增加计算量的条件下平滑数字码相位分辨率误差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种数字码相位的分辨率误差平滑方法及卫星导航接收机，能够在不显著增加计算量的条件下平滑数字码相位分辨率误差。
根据本发明第一方面实施例的数字码相位的分辨率误差平滑方法，包括以下步骤：
构建伪码相位跟踪环路，生成相位超前本地码信号和相位滞后本地码信号;
计算本地信号与接收信号的码相位估计值，在所述码相位估计值上增加周期性的相位抖动,
并根据数字相关器的码相位分辨率和相干积分时间约束相位抖动的幅度和周期，得到实际的码相位。
根据本发明第一方面实施例的数字码相位的分辨率误差平滑方法，至少具有如下技术效果：
本发明实施方式根据数字码相位鉴别器分辨率误差的特点，即不同离散信号对码码相位采样的遍历度不足，采用在本地信号上增加码相位周期抖动的方式对分辨率误差进行平滑。首先构建伪码相位跟踪环路，然后在本地码相位上增加周期性抖动，通过控制本地信号等效实现相位分辨率的提升；然后针对不同的实现方式，设计相位周期抖动样式；最后根据数字相关器码相位分辨率和相干积分时间约束，设计相位周期抖动的幅度和周期。
本发明实施方式通过在本地信号的码相位上增加相位周期抖动，可以显著平滑数字鉴别器的码相位分辨率误差，提高码相位的估计精度。此外，在整个过程中只改变了经典接收机的本地码相位控制单元，并不涉及矩阵求逆、特征分解等复杂运算，因此本发明实现简单、运算量小、实施方便，可直接用于传统的伪码跟踪环路。
根据本发明的一些实施例，所述伪码相位跟踪环路包括相位周期抖动控制单元、本地码相位控制单元、本地码生成器、乘法器、积分累加器、码相位鉴别器和码环滤波器。
根据本发明的一些实施例，所述周期性的相位抖动包括连续相位周期抖动、锯齿相位周期抖动和余弦相位周期抖动中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述连续相位周期抖动的时域表达式
Figure 526732DEST_PATH_IMAGE001
为
Figure 640182DEST_PATH_IMAGE002
，
所述锯齿相位周期抖动的时域表达式
Figure 627729DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 852037DEST_PATH_IMAGE004
所述余弦相位周期抖动的时域表达式
Figure 975851DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 260202DEST_PATH_IMAGE006
其中，t表示本地信号时间，A表示相位抖动的幅度，Tn表示相位抖动的周期，k表示不同的周期数，dn表示锯齿相位抖动的锯齿宽度。
根据本发明的一些实施例，所述相位抖动的幅度A的公式为
Figure 239440DEST_PATH_IMAGE007
其中，p0为数字码相位相关器的码相位分辨率。
根据本发明的一些实施例，所述相位抖动的周期Tn的公式为
Figure 267439DEST_PATH_IMAGE008
其中，Tcoh表示数字码相位相关器的相干积分时间。
根据本发明第二方面实施例的卫星导航接收机，包括数字码相位鉴别器，所述数字码相位鉴别器用于通过上述的数字码相位的分辨率误差平滑方法平滑码相位分辨率误差。
根据本发明第二方面实施例的数字码相位的分辨率误差平滑方法，至少具有如下技术效果：本发明实施方式根据数字码相位鉴别器分辨率误差的特点，即不同离散信号对码码相位采样的遍历度不足，采用在本地信号上增加码相位周期抖动的方式对分辨率误差进行平滑。首先构建伪码相位跟踪环路，对导航接收机中码相位估计的机理进行剖析；然后在本地码相位上增加周期性抖动，通过控制本地信号等效实现相位分辨率的提升；然后针对不同的实现方式，设计相位周期抖动样式；最后根据数字相关器码相位分辨率和相干积分时间约束，设计相位周期抖动的幅度和周期。
