專利名稱：基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號(hào)的接收，特別涉及一種需要區(qū)分和估計(jì)信號(hào)傳播路徑延遲以 減少多徑信號(hào)對(duì)直達(dá)路徑時(shí)間延遲估計(jì)精度影響的方法與裝置，屬于通訊技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在利用信號(hào)接收，進(jìn)行位置測(cè)量、定位過程中，典型的情況如GPS全球定位系統(tǒng)， 信號(hào)所經(jīng)信道的多徑特征會(huì)引起接收機(jī)偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼跟蹤測(cè)量的誤差，從而引起定位誤 差。多徑對(duì)接收機(jī)偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼跟蹤的影響主要在于產(chǎn)生自相關(guān)函數(shù)畸變，引起偽隨機(jī)擴(kuò) 頻碼鑒別器的輸出鎖定在與直達(dá)路徑定位有一定誤差的位置上，即在某一時(shí)刻碼跟蹤環(huán)可 能工作在一個(gè)非真實(shí)的鎖定值上。通過采取選擇具有抑制多徑的接收機(jī)天線，使接收機(jī)接收的信號(hào)主要是直達(dá)信 號(hào)，但也仍然存在受到衰減的多徑信號(hào)。為獲得在多徑環(huán)境下，真實(shí)的直達(dá)路徑的延遲估 計(jì)，需要估計(jì)多徑信道的信息以修正或消除多徑對(duì)碼鑒別器的影響。處理方法包括對(duì)鑒別 器進(jìn)行改進(jìn)使多徑對(duì)碼鑒別器的影響減??；另一種是不改變碼鑒別器，但對(duì)碼鑒別器的輸 出結(jié)果進(jìn)行修正。在使用后一種方法中，通過利用接收信號(hào)與本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼的相關(guān)獲得的 頻譜與參考的偽隨機(jī)碼的相關(guān)函數(shù)的頻譜的比值，可以獲得接收信道的特性，通過反 傅立葉變換運(yùn)算得到直達(dá)信號(hào)與多徑信號(hào)的延遲估計(jì)，如文獻(xiàn)[Chun Yang, Capt. Alec Porter, "Frequency-Domain Characterization of GPS Multipath for Estimation andMitigation，，，ION GNSS 18th International Technical Meeting of the SatelliteDivision，13-16 September 2005,Long Beach,CA]敘述了利用求取頻域傳遞函 數(shù)來得到多徑的估計(jì)方法。但正如該文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到的該方法存在以下缺點(diǎn)一個(gè)是 在接收信號(hào)的頻譜與本地參考信號(hào)的頻譜相比或相除時(shí)會(huì)出現(xiàn)0/0的情況而出現(xiàn)奇異值， 在有噪聲的時(shí)候，該奇異值的范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，而這些數(shù)據(jù)是不可靠的，從而使該方法在 有噪聲的情況下失效；另一個(gè)是通過除法獲得的多徑信道的傳遞函數(shù)的傅立葉變換的分辨 率僅與接收信號(hào)的采樣率相當(dāng)，如5Mhz采樣率，分辨率就只有200ns，25Mhz采樣率，分辨率 是40ns，這對(duì)高精度的測(cè)量來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是提出一種利用接收信號(hào)頻譜與本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼頻譜 相除獲得多徑信道頻域傳遞函數(shù)，減少多徑對(duì)直達(dá)路徑延遲精確估計(jì)影響的改進(jìn)方法。為克服上述兩個(gè)缺點(diǎn)中的奇異值問題采用對(duì)接收信號(hào)頻譜與本地參考偽隨機(jī)擴(kuò) 頻碼頻譜相除所獲得的頻域傳遞函數(shù)值首先進(jìn)行頻域數(shù)據(jù)平滑，平滑的點(diǎn)數(shù)可以是三點(diǎn)、 五點(diǎn)或其它點(diǎn)數(shù)，然后對(duì)奇異值點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除并就利用其附近的非奇異值進(jìn)行插 值以獲得奇異值附近的數(shù)據(jù)，去除奇異值的范圍或插值的范圍，可以根據(jù)載/信噪比情況 進(jìn)行調(diào)整，載噪比小時(shí)應(yīng)擴(kuò)大插值范圍，即載噪比小時(shí)不可靠的數(shù)據(jù)范圍會(huì)增大。為克服傅立葉變換的分辨率受接收信號(hào)采樣率決定的缺點(diǎn)，通過本地產(chǎn)生高采樣 率的偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼參考數(shù)據(jù)，如采樣率可以提高到lGhz或更高，來有效克服。