一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，扩频接收机将中频模拟信号进行ADC采样，并经过数字下变频得到基带复信号r(k)=I(k)+jQ(k)，基带复信号同时输出至伪码捕获单元、载波与伪码闭环跟踪单元和伪码时延开环估计单元；载波与伪码闭环跟踪单元根据捕获的多普勒频率与伪码相位信息，对载波频率与伪码相位进行跟踪；伪码时延测量脉冲将多普勒频率与伪码相位信息输出至伪码时延开环估计单元，将伪码相位信息输出至伪码时延计算单元；伪码时延计算单元利用开环估计结果修正伪码时延的闭环跟踪测量数据，实现伪码时延的快速高精度测量。采用本方法，能够实现复杂环境下伪码时延的快速高精度测量。
【专利说明】一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及扩频体制时差定位【技术领域】，确切地说涉及一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法。
【背景技术】
[0002]时差定位又称双曲线定位，是一种无源定位技术。它利用目标信号到达多个接收站的时间差，根据双曲面相交原理来确定目标的位置。扩频体制时差定位系统具有隐蔽性好、定位精度高的特点，获得了快速发展与广泛应用。其关键是对伪码时延进行快速精确的测量。
[0003]作者杨晶超，在期刊名为《国外电子测量技术》的期刊上发表了一篇篇名为“基于伪随机序列的高精度时延测量技术研究”的期刊文件，其发表日期为2009年第I期，该文章对伪随机序列进行了简要的介绍，然后具体阐述了最常用的一种伪随机序列一m序列以及它在时延测量中的应用。根据m序列良好的自相关特性，计算发送序列和接收序列之间的相关函数，其峰值所在的位置即为时延值。最后利用MATLAB对测量方法进行了仿真，并分情况讨论了噪声干扰和m序列的周期对时延测量的影响。
[0004]在以上述现有技术为代表的技术方案中，接收机对扩频信号进行时频二维捕获，根据捕获的多普勒频率与伪码相位信息，实现对载波频率与伪码相位的跟踪。载波跟踪通过锁频环或锁相环实现，伪码跟踪通过延迟锁定环(Delay Locked Loop, DLL)实现，对伪码环路NCO进行采样即可得到伪码时延信息。为对伪码时延进行有效测量，需保证载波环路与伪码环路的稳定跟踪。一方面，高动态低信噪比给扩频信号的载波跟踪带来了巨大挑战。另一方面，伪码时延的测量精度和速度是一对相互制约的因素，DLL环路带宽越小，伪码时延测量精度越高，DLL环路稳定所需时间越长。在某些复杂的环境中，扩频信号的频繁中断使伪码环路无法达到稳定跟踪状态，给伪码时延的快速高精度测量带来困难。在这种情况下，还没有如何快速获得高精度伪码时延的方法。
【发明内容】
[0005]本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，采用本方法，能够实现复杂环境下伪码时延的快速高精度测量。
[0006]本发明是通过采用下述技术方案实现的:
一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，其特征在于:扩频接收机将中频模拟信号进行ADC采样，并经过数字下变频得到基带复信号r (k) =I (k) +jQ (k)，基带复信号同时输出至伪码捕获单元、载波与伪码闭环跟踪单元和伪码时延开环估计单元；
伪码捕获单元采用部分匹配滤波FFT算法，对基带复信号进行时频二维搜索，并对相关结果进行检测判决，完成对伪码相位和多普勒频率的粗略估计，并将伪码相位和多普勒频率的粗略估计值与捕获标志一起输出给载波与伪码闭环跟踪单元；
载波与伪码闭环跟踪单元根据捕获的多普勒频率与伪码相位信息，对载波频率与伪码相位进行跟踪；
伪码时延测量脉冲将多普勒频率与伪码相位信息输出至伪码时延开环估计单元，将伪码相位信息输出至伪码时延计算单元；
伪码时延开环估计单元以闭环跟踪结果为基准，对伪码相位与多普勒频率进行二维并行搜索，实现伪码时延的高精度开环估计；
伪码时延计算单元利用开环估计结果修正伪码时延的闭环跟踪测量数据，实现伪码时延的快速高精度测量。
[0007]所述的载波与伪码闭环跟踪单元包括载波跟踪环路和伪码跟踪环路。
[0008]所述的载波跟踪环路包括载波NC0、复数下变频模块、积分清零模块、载波鉴频器以及二阶锁频环滤波器；其中:载波NCO生成本地同相载波cos信号与正交载波sin信号，组成复载波信号exp(-jWdk) (wd为载波多普勒频率)；复数下变频模块对基带复信号与复载波信号做复数乘法，去除基带复信号的残留载波多普勒，得到零中频基带复信号6(10=^10+JQ1GO ;其同相支路数据I1GO、正交支路数据Q1GO分别与码nco生成的本地对齐伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据IP(k)以及正交支路积分数据Qp(k)，送至载波鉴频器模块；载波鉴频器模块采用基于数据交叠的FFT鉴频算法，得到频率误差信息；经二阶锁频环滤波器，输出多普勒频率信息，用于控制载波NCO的多普勒频率。