本发明实施方式通过在本地信号的码相位上增加相位周期抖动，可以显著平滑数字鉴别器的码相位分辨率误差，提高码相位的估计精度。此外，在整个过程中只改变了经典接收机的本地码相位控制单元，并不涉及矩阵求逆、特征分解等复杂运算，因此本发明实现简单、运算量小、实施方便，可直接用于传统的伪码跟踪环路。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中数字码相位的分辨率误差平滑方法的流程图；
图2为本发明实施例中基于本地相位周期抖动的码相位跟踪结构框图；
图3为本发明实施例中三种不同相位周期抖动样式的时域示意图；
图4为本发明实施例中不同初始码相位对应的相关损耗变化曲线图；
图5为本发明实施例中不同相位抖动条件下的数字码相位鉴别曲线图；
图6为本发明实施例中不同相位抖动条件下的码相位分辨率误差图；
图7为本发明实施例中几种相位周期抖动条件下的码相位跟踪误差图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1，一种数字码相位的分辨率误差平滑方法，包括以下步骤
S100、构建伪码相位跟踪环路；
参考图2，构建的伪码相位跟踪环路包括相位周期抖动控制单元、本地码相位控制单元、本地码生成器、乘法器、积分累加器、码相位鉴别器和码环滤波器，相位周期抖动控制单元的输出端连接到本地码相位控制单元的输入端，本地码相位控制单元的输出端连接到本地码生成器的输入端，本地码生成器的输出端连接到乘法器的输入端，乘法器的输出端连接到积分累加器的输入端，积分累加器的输出端连接到码相位鉴别器的输入端，码相位鉴别器的输出端连接到码环滤波器的输入端，码环滤波器的输出端同时反馈输入至本地码相位控制单元。
S200、在本地码相位上增加周期性抖动；
伪码相位跟踪环路生成相位超前和相位滞后两组本地码信号，对应的本地码相位 分别为
Figure 511339DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 701012DEST_PATH_IMAGE010
，t表示本地信号时间。设本地码相位为
Figure 663151DEST_PATH_IMAGE011
，鉴别器的相关间隔为2d0， 则超前码相位为
Figure 229262DEST_PATH_IMAGE012
，而滞后码相位为
Figure 593247DEST_PATH_IMAGE013
。
如果在本地码相位上增加周期性的相位抖动
Figure 953821DEST_PATH_IMAGE014
，则超前和滞后的本地码相位分 别可以表示为：
Figure 904722DEST_PATH_IMAGE015
Figure 274523DEST_PATH_IMAGE016
S300、设计周期性码相位抖动的样式;
本实施例从导航接收机实现的角度考虑，设计连续相位周期抖动、锯齿相位周期抖动和余弦相位周期抖动三种不同的样式。
连续相位周期抖动是周期性的分段线性函数，其时域表达式
Figure 227436DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 24491DEST_PATH_IMAGE018
其中，A表示相位抖动的幅度，Tn表示相位抖动的周期，k表示不同的周期数。
连续相位周期抖动可以通过改变码频率的方式来实现，计算复杂度适中，大部分卫星导航接收机具备可实现能力。
锯齿相位周期抖动是连续相位周期抖动的离散形式，其时域表达式
Figure 695643DEST_PATH_IMAGE019
为
Figure 869136DEST_PATH_IMAGE020
其中，dn表示锯齿相位抖动的锯齿宽度。
在卫星导航接收机中，通常采用查找表的方式来实现锯齿相位周期抖动，且锯齿的宽度越小，对应相位查找表的阶数越高。锯齿相位周期抖动的计算复杂度要低于连续相位周期抖动。
余弦相位周期抖动与连续相位周期抖动和锯齿相位周期抖动的效果相似，其时域 表达式
Figure 942134DEST_PATH_IMAGE021
为：
Figure 910090DEST_PATH_IMAGE022
余弦相位周期抖动需要实时修改本地码相位，不能通过调整频率的方式来实现，其计算复杂度最高。硬件接收机同样采样余弦相位查找表的方式来实现，这与锯齿相位周期抖动的实现方式类似。