由于偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼的產(chǎn)生是通過固定生成多項(xiàng)表達(dá)式產(chǎn)生的，這在進(jìn)行提高采樣率處理時(shí)是很容易 的。利用提高了采樣率的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼為基礎(chǔ)，通過抽取得到與接收信號(hào)相同采樣率 的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼與接收信號(hào)進(jìn)行在頻域相除運(yùn)算后作反傅立葉變換，對(duì)反變換后的時(shí) 域信號(hào)在時(shí)域搜索最強(qiáng)的直達(dá)路徑信號(hào)及對(duì)應(yīng)的延遲并記錄下來，接著在一定范圍內(nèi)以高 采樣率如前述lGhz所決定的采樣間隔如前述Ins移動(dòng)本地參考偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼，重復(fù)與接收 信號(hào)頻譜相除、頻域傳遞函數(shù)據(jù)平滑、奇異值剔除和內(nèi)插、做反傅立葉變換、搜索最強(qiáng)的直 達(dá)信號(hào)及對(duì)應(yīng)延遲并記錄的過程，直至完成全部范圍內(nèi)的運(yùn)算和結(jié)果記錄，然后對(duì)這些與 搜索范圍對(duì)應(yīng)的搜索值記錄進(jìn)行最大值搜索處理，獲得精確的直達(dá)信號(hào)的延遲值，這個(gè)延 遲值是相對(duì)于接收機(jī)碼鎖相環(huán)已經(jīng)鎖定的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼時(shí)間位置的一個(gè)精確的修正 值，該修正值在沒有多徑信號(hào)的情況下應(yīng)為零，即最終的直達(dá)路徑精確延遲是原閉環(huán)碼鎖 定環(huán)的鎖定的時(shí)間延遲與這個(gè)精確的時(shí)間修正值的代數(shù)和。本發(fā)明基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法，其特征在于依次包括以下工藝步 驟(1)采用傳統(tǒng)擴(kuò)頻中頻數(shù)字接收機(jī)，在粗多普勒頻偏和碼相位信息已獲得的情況 下，閉環(huán)載波跟蹤環(huán)和閉環(huán)碼跟蹤環(huán)；(2)獲取數(shù)據(jù)計(jì)算頻譜A、獲取時(shí)間長(zhǎng)度為Td的去除載波的中頻數(shù)字化多徑接收數(shù)據(jù)s(nts)，％是采樣時(shí) 間間隔，利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì)算，S(f) =DFT(s(nts))。B、獲取時(shí)間長(zhǎng)度為Td的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)S(1(nts)，并獲得與S(l(nts)時(shí)間 對(duì)準(zhǔn)的提高了采樣率的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)Sl(ktsl)，tsl^Sl(t)的采樣間隔，且
利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì)算S^f)= Si(ktsl> 其匕
DFT (Sl (nts+mtsl)，m 取值范圍為[_d，d] (3)利用除法計(jì)算頻域多徑傳遞函數(shù)H(f) = S (f) /S0 (f) = S (f) *S*0m (f) / | S0m (f) |2(4)對(duì)頻域多徑傳遞函數(shù)H(f)進(jìn)行平滑、奇異值去除和內(nèi)插計(jì)算得到H' “ (f)(5)對(duì)平滑和內(nèi)插后的頻域多徑傳遞函數(shù)H' “ (f)求逆傅立葉變換或反離散傅 立葉變換(IDFT)運(yùn)算h' (t) = IDFT(H' “ (f))(6)搜索h' (t)的幅度峰值|h' (A、)|及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間A、，獲得直達(dá)路徑 的時(shí)間延遲與本地碼發(fā)生器鎖定位置的時(shí)間差A(yù) xffl0(7)提高多徑分辨率的搜索，搜索范圍是接收信號(hào)s(nts)采樣間隔內(nèi)高采樣率本 地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼Sl (nts+m tsl)的數(shù)目，即m從-d開始每次增加1直至d，如果未完成，m加 1后回到第(2)的B步，接著完成(3)、⑷、(5)和(6)步；如果完成，則進(jìn)入第(8)步。(8)完成搜索m取值范圍為[_d，d]的幅度峰值|h' (A xj |中最大幅值對(duì)應(yīng)的 精確時(shí)間A 1_。(9)搜索結(jié)果去修正原閉環(huán)碼鎖定環(huán)的鎖定時(shí)間，即最終的鎖定時(shí)間為原閉環(huán)碼 鎖定環(huán)的鎖定的時(shí)間延遲與修正值A(chǔ) Tmax的代數(shù)和。其中步驟(2)中獲取的A、B的數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度Td為一個(gè)偽隨機(jī)碼周期的整數(shù)倍，數(shù) 據(jù)的點(diǎn)數(shù)為N = LTd/ts」ix」表示取小于等于x的整數(shù)；
