一种MBOC信号相关器联合接收组合系数计算方法

一种mboc信号相关器联合接收组合系数计算方法
技术领域
1.本发明属于信号接收技术领域，具体涉及一种mboc信号相关器联合接收组合系数计算方法。


背景技术：

2.gnss现代化信号系统的设计在过去几十年中得到了各国军民的高度重视。为了满足各系统之间的兼容性和互操作性，美国、欧盟和中国在其新一代卫星的l1频段设计了一种特殊的信号，mboc信号。mboc信号的数据和导频分量的灵活设计提高了导航信号测距和电文解调的精度。然而，如何开发信号的特质和潜力以更好地利用信号对用户来说是有吸引力的，有很多学者提出了联合接收方法，以提高mboc信号的定位精度，包括相关器联合接收、鉴相器联合接收、滤波器联合接收。这些方法各有优劣，其中相关器联合接收是最节省资源的方式。而传统的“相关器联合接收”直接叠加数据和导频分量的积分结果，这不是最优组合方案。考虑到组合系数会影响接收性能，本发明构建mboc信号数据/导频相关器联合跟踪定位的整体结构,建立联合跟踪精度数学模型，确定最优组合系数；最后，设计了一个实验平台来验证本文的方法，本发明提出的方法和测试结果为gnss高精度用户接收机提供技术支持。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决上述问题，提供一种mboc信号相关器联合接收组合系数计算方法，构建mboc信号数据/导频相关器联合跟踪定位的整体结构。建立联合跟踪精度数学模型，确定最优组合系数。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种mboc信号相关器联合接收组合系数计算方法，mboc信号表示为mboc（6,1,1/11），对和的功率谱进行加权混合，加权因子（1/11），其特征在于，根据mboc信号的定义可得到归一化的psd为其归一化自相关函数推导出公式：其中，代表三角函数，其数学表达式如下：
其中代表伪码周期，mboc调制信号是在 boc (1,1) 上增加高频率 (6mhz) 的功率。
5.mboc(6,1,1/11) 定义在频域，而boc(n, n)分量和boc(m, n)分量可以在时域中进行任意复用组合， gps/qzss、galileo和bds设计了三种不同的分配方案，根据mboc三种设计，其时域模型可以写为：；；。
6.进一步的：mboc相关器联合接收设计包含跟踪模块和定位模块，所述跟踪模块在数据分量载波中设计科斯塔斯环，导频分量载波中设计有纯锁相环。数字中频信号从载波中剥离后，与早期、即时和滞后的本地复制码相干积分后得到相关积分结果，并对数据分量的相关积分结果和导频分量相关积分结果进行联合；所述定位模块用于电文解算的数据流是由导频分量相关器输出按照数据分量的符号与数据分量相关器输出进行线性组合，所述定位模块用于帧同步的数据流由数据分量相关器输出按照导频分量电文符号与导频分量相关器输出进行线性组合；所述定位模块用于计算伪距的观测值：载波频率、载波相位、码频和码相位是组合信号环路鉴相器输出值。
7.进一步的：mboc相关器联合后的超前、即时、滞后积分结果如下，其中组合系数是和和和和建立b1c，l1c，e1os三种mboc相关器联合的码跟踪精度模型，b1c/l1c的模型公式为：
；e1os的数字模型公式为：。
8.为数据分量的组合系数，为导频分量的组合系数。其最优数值为联合码跟踪精度最小时对应的数值：通过数值分析可以确定相关器联合最优系数为数据和导频的幅度比：。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：实测卫星数据和仿真结果表明，幅度比组合方案是mboc相关器联合接收的最佳组合系数，其次是功率比组合方案，最后是1:1组合方案。b1c信号幅度比组合定位精度相对于传统1:1组合提高了2%，相对于功率比组合提升了1.3%。l1c信号幅度比组合定位精度相对于传统1:1组合提高了2.37%，相对于功率比组合提升了1.6%。由于e1os数据和导频分量特殊的1:1配比方案设计，因此三种组合方案的定位精度相同。建议用户在mboc信号相关器联合接收中选择幅度比组合方式，可以最大限度地提高组合跟踪精度。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为本发明mboc功率谱示意图；图2为本发明mboc相关器联合接收框架结构图；图3为本发明模拟不同相关器间隔下码环的理论鉴相标准差示意图；图4为本发明模拟在常见接收机参数下幅度比组合与功率比组合的dll理论的标
准偏差差异示意图。
具体实施方式
12.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。
13.mboc信号的数学模型及特征：在 gnss 系统上调制的 mboc 信号，表示为 mboc (6,1,1/11)，由其功率谱密度 (psd) 定义，它是对和的功率谱进行加权混合，加权因子（1/11），根据mboc 信号的定义，可得到归一化的 psd（导频和数据信道）为式（1）：（1）其归一化自相关函数推导出为公式（2）（2）其中，代表三角函数，其数学表达式如下：（3）其中代表伪码周期，mboc调制信号是在 boc (1,1) 上增加更高频率 (6mhz) 的功率，其功率谱如图1所示。