S400、设计相位抖动的幅度A和周期Tn。
数字码相位相关器的码相位分辨率p0可以表示为：
Figure 567074DEST_PATH_IMAGE023
其中，Tcoh表示相关器的相干积分时间，NC表示相干积分时间内的码片数， NS表示相干积分时间Tcoh内的采样点个数。
由于码相位周期抖动需要覆盖整数个码相位分辨率间隔p0，因此，相位抖动的幅度A设计为：
Figure 278678DEST_PATH_IMAGE024
其中，m可以取任意正整数，但通常取1。m的取值越大，对本地码信号频率的影响也就越大。
由于在相干积分时间Tcoh内可以接受整数个相位抖动周期Tn，因此，相位抖动的周期Tn设计为：
Figure 143866DEST_PATH_IMAGE025
其中，l可以取任意正整数，但通常也取1。l的取值越大，对本地码信号频率的影响也就越大。
本发明还涉及一种卫星导航接收机，包括数字码相位鉴别器，所述数字码相位鉴别器用于通过上述方法平滑码相位分辨率误差。
下面以具体仿真实例来对本发明进行说明：
如图2所示为基于本地相位周期抖动的码相位跟踪结构框图，其中，接收信号r（t） 经过正交下变频转换后，得到同相支路信号zi（t）和正交支路信号zq（t），并且分别与超前 （E）和滞后（L）的本地码序列复合，经过积分累加模块后，得到IES、ILS、QLS和QES四路相关累加 值。经过码相位鉴别器之后，得到本地信号与接收信号的码相位误差估计值
Figure 345040DEST_PATH_IMAGE026
。码环路低通 滤波器对原始码相位误差估计值
Figure 928468DEST_PATH_IMAGE027
进行滤波，得到初始码相位估计值
Figure 240501DEST_PATH_IMAGE026
。相位周期抖动控 制模块直接将相位抖动值
Figure 225774DEST_PATH_IMAGE028
叠加在初始码相位估计值
Figure 597850DEST_PATH_IMAGE029
之上，得到实际的初始码相位
Figure 668574DEST_PATH_IMAGE030
。
如图3所示为三种不同相位周期抖动样式的时域示意图，其中，相位抖动幅度A为0.1码片，相位抖动的周期Tn是1 ms，锯齿相位抖动的齿宽dn为0.1 ms。当锯齿相位抖动的齿宽趋近于零时，可以等效为连续相位抖动，因此连续相位抖动可以看作是锯齿相位抖动的一种特殊情况。
如图4所示为不同初始码相位对应的相关损耗变化曲线。仿真设置相位抖动幅度A为0.1码片，相位抖动的周期Tn是1 ms，锯齿相位抖动的齿宽dn为0.1 ms。锯齿相位抖动的平均相关损耗是0.48 dB，最大相位损耗是0.70 dB；连续相位抖动的平均相关损耗是0.46dB，最大相位损耗是0.56 dB；余弦相位抖动的平均相关损耗是0.59 dB，最大相位损耗是0.62 dB。结果表明，三种不同相位抖动方式的相关损耗程度大致相当，其中锯齿相位抖动和余弦相位抖动的相关损耗相对较大。
如图5所示为不同相位抖动模式下的数字码相位鉴别曲线仿真结果。仿真选取了等量采样的情况进行分析，其中设置标称码速率为1 MHz，采样频率为10 MHz，相干积分时间为1 ms，相位抖动的周期是1ms，相位抖动幅度为0.1码片，锯齿抖动的锯齿宽度为0.01码片，周期性抖动的初始相位为0码片。仿真结果表明，连续、锯齿和余弦三种周期性相位抖动，均能够明显提高数字码相位鉴别曲线的相位分辨率。
如图6所示为不同相位抖动模式下的数字码相位分辨率误差仿真结果，其中仿真条件保持不变。其中，本地信号相位不增加抖动时的最大误差是4.98x10-2码片，平均误差是2.49x10-2码片；增加锯齿相位抖动后的最大误差是9.80x10-3码片，平均误差是4.90x10-3码片；增加余弦相位抖动的最大误差是7.60x10-3码片，平均误差是4.90x10-3码片；连续相位抖动的的最大误差和平均误差都是0码片。仿真结果表明，连续、锯齿和余弦三种周期性相位抖动，均能够有效抑制数字码相位分辨率误差，其中连续相位抖动的抑制效果最为明显。