其中步驟(2)中B的本地為隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)是通過已經(jīng)鎖定的已知規(guī)律的低采樣 率的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼的相位，通過已知生成多項(xiàng)式產(chǎn)生的更高采樣率的本地為 隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)。需要說明的是這個(gè)高采樣率的本地為隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)是很容易產(chǎn)生的， 因?yàn)槠渖啥囗?xiàng)式已經(jīng)知道，初始狀態(tài)已知，隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)也僅是0，1。其中步驟(4)中的平滑、奇異值去除和內(nèi)插運(yùn)算，包括平滑運(yùn)算、奇異值去除和內(nèi) 插運(yùn)算。平滑運(yùn)算就是對(duì)已獲得的頻域傳遞函數(shù)H(f)在頻域進(jìn)行平均，即為獲得中間點(diǎn)的 平滑數(shù)據(jù)取其周圍的數(shù)據(jù)相加并取算術(shù)平均，所取的周圍數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)包括被平滑的數(shù)據(jù)點(diǎn) 數(shù)為奇數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)。奇異值去除和內(nèi)插運(yùn)算根據(jù)除法獲得頻域傳遞函數(shù)H(f)的除數(shù)即本地 為隨機(jī)擴(kuò)頻碼的頻域函數(shù)s-a)為零的點(diǎn)的分布進(jìn)行，首先計(jì)算出s-a)為零的頻率，接著 刪除ScJf)為零的頻點(diǎn)及其附近大于和小于該頻點(diǎn)各M點(diǎn)的取值即每fS-a)為零的位置 需要?jiǎng)h除該數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍2*M+1個(gè)數(shù)據(jù)，M為正整數(shù)，然后利用其余未刪除的S-a)數(shù)據(jù)，對(duì) 已刪除的數(shù)據(jù)進(jìn)行不等距節(jié)點(diǎn)內(nèi)插，具體的插值方法可以使線性、樣條函數(shù)等。本發(fā)明的實(shí) 施例中給出了線性插值的結(jié)果。而3(| 1( 為零的具體頻率位置需要根據(jù)采樣率、采樣數(shù)據(jù) 持續(xù)時(shí)間、本地為隨機(jī)擴(kuò)頻碼的相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)確定。在實(shí)施例中將給出一個(gè)具體實(shí)例結(jié)^ o本發(fā)明基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法的優(yōu)點(diǎn)在于(1)克服了頻域除法獲得傳遞函數(shù)時(shí)引起的奇異值影響(2)克服了噪聲對(duì)頻域除法獲得傳遞函數(shù)的影響(3)利用本地已知生成規(guī)律的偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼的高采樣率數(shù)據(jù)，通過搜索可獲得精 度與所生成高采樣率時(shí)間相當(dāng)?shù)亩鄰焦烙?jì)結(jié)果，如高采樣率的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為1ns，則多徑 搜索精度可以達(dá)到Ins以內(nèi)。


圖1，本發(fā)明方法的數(shù)據(jù)獲取與處理背景示意圖
圖2，本發(fā)明算法流程圖
圖3，實(shí)施例中初始頻域傳遞函數(shù)的實(shí)部
圖4，實(shí)施例中初始頻域傳遞函數(shù)的虛部
圖5，實(shí)施例中初始頻域傳遞函數(shù)的模
圖6，實(shí)施例中對(duì)初始頻域傳遞函數(shù)平滑后的實(shí)部
圖7,實(shí)施例中對(duì)初始頻域傳遞函數(shù)平滑后的虛部
圖8，實(shí)施例中對(duì)初始頻域傳遞函數(shù)平滑后的模
圖9，實(shí)施例中對(duì)平滑后頻域傳遞函數(shù)奇異值去除和內(nèi)插后的實(shí)部
圖10，實(shí)施例中對(duì)平滑后頻域傳遞函數(shù)奇異值去除和內(nèi)插后的虛部