[0009]所述的伪码跟踪环路包括码NC0、积分清零模块、码相位鉴别器以及二阶码环滤波器；其中:码NCO生成本地对齐、超前以及滞后伪码；同相支路数据I1 (k)、正交支路数据Q1 (k)分别与码NCO生成的本地超前伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据Ie(k)以及正交支路积分数据Qe(k);同相支路数据IJk)、正交支路数据Q1GO分别与码NCO生成的本地滞后伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据IJk)以及正交支路积分数据QJk);超前与滞后积分数据送至码相位鉴别器模块，采用幅度归一化码相位鉴别算法，得到码相位误差信息；经二阶码环滤波器，输出伪码速率信息，用于控制码NCO的伪码速率。
[0010]载波鉴频器模块采用基于数据交叠的FFT鉴频算法，具体实现过程为:对基带复信号rP (k) =Ip (k) +JQp (k)送入缓存器，根据载波环路更新脉冲，对缓存数据做FFT运算，搜索频谱的幅度最大值，其位置索引对应的频率即为鉴频器输出的频率误差信息。相邻两次FFT之间存在数据交叠，这样既增大了环路更新频率，又增强了 FFT鉴频的信噪比，有利于提高高动态低信噪比扩频信号的载波同步性能。
[0011]所述的伪码时延测量脉冲对载波NCO与码NCO进行采样，将多普勒频率与伪码相位信息输出至伪码时延开环估计单元，将伪码相位信息输出至伪码时延计算单元。
[0012]伪码时延开环估计单元包括载波NC0、复数下变频模块、码NC0、积分清零模块、时频二维搜索检测模块，其中:载波NCO根据闭环跟踪单元输出的多普勒频率产生复载波信号，对基带复信号进行复数下变频，得到零中频基带复信号r2 (k) =I2 (k) +JQ2 (k);码NCO根据闭环跟踪单元输出的伪码相位信息生成多路本地伪码PNmOn为整数)，其中PNtl与闭环跟踪伪码对齐，PNffl比PNm+1超前Λ码片(Λ为码片搜索间隔);基带复信号r2 (k)分别与多路本地伪码PNm进行相关，经积分清零模块，得到积分数据Xm (k)，送入RAM进行缓存；时频二维搜索检测模块从RAM中读取缓存的积分数据xm (k)做FFT运算，并进行时频二维搜索，对FFT运算结果幅度最大值进行检测判决，得到伪码时延开环估计结果，将其输出至伪码时延计算单元。
[0013]与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下:
一、本发明创造性的将闭环跟踪与开环估计技术有机结合，通过高精度的开环估计去修正伪码时延的闭环跟踪误差，与现有技术相比，克服了伪码环路稳定前无法保证测量精度的缺点，实现了复杂环境下伪码时延的快速高精度测量。
[0014]二、本发明中，采用基于数据交叠FFT鉴频的锁频环实现载波跟踪，既增大了环路更新频率，又增强了 FFT鉴频的信噪比，提高了高动态低信噪比扩频信号的载波同步性能。
[0015]三、本发明中，采用基于FFT的最大似然开环估计技术，以闭环跟踪结果为基准，在局部范围内对伪码相位与多普勒频率进行二维并行搜索，实现了伪码时延的高精度开环估计。而且算法结构简单，易于工程实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面将结合说明书附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明，其中:
图1为本发明扩频接收机总体实现框图；
图2为本发明载波与伪码闭环跟踪单元实现框图；
图3为本发明伪码时延开环估计单元实现框图。
【具体实施方式】
[0017]本发明提出了一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，可实现复杂环境下伪码时延的快速高精度测量。具体实现方案如下:
扩频接收机总体实现框图如图1所示。扩频接收机将中频模拟信号进行ADC采样，并经过数字下变频得到基带复信号r (k) =I (k) +jQ (k)。基带复信号同时输出至伪码捕获单元、载波与伪码闭环跟踪单元以及伪码时延开环估计单元。
[0018]伪码捕获单元采用部分匹配滤波FFT算法，对基带复信号进行时频二维搜索，并对相关结果进行检测判决，完成对伪码相位和多普勒频率的粗略估计，并将其与捕获标志一起输出给载波与伪码闭环跟踪单元。