如图7所示为在本地信号上增加相位周期抖动后的码相位跟踪误差。为了遍历接收信号的初始相位，设置生成信号的码多普勒频率为1 m/s。其中，三种相位抖动的周期均为1 ms，相位抖动的幅度为0.1 码片，锯齿抖动的持续时间为0.1 ms。其中，本地信号不增加相位抖动时的数字鉴别器相位分辨率为7.47m，对应码相位跟踪精度最低为9.18 m；当本地信号上增加连续相位抖动时，理论上数字鉴别器的相位分辨率为0 m，对应码相位跟踪精度最高为0.16 m。
综上所述，本发明实施例根据数字码相位鉴别器分辨率误差的特点，即不同离散信号对码码相位采样的遍历度不足，采用一种在本地信号上增加码相位周期抖动的方式，对分辨率误差进行平滑。首先构建伪码相位跟踪环路，对导航接收机中码相位估计的机理进行剖析；其次，在本地码相位上增加周期性抖动，通过控制本地信号等效实现相位分辨率的提升；然后，针对不同的实现方式，设计三种相位周期抖动样式；最后，根据数字相关器码相位分辨率和相干积分时间约束，设计相位周期抖动的幅度和周期。
本发明通过在本地信号的码相位上增加相位周期抖动，可以显著平滑数字鉴别器的码相位分辨率误差，提高码相位的估计精度。此外，在本文的整个实施过程中只改变了经典接收机的本地码相位控制单元，并不涉及矩阵求逆、特征分解等复杂运算，因此本发明实现简单、运算量小、实施方便，可直接用于传统的伪码跟踪环路。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种数字码相位的分辨率误差平滑方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建伪码相位跟踪环路，生成相位超前本地码信号和相位滞后本地码信号;
计算本地信号与接收信号的码相位估计值，在所述码相位估计值上增加周期性的相位抖动,
并根据数字相关器的码相位分辨率和相干积分时间约束相位抖动的幅度和周期，得到实际的码相位。
2.根据权利要求1所述的数字码相位的分辨率误差平滑方法，其特征在于：所述伪码相位跟踪环路包括相位周期抖动控制单元、本地码相位控制单元、本地码生成器、乘法器、积分累加器、码相位鉴别器和码环滤波器。
3.根据权利要求1所述的数字码相位的分辨率误差平滑方法，其特征在于：所述周期性的相位抖动包括连续相位周期抖动、锯齿相位周期抖动和余弦相位周期抖动中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的数字码相位的分辨率误差平滑方法，其特征在于：所述连续相 位周期抖动的时域表达式
Figure 869976DEST_PATH_IMAGE001
为
Figure 205405DEST_PATH_IMAGE002
，
所述锯齿相位周期抖动的时域表达式
Figure 156044DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 38549DEST_PATH_IMAGE004
所述余弦相位周期抖动的时域表达式
Figure 718929DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 661477DEST_PATH_IMAGE006
其中，t表示本地信号时间，A表示相位抖动的幅度，Tn表示相位抖动的周期，k表示不同的周期数，dn表示锯齿相位抖动的锯齿宽度。
5.根据权利要求1所述的数字码相位的分辨率误差平滑方法，其特征在于：所述相位抖动的幅度A的公式为
Figure 896149DEST_PATH_IMAGE007
其中，p0为数字码相位相关器的码相位分辨率，m取任意正整数。
6.根据权利要求1所述的数字码相位的分辨率误差平滑方法，其特征在于：所述相位抖动的周期Tn的公式为
Figure 316767DEST_PATH_IMAGE008
其中，Tcoh表示数字码相位相关器的相干积分时间，l取任意正整数。
7.一种卫星导航接收机，其特征在于，包括数字码相位鉴别器，所述数字码相位鉴别器用于通过权利要求1至6任意一项所述的数字码相位的分辨率误差平滑方法平滑码相位分辨率误差。
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