圖11，實(shí)施例中對(duì)平滑后頻域傳遞函數(shù)奇異值去除和內(nèi)插后的模
圖12，對(duì)經(jīng)過平滑、奇異值去除和內(nèi)插后的頻域函數(shù)的傅立葉反變換
圖13，精確搜索本地碼數(shù)據(jù)獲取過程
圖14，一條多徑下經(jīng)典方法與精確搜索后的延遲估計(jì)誤差包絡(luò)
圖15，平滑濾波一次的濾波頻域特性
圖16，平滑濾波10次的濾波頻域特性
圖17，平滑濾波20次的濾波頻域特性圖中各代號(hào)的說明，1接收機(jī)天線，2模擬前端，3第一乘法器，4第二乘法器，5積 分清零器，6環(huán)路濾波及后處理，7本地載波信號(hào)發(fā)生器，8本地碼發(fā)生器，9信號(hào)處理，10算 法開始時(shí)已完成接收機(jī)的頻率鎖相環(huán)和碼鎖相環(huán)鎖定，11獲取時(shí)間長(zhǎng)度為Td的去除載波 的中頻數(shù)字化多徑接收數(shù)據(jù)s(nts)，ts是采樣時(shí)間間隔，12利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì) 算S(f) = DFT(s(nts)), 13獲取時(shí)間長(zhǎng)度為Td的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)S(1(ntS)，并獲得 與S(l(ntS)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的提高了采樣率的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)Sl(ktSl)，％1是81(0的采 樣時(shí)間間隔，且ts = d*tsl，d為正整數(shù)，且Sl(ntsl) = s0(nts),k = n*d，14利用離散傅立葉 變換(DFT)計(jì)算S^f) =DFT(Sl(nts+mtsl)，m取值范圍為[_d，d]，15利用除法計(jì)算頻域多 徑傳遞函數(shù)H(f) = S(f)/S0ffl(f) = S(f)*S*0ffl(f)/|S0ffl(f) |2，16 對(duì)頻域多徑傳遞函數(shù)H(f) 進(jìn)行平滑、奇異值去除和內(nèi)插計(jì)算得到H' “ (f)，17對(duì)平滑、奇異值去除和內(nèi)插后的頻域 多徑傳遞函數(shù)H' “ (f)求逆離散傅立葉變換(IDFT)運(yùn)算h' (t) = IDFT(H' “ (f))， 18搜索h' (t)的幅度峰值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間，獲得直達(dá)路徑的時(shí)間延遲與本地碼發(fā)生器鎖 定位置的時(shí)間差A(yù) ，19提高多徑分辨率的搜索，m搜索范圍為[-d，d]是否完成？未完 成轉(zhuǎn)入第13步，第20完成，并輸出搜索的最大幅值對(duì)應(yīng)的精確偏移時(shí)間去修正原閉環(huán)碼鎖 定環(huán)的鎖定時(shí)間位置，從而求得實(shí)際延遲。圖12中的21表示一個(gè)幅度峰值位置，22表示一個(gè)次幅度峰值位置。圖14中， 23_1、23_2表示接收機(jī)的碼鑒別器的早遲碼間隔為一個(gè)碼片時(shí)間T。的碼延遲估計(jì)誤差包 絡(luò)，其中23_1表示多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)同相情況，23_2表示多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)反相情 況。24_1、24_2表示接收機(jī)的碼鑒別器的早遲碼間隔為一個(gè)采樣間隔時(shí)間ts的碼延遲估計(jì) 誤差包絡(luò)，其中24_1表示多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)同相情況，24_2表示多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)反 相情況。25_1、25_2表示精確搜索后的碼延遲估計(jì)誤差包絡(luò)，其中25_1表示多徑信號(hào)與直 達(dá)信號(hào)同相情況，25_2表示多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)反相情況，接收機(jī)的碼鑒別器的早遲碼間 隔仍為一個(gè)采樣間隔時(shí)間ts。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法的實(shí)施，但并不 意味著對(duì)本發(fā)明內(nèi)容的任何限制。附圖1給出了本發(fā)明計(jì)算方法獲取信號(hào)的方法。