[0019]载波与伪码闭环跟踪单元实现框图如图2所示。载波与伪码闭环跟踪单元根据捕获的多普勒频率与伪码相位信息，对载波频率与伪码相位进行跟踪。载波跟踪环路包括载波NC0、复数下变频模块、积分清零模块、载波鉴频器以及二阶锁频环滤波器。载波NCO生成本地同相载波COS信号与正交载波sin信号,组成复载波信号exp(_jwdk) (wd为载波多普勒频率)；复数下变频模块对基带复信号与复载波信号做复数乘法，去除基带复信号的残留载波多普勒，得到零中频基带复信号A GO=I1GO+JQ1GO ;其同相支路数据IJk)、正交支路数据Q1 (k)分别与码NCO生成的本地对齐伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据Ip (k)以及正交支路积分数据Qp (k)，送至载波鉴频器模块；载波鉴频器模块采用基于数据交叠的FFT鉴频算法，得到频率误差信息；经二阶锁频环滤波器，输出多普勒频率信息，用于控制载波NCO的多普勒频率。伪码跟踪环路包括码NC0、积分清零模块、码相位鉴别器以及二阶码环滤波器。码NCO生成本地对齐、超前以及滞后伪码；同相支路数据I1GchE交支路数据Q1 (k)分别与码NCO生成的本地超前伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据IE(k)以及正交支路积分数据Qe(k);同相支路数据I1GO、正交支路数据Q1GO分别与码NCO生成的本地滞后伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据IJk)以及正交支路积分数据QJk);超前与滞后积分数据送至码相位鉴别器模块，采用幅度归一化码相位鉴别算法，得到码相位误差信息；经二阶码环滤波器，输出伪码速率信息，用于控制码NCO的伪码速率。伪码时延测量脉冲对载波NCO与码NCO进行采样，将多普勒频率与伪码相位信息输出至伪码时延开环估计单元，将伪码相位信息输出至伪码时延计算单元。
[0020]载波鉴频器模块采用基于数据交叠的FFT鉴频算法，具体实现过程为:对基带复信号rP (k) =Ip (k) +JQp (k)送入缓存器，根据载波环路更新脉冲，对缓存数据做FFT运算，搜索频谱的幅度最大值，其位置索引对应的频率即为鉴频器输出的频率误差信息。相邻两次FFT之间存在数据交叠，这样既增大了环路更新频率，又增强了 FFT鉴频的信噪比，有利于提高高动态低信噪比扩频信号的载波同步性能。
[0021]伪码时延开环估计单元实现框图如图3所示。伪码时延开环估计单元以闭环跟踪结果为基准，在局部范围内对伪码相位与多普勒频率进行二维并行搜索，实现伪码时延的高精度开环估计。包括载波NC0、复数下变频模块、码NC0、积分清零模块、时频二维搜索检测模块。载波NCO根据闭环跟踪单元输出的多普勒频率产生复载波信号，对基带复信号进行复数下变频，得到零中频基带复信号r2 (k) =I2 (k) +JQ2 (k) ?’码NCO根据闭环跟踪单元输出的伪码相位信息生成多路本地伪码PNmOn为整数)，其中PNtl与闭环跟踪伪码对齐，PNffl比PNm+1超前Λ码片(Λ为码片搜索间隔)；基带复信号r2(k)分别与多路本地伪码PNm进行相关，经积分清零模块，得到积分数据xm(k)，送入RAM进行缓存；时频二维搜索检测模块从RAM中读取缓存的积分数据Xm (k)做FFT运算，并进行时频二维搜索，对其幅度最大值进行检测判决，则可得伪码时延开环估计结果，将其输出至伪码时延计算单元。
[0022]伪码时延计算单元利用高精度的开环估计结果修正伪码时延的闭环跟踪测量数据，实现伪码时延的快速高精度测量。
[0023]基带复信号r(k)=I(k)+jQ(k)，其中I(k)为同相支路，Q(k)为正交支路，j为纯虚数。rjk)为载波与伪码闭环跟踪单元中r(k)经过复数下变频后的零中频基带复信号。rP(k) Sr1GO与本地对齐伪码进行相关解扩后的基带复信号。r2(k)为伪码时延开环估计单元中Hk)经过复数下变频后的零中频基带复信号。
【权利要求】
1.一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，其特征在于:扩频接收机将中频模拟信号进行ADC采样，并经过数字下变频得到基带复信号r (k) =I (k) +jQ (k)，基带复信号r(k)=I(k)+jQ(k)，其中I(k)为同相支路，Q(k)为正交支路，j为纯虚数，基带复信号同时输出至伪码捕获单元、载波与伪码闭环跟踪单元和伪码时延开环估计单元； 伪码捕获单元采用部分匹配滤波FFT算法，对基带复信号进行时频二维搜索，并对相关结果进行检测判决，完成对伪码相位和多普勒频率的粗略估计，并将伪码相位和多普勒频率的粗略估计值与捕获标志一起输出给载波与伪码闭环跟踪单元； 载波与伪码闭环跟踪单元根据捕获的多普勒频率与伪码相位信息，对载波频率与伪码相位进行跟踪； 伪码时延测量脉冲将多普勒频率与伪码相位信息输出至伪码时延开环估计单元，将伪码相位信息输出至伪码时延计算单元； 伪码时延开环估计单元以闭环跟踪结果为基准，对伪码相位与多普勒频率进行二维并行搜索，实现伪码时延的高精度开环估计； 伪码时延计算单元利用开环估计结果修正伪码时延的闭环跟踪测量数据，实现伪码时延的快速高精度测量。