14.mboc(6,1,1/11) 定义在频域，而boc(n, n)分量和boc(m, n)分量可以在时域中进行任意复用组合，只需最终psd 满足式（1）的限制，gps/qzss、galileo和bds设计了三种不同的分配方案。
15.l1c、e1os、b1c设计方案如表1所示表 1l1c、e1os、b1c设计方案根据表1中的mboc三种设计，其时域模型可以写为式（4）~（6）
（4）（5）（6）卫星载荷设计的mboc信号数据分量和导频分量的伪码完全同步，两个分量频率相同，载波相位关系固定，传统的单分量跟踪方法会造成有用功率的浪费。根据接收机根据数据和导频的固定关系，采用相关器联合接收，增加信号总功率以获得更高的跟踪精度，mboc信号联合接收设计框架如图2所示，包括跟踪模块和定位模块。
16.所述跟踪模块如图2结构中上部分所示，数据分量载波跟踪环路采用“costas”，在导频分量载波环中设计了一个性能更好的纯锁相环。数字中频信号从载波中剥离后，与早期、即时和滞后的本地复制码相干积分，对数据分量和导频分量的相关积分结果进行联合。
17.所述定位模块如图2结构的下部分所示，用于电文解算的数据流是由导频分量相关器输出按照数据分量的符号与数据分量相关器输出进行线性组合；而用于帧同步的数据流由数据分量相关器输出按照导频分量电文符号与导频分量相关器输出进行线性组合。用于计算伪距的观测值：载波频率、载波相位、码频和码相位是组合信号环路鉴相器输出数值，最后通过最小二乘法将卫星位置和伪距组合得到组合定位结果。
18.相关器联合后的超前、即时、滞后积分结果如下，其中组合系数是和。
19.（7）（8）（9）建立相关器联合的码跟踪精度模型如下，其中式（10）为b1c/l1c的模型，式（11）为e1os的数学模型：（10）
（11）为数据分量的组合系数，为导频分量的组合系数。其最优数值为联合码跟踪精度最小时对应的数值：通过数值分析可以确定相关器联合最优系数为数据和导频的幅度比：传统的相关器联合是将数据分量积分结果和导频分量积分结果进行直接叠加，即1:1的组合方案。或者功率比组合方案；本发明计算的最优组合系数是幅度比组合。表2列举了三种组合方案下系数分配：表2l1c，e1os， b1c 信号组合系数根据相关器联合码跟踪精度模型（10）、（11），模拟了不同相关器间隔下码环的理论鉴相标准差如图3所示，仿真结果表明，对于b1c和l1c来说，幅度比组合的跟踪方法在主瓣带宽(32mhz)精度最高，其次是功率比组合，最后是直接叠加组合(1:1组合)。当d=0.01chips时，e1os组合跟踪精度相当于b1c/e1c信号幅度比组合；当d=0.05、0.1、0.15时，e1os组合跟踪精度相当于b1c/e1c信号功率比组合。
20.为了进一步确定l1c和b1c信号联合接收的精度，图4模拟了在常见接收机参数下幅度比组合与功率比组合的dll理论的标准偏差差异。普通用户gnss地面接收信号的c/n0范围为25db到60db。由于mboc信号设计的平台区域容易造成接收机死锁，用户选择鉴相器间隔在0.15chip以内。，在用户接收机常用的接收带宽，包括主瓣带宽（16mhz）、发射带宽（32mhz）和宽带接收（40mhz），模拟了b1c（l1c）功率比组合和幅度比组合的dll标准差的差异。
21.仿真结果表明，对于弱信号（小于40db），幅度比组合明显优于功率比组合；对于较
强的信号（大于40db），当用户选择0.1片以内的鉴相器间隔时，幅度比组合略好于功率比组合。否则，当接收机选择0.1chip到0.15chip以内时，功率比组合会略好于幅度比组合（这个数值特别小，可以忽略不计）。
22.上述分析表明，mboc幅度比组合跟踪可以提升组合跟踪精度，尤其是对弱信号提升数量较大。我们建议用户在mboc信号相关器联合接收中选择幅度比组合方式，这样可以最大限度地提高组合跟踪精度。
实施例
23.卫星信号验证2021年1月25日23:31分，在陕西洛南，使用ni公司开发的双通道采集卡，采样率为250mhz，中频为62.5mhz，进行静态测试。用户最关心的是组合定位相对于导频分量定位的提升效果，实验结果表明，在幅度比组合定位中，e1os组合信号相对于导频分量定位提升效果最高，为16%，其次是l1c信号：14%，最后是b1c信号：11%。
24.b1c信号幅度比组合定位精度相对于传统1:1组合提高了2%，相对于功率比组合提升了1.3%。l1c信号幅度比组合定位精度相对于传统1:1组合提高了2.37%，相对于功率比组合提升了1.6%。以上分析表明，本发明的方法大大提高了传统相关器联合定位的精度。
25.本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。
26.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。