圖1中，接收機(jī)天線1接收到信 號(hào)后，由模擬前端2進(jìn)行變頻成中頻、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，處理后獲得的數(shù)字信號(hào)由第一 乘法器3與本地載波信號(hào)發(fā)生器7的輸出進(jìn)行中頻到基帶的信號(hào)的轉(zhuǎn)換，第一乘法器3的 輸出分為兩路，一路送入信號(hào)處理9進(jìn)行處理，另一路送入第二乘法器4與本地碼發(fā)生器8 的輸出進(jìn)行相乘獲得解擴(kuò)的信號(hào)，解擴(kuò)信號(hào)送入積分清零器5進(jìn)行濾波處理，即在規(guī)定的 積分時(shí)間后輸出積分值并對(duì)積分器清零，積分清零器5的輸出送入環(huán)路濾波及后處理6，環(huán) 路濾波及后處6理一方面產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)輸入到本地載波信號(hào)發(fā)生器7以控制其載波頻率和 相位，另一控制數(shù)據(jù)輸入到本地碼發(fā)生器8以控制其碼產(chǎn)生的相位與接收機(jī)天線1接收到 信號(hào)中的偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼同步，另一方面對(duì)積分清零器5送入的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼獲得數(shù)據(jù)與信 號(hào)處理9送來的數(shù)據(jù)一起被處理獲得有效的輸出信息。本地碼發(fā)生器8的另一路輸出被送 入信號(hào)處理9作為本發(fā)明方法的本地參考數(shù)據(jù)被處理。
信號(hào)處理9中將完成圖2所示步驟的處理，包括步驟10算法開始時(shí)已完成接收 機(jī)的頻率鎖相環(huán)和碼鎖相環(huán)鎖定，即載波頻率和相位已基本同步，本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼已與 接收信號(hào)的偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼同步在一個(gè)碼元時(shí)間的幾分之一以內(nèi)。這時(shí)進(jìn)行步驟11獲取時(shí) 間長(zhǎng)度為Td的去除載波的中頻數(shù)字化多徑接收數(shù)據(jù)s(nts)，ts是采樣時(shí)間間隔，對(duì)獲取的 s(nts)進(jìn)行步驟12利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì)算S(f) = DFT(s (nts))，在進(jìn)行步驟11 獲取時(shí)間長(zhǎng)度為Td的去除載波的中頻數(shù)字化多徑接收數(shù)據(jù)s (nts)的同時(shí)進(jìn)行步驟13獲取 時(shí)間長(zhǎng)度為Td的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)S(l(ntS)，并獲得與S(l(ntS)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的提高了采 樣率的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)Sl (ktsl)，tsl是Sl (t)的采樣時(shí)間間隔，且ts = d*tsl，d為正 整數(shù)，且^吐』=S>ts)，k = n*d，在本步中偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼從本地碼發(fā)生器8得到的是 s0(nts)，即采樣時(shí)間間隔為ts，將采樣率提高d倍，可通過已知的本地碼發(fā)生器8的產(chǎn)生公 式和初始條件獲得(ktsl)，Sl (ktsl)與本地碼發(fā)生器8得到的S(l (nts)相關(guān)后的相關(guān)峰值點(diǎn) 就是Sl(ktsl))與s0(nts)的對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)并用Sl(ktsl)作后續(xù)的計(jì)算。注意，Sl(ktsl)與本地碼發(fā) 生器8得到的S(l(nts)相關(guān)運(yùn)算時(shí)，Sl(ktsl)每次移動(dòng)的時(shí)間是tsl，但與S(l(nts)相關(guān)時(shí)取樣 間隔為ts。具體見后面圖13的說明。完成步驟13獲取時(shí)間長(zhǎng)度為Td的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼 數(shù)據(jù)Sl(ktsl)后，進(jìn)行步驟14利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì)算S^f) =DFT(Sl(nts+mtsl)), m取值范圍為[_d，d]，在完成步驟12利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì)算S(f) =DFT(s(nts)) 和步驟14利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì)算S^^f) = DFT(Sl(nts+mtsl))后進(jìn)入步驟15利 用除法計(jì)算頻域多徑傳遞函數(shù):H(f) = S(f)/S0ffl(f) = S(f)*S*0m(f)/|S0m(f) |2，步驟16對(duì) 頻域多徑傳遞函數(shù)H(f)進(jìn)行平滑、奇異值去除和內(nèi)插計(jì)算得到H' “ (f)，具體的平滑和 內(nèi)插方法見后面詳述，然后進(jìn)行步驟17對(duì)平滑、奇異值去除和內(nèi)插后的頻域多徑傳遞函數(shù) H' “ (f)求逆離散傅立葉變換(IDFT)運(yùn)算h' (t) =IDFT(H' “ (f))，然后進(jìn)行步驟18 搜索h' (t)的幅度峰值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間，獲得直達(dá)路徑的時(shí)間延遲與本地碼發(fā)生器鎖定 位置的時(shí)間差A(yù)、，用此偏移修正碼鎖相環(huán)鎖定的時(shí)間位置，從而求得實(shí)際延遲。步驟19 提高多徑分辨率的搜索，m搜索范圍[_d，d]是否完成？即m從-d開始，到-d+1，…，d-1， d是否完成，未完成轉(zhuǎn)入步驟第13步，在第13步中獲得的Sl (nts+m*tsl)，其初始位置每次被 向前或向后移動(dòng)一個(gè)采樣時(shí)間tsl，由m決定最終移動(dòng)的時(shí)間間隔tsl數(shù)目，以這個(gè)新移動(dòng)時(shí) 間起點(diǎn)作為第一個(gè)數(shù)據(jù)，間隔d個(gè)數(shù)據(jù)抽取一個(gè)點(diǎn)得到新的Sl(nts+m*tsl)，接著進(jìn)行后續(xù)的 14、15、16、17、18步驟，步驟20完成，S卩m的取值范圍已經(jīng)完成，并輸出搜索的最大幅值對(duì)應(yīng) 的精確時(shí)間搜索結(jié)果，該結(jié)果輸入到環(huán)路濾波及后處理6去修正原閉環(huán)碼鎖定環(huán)的鎖定時(shí) 間。頻域傳遞函數(shù)H (f)的平滑和插值頻域平滑為后續(xù)去除由于除法引起的奇異值做準(zhǔn)備，采用如下的平滑方法對(duì)在采樣率為fs = l/ts下，由頻域除法獲得的頻域傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)H(n A fs)，n =
(2)
(3 ) 由于式(1)具有對(duì)稱性，平滑輸出不會(huì)對(duì)原數(shù)據(jù)產(chǎn)生相移，因此不會(huì)影響延遲的 估計(jì)。其濾波特性為
(6) 如果一次平滑不能滿足要求，可使用級(jí)聯(lián)方式連續(xù)平滑 圖15、圖16、圖17分別給出了(7)式中p = l、p = 10和p = 20的平滑濾波頻域特性。奇異值去除和頻域內(nèi)插頻域內(nèi)插過程就是在平滑后對(duì)奇異點(diǎn)進(jìn)行去除和用周圍 的非奇異值數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插出去除的奇異值點(diǎn)。根據(jù)已知的偽隨機(jī)序列的參數(shù)、采樣率和采樣 持續(xù)時(shí)間或相關(guān)積分時(shí)間可得到奇異值發(fā)生的位置。本實(shí)施例利用GPS的C/A碼情況。對(duì) GPS的C/A碼其碼片寬度為T。= 1/1.023US，則其自相關(guān)函數(shù)Cq(t) = IDFT{|S0(f) |2}的
歸一化自相關(guān)函數(shù)亡。(力表示為
(8)其傅立葉變換(FT)為 kQ是歸一化常系數(shù)。顯然，式(9)在 即 位置會(huì)出現(xiàn)歸一化自相關(guān)函數(shù)巧(r)的傅立葉變換CM(f) = 0，從而在使用式 H(f) = S(f) / S0ra (f) = S(f )S:m (f) /1 S0m (f)|2=做除法時(shí)會(huì)出現(xiàn)奇異值，在本實(shí)施
例中，信號(hào)以25Mhz采樣，采樣時(shí)間間隔ts = l/25Mhz = 40ns，T。= (1/1. 023)us，采樣了 Td =lms的時(shí)間共計(jì)N=|_Td/ts_|=25000個(gè)數(shù)據(jù)，|_x」表示取小于等于x的整數(shù)，當(dāng)利用離散傅
利葉變換時(shí)離散頻率間隔為+ = iOOOhz，而在f = ^ = k* 1.023 *106hz，即在f*Td = k*1023
譜線位置會(huì)出現(xiàn)奇異值，因此可以在Td和T。確定后對(duì)CM(f)出現(xiàn)奇異值的位置將這些奇 異值去除，并用周圍非奇異值對(duì)去除的值進(jìn)行插值。特別由于噪聲的影響，奇異值不再只
局限于f 二 ±|，k * 0,k = ±1,±2，…的位置，這些奇異值位置附近也會(huì)受影響，因此實(shí)際中應(yīng)
去除奇異值位置為中心的周圍一定范圍的值，本實(shí)施例中去除了^土!"，1^0，1^^^^2，…
外，附近各M = 50個(gè)數(shù)據(jù)也將被作為不可靠數(shù)據(jù)去除，即比如k = 1，將除去的譜線范圍為 T
< =1*1.023*103 =1023的附近即 1023-50，1023-49，…，1023+49，1023+50，共計(jì) 2*M+1 =
丄C