2.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，其特征在于:所述的载波与伪码闭环跟踪单元包括载波跟踪环路和伪码跟踪环路。
3.根据权利要求2所述的一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，其特征在于:所述的载波跟踪环路包括载波NCO、复数下变频模块、积分清零模块、载波鉴频器以及二阶锁频环滤波器；其中:载波NCO生成本地同相载波cos信号与正交载波sin信号，组成复载波信号exp(-jWdk) (wd为载波多普勒频率)；复数下变频模块对基带复信号与复载波信号做复数乘法，去除基带复信号的残留载波多普勒，得到零中频基带复信号Γι (k) =I1 (k) +JQ1 (k)，其同相支路数据I1 (k)、正交支路数据Q1 (k)分别与码NCO生成的本地对齐伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据IP(k)以及正交支路积分数据Qp(k)，送至载波鉴频器模块；载波鉴频器模块采用基于数据交叠的FFT鉴频算法，得到频率误差信息；经二阶锁频环滤波器，输出多普勒频率信息，用于控制载波NCO的多普勒频率。
4.根据权利要求2所述的一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，其特征在于:所述的伪码跟踪环路包括码NC0、积分清零模块、码相位鉴别器以及二阶码环滤波器；其中:码NCO生成本地对齐、超前以及滞后伪码；同相支路数据I1GO、正交支路数据Q1GO分别与码NCO生成的本地超前伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据IE(k)以及正交支路积分数据Qe(k);同相支路数据I1GO、正交支路数据Q1GO分别与码NCO生成的本地滞后伪码相关，经积分清零模块，得到同相支路积分数据IJk)以及正交支路积分数据Ql(k);超前与滞后积分数据送至码相位鉴别器模块，采用幅度归一化码相位鉴别算法，得到码相位误差信息；经二阶码环滤波器，输出伪码速率信息，用于控制码NCO的伪码速率。
5.根据权利要求3所述的一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，其特征在于:载波鉴频器模块采用基于数据交叠的FFT鉴频算法，具体实现过程为:对基带复信号rP (k) =Ip (k) +JQp (k)送入缓存器，根据载波环路更新脉冲，对缓存数据做FFT运算，搜索频谱的幅度最大值，其位置索引对应的频率即为鉴频器输出的频率误差信息；相邻两次FFT之间存在数据交叠，这样既增大了环路更新频率，又增强了 FFT鉴频的信噪比，有利于提高高动态低信噪比扩频信号的载波同步性能。
6.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，其特征在于:所述的伪码时延测量脉冲对载波NCO与码NCO进行采样，将多普勒频率与伪码相位信息输出至伪码时延开环估计单元，将伪码相位信息输出至伪码时延计算单元。
7.根据权利要求1所述的一种高动态低信噪比扩频信号伪码时延测量方法，其特征在于:伪码时延开环估计单元包括载波NC0、复数下变频模块、码NC0、积分清零模块、时频二维搜索检测模块，其中:载波NCO根据闭环跟踪单元输出的多普勒频率产生复载波信号，对基带复信号进行复数下变频，得到零中频基带复信号r2 (k) =I2 (k) +JQ2 (k);码NCO根据闭环跟踪单元输出的伪码相位信息生成多路本地伪码PNmOn为整数)，其中PNtl与闭环跟踪伪码对齐，PNffl比PNm+1超前Λ码片(Λ为码片搜索间隔);基带复信号r2 (k)分别与多路本地伪码卩乂进行相关，经积分清零模块，得到积分数据Xm(k)，送入RAM进行缓存；时频二维搜索检测模块从RAM中读取缓存的积分数据xm (k)做FFT运算，并进行时频二维搜索，对FFT运算结果幅度最大值进行检测判决，得到伪码时延开环估计结果，将其输出至伪码时延计算单元。
【文档编号】G01S5/02GK104407323SQ201410754560
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】贺寓东, 马国宁, 王明, 解楠, 季战领 申请人:中国工程物理研究院电子工程研究所