101個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被去除。對(duì)其它的k值也類似處理，去除奇異值的頻域傳遞函數(shù)為H" (f), 然后用周圍的非奇異值插值出所有去除的值。設(shè)內(nèi)插處理為影射INTERPC)則有最后輸出 為 本實(shí)施例中使用不等距節(jié)點(diǎn)內(nèi)插方法具體使用的是線性插值，插值出去除的奇異 值。由于這種數(shù)學(xué)方法已是一種經(jīng)典的方法這里就不詳述。下面給出本實(shí)施例的一些結(jié)果，需要說明的是本實(shí)施例并不意味著對(duì)本發(fā)明的任 何限制。接收信號(hào)是GPS的C/A偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼信號(hào)其生成多項(xiàng)式、初始狀態(tài)由于均公開可 查這里不再贅述，所用衛(wèi)星號(hào)為2號(hào)，在接收機(jī)閉環(huán)前已完成狀態(tài)搜索，因此本地碼生成的 狀態(tài)已知。接收信號(hào)采樣率25Mhz，ts= l/25us = 40ns，C/A碼片時(shí)間T。= (l/1.023)us, 采樣了 Td = lms的時(shí)間共計(jì)25000個(gè)數(shù)據(jù)，需要注意的是Td取值應(yīng)是本地為隨機(jī)擴(kuò)頻碼的 周期的整數(shù)倍，如C/A碼的周期是1ms，故應(yīng)取lms的整數(shù)倍，lms,2ms,3ms等等，這里Td取 lms。本地為隨機(jī)擴(kuò)頻碼S(1(n ts), n = 1,2,…，25000。提高采樣率的本地為隨機(jī)擴(kuò)頻碼
{s fnt) k = n * d
,甘 ，d=40, tsl =lns。在接收機(jī)接收到的信號(hào)s(n ts)具有直達(dá)信號(hào)
s!(ktsl)，其匕和一條相對(duì)直達(dá)信號(hào)延遲為900ns、幅度相對(duì)直達(dá)信號(hào)幅度衰減7dB的多徑信號(hào)，載噪比為 40dB-hz。求 S(f) = DFT(s(nts)), S0m(f) = DFT (Sl (nts+mtsl)，m 取值范圍為[-40，40].求 出頻域傳遞函數(shù)H(f) = S(f)/S0(f) = S(f)S'om(f)/1 S。m(f) |2，圖3表示頻域傳遞函數(shù)的頻譜實(shí)
部，圖4表示頻域傳遞函數(shù)頻譜的虛部，圖5表示頻域傳遞函數(shù)頻譜的模。圖3、4、5的橫軸 表示頻域的離散點(diǎn)數(shù)，縱軸表示幅度?？梢钥吹接捎谠肼暫推娈愔档挠绊?，使頻域傳遞函數(shù) 頻譜的許多數(shù)據(jù)無法使用。接著對(duì)頻域傳遞函數(shù)H(f)的頻譜進(jìn)行平滑處理，平滑處理的平 均點(diǎn)數(shù)為5，級(jí)聯(lián)處理的階數(shù)為20即式(7)中的k = 20，得到平滑處理后的頻域傳遞函數(shù) H' (f)。圖6表示對(duì)頻域傳遞函數(shù)的平滑處理后頻譜H' (f)實(shí)部，圖7表示頻域傳遞函 數(shù)的平滑處理后頻譜H' (f)的虛部，圖8表示頻域傳遞函數(shù)的平滑處理后頻譜H' (f)的 模?？梢钥吹狡交幚砗?，頻域傳遞函數(shù)的噪聲被消弱，同時(shí)奇異值的幅度亦受到抑制，但 傳遞函數(shù)的真實(shí)值部分、并未受到影響。接著對(duì)平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值的去除和內(nèi)插處 理，對(duì)其奇異值的去除和內(nèi)插處理結(jié)果H' “ (f)為圖9表示對(duì)頻域傳遞函數(shù)的奇異值去除 和內(nèi)插處理后頻譜H' “ (f)實(shí)部，圖10表示頻域傳遞函數(shù)的奇異值去除和內(nèi)插處理后頻 譜H' “ (f)的虛部，圖11表示頻域傳遞函數(shù)的奇異值去除和內(nèi)插處理后頻譜H' “ (f)的 模?？梢钥吹揭呀?jīng)獲得了真實(shí)的頻域傳遞函數(shù)。對(duì)上述處理后的多徑傳遞函數(shù)H' “ (f) 做反離散傅里葉變換得到圖12，可看到在以第一條譜線為參考，在標(biāo)號(hào)為21處即第二條譜 線處有一幅度峰值表示接收信號(hào)相對(duì)本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼位置有一延遲40ns的直達(dá)路徑， 因?yàn)樽V線的時(shí)間間隔為采樣時(shí)間間隔％= l/25Mhz = 40ns。在標(biāo)號(hào)22處即第24條譜線處 有一次幅度峰值，表示接收信號(hào)相對(duì)本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼位置有一延遲920ns的多徑信號(hào)。多徑分辨率的提高前面的討論雖然解決了利用頻域除法獲得有效的頻域多徑傳遞函數(shù)，并由反傅立 葉變換獲得多徑的分布情況，但是由于對(duì)定位精度有重要影響的是與直達(dá)路徑信號(hào)延遲一 個(gè)碼片內(nèi)的多徑信號(hào)，接收信號(hào)的采樣率只有25Mhz，意味著前面方法的多徑分辨間隔只有 40ns左右。為提高多徑間隔的分辨率，本實(shí)施例通過提高本地偽隨機(jī)碼的采樣率由原來的 ts = l/25Mhz = 40ns提高至tsl = l/1000Mhz = Ins。這是很容易做到的，因?yàn)楸镜貍坞S機(jī) 碼擴(kuò)頻碼在實(shí)施例中為GPS的C/A碼的產(chǎn)生公式、初始條件和接收機(jī)本地碼的位置均已經(jīng) 知道。圖13中，圖13B表示實(shí)際接收數(shù)據(jù)位置，數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為采樣時(shí)間間隔本實(shí)施例中 為40ns，D是S(l(n(d*tSl))的數(shù)據(jù)位置，其數(shù)據(jù)間隔更窄，具有更高的采樣率，本實(shí)施例tsl =l/1000Mhz = Ins,即本實(shí)施例中d = 40。在第15步的利用除法計(jì)算頻域多徑傳遞函數(shù) H(f) = S(f)/S0ffl(f) = S(f)*S*0m(f)/|S0m(f)「運(yùn)算時(shí)，^叫+！!^)可以采用向前搜索即 A 所示，其數(shù)據(jù)均取自D，或向后搜索即C，其數(shù)據(jù)也取自D。比如向前搜索1ns，Sl (nts+mtsl)取 D數(shù)據(jù)相對(duì)接收數(shù)據(jù)位置前Ins為起始點(diǎn)，然后每間隔ts = l/25Mhz = 40ns = 40*tsl取一 個(gè)數(shù)據(jù)獲得向前搜索的(nts+tsl)，其它情況可類似獲得。這樣經(jīng)過搜索可獲得數(shù)據(jù)D的 時(shí)間間隔的時(shí)間分辨率。搜索范圍由接收數(shù)據(jù)B的時(shí)間間隔與本地?cái)?shù)據(jù)D的時(shí)間間隔之比 d = 40決定，即將接收數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔細(xì)分為更精細(xì)的本地?cái)?shù)據(jù)D的時(shí)間間隔。圖14給 出了一條多徑下精確搜索后的延遲估計(jì)誤差包絡(luò)，圖中橫軸表示多徑與直達(dá)路徑延遲間隔 單位為納秒ns，縱軸表示直達(dá)路徑延遲估計(jì)誤差單位為偽隨機(jī)碼碼片時(shí)間T。= (1/1.023) us。其中圖14中23_1和23_1的曲線表示，接收機(jī)的碼鑒別器的早遲碼間隔為一個(gè)碼片時(shí) 間T。= (1/1. 023)us時(shí)碼延遲估計(jì)誤差，圖14中的24_1和24_2曲線表示接收機(jī)的碼鑒別器的早遲碼間隔為一個(gè)采樣間隔時(shí)間ts = l/25Mhz = 40ns時(shí)碼延遲估計(jì)誤差，圖14中 的25_1和25_2曲線表示經(jīng)過精確搜索后的碼延遲估計(jì)誤差。正負(fù)延遲估計(jì)誤差表示多徑 與直達(dá)路徑同相和反相的極端情況下的絕對(duì)值最大時(shí)的延遲估計(jì)誤差，即延遲估計(jì)誤差包 絡(luò)。本實(shí)施例可看到經(jīng)過精確搜索后的直達(dá)路徑延遲估計(jì)可以達(dá)到士 Ins。
權(quán)利要求
一種基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法，其特征在于依次包括以下工藝步驟(1)采用傳統(tǒng)擴(kuò)頻中頻數(shù)字接收機(jī)，在粗多普勒頻偏和碼相位信息已獲得的情況下，閉環(huán)載波跟蹤環(huán)和閉環(huán)碼跟蹤環(huán)；(2)獲取數(shù)據(jù)計(jì)算頻譜A、獲取時(shí)間長(zhǎng)度為Td的去除載波的中頻數(shù)字化多徑接收數(shù)據(jù)s(nts)，ts是采樣時(shí)間間隔，利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì)算，S(f)＝DFT(s(nts))，ts是采樣間隔。B、獲取時(shí)間長(zhǎng)度為Td的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)s0(nts)，并獲得與s0(nts)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的提高了采樣率的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)s1(kts1)，ts1是s1(t)的采樣間隔，且ts＝d*ts1，d為正整數(shù)， 利用離散傅立葉變換(DFT)計(jì)算S0m(f)＝DFT(s1(nts+mts1)，m取值范圍為[-d，d]；(3)利用除法計(jì)算頻域多徑傳遞函數(shù)H(f)＝S(f)/S0(f)＝S(f)*S*0m(f)/|S0m(f)|2；(4)對(duì)頻域多徑傳遞函數(shù)H(f)進(jìn)行平滑、奇異值去除和內(nèi)插計(jì)算得到H′″(f)；(5)對(duì)平滑、奇異值去除和內(nèi)插后的頻域多徑傳遞函數(shù)H′″(f)求逆傅立葉變換(IDFT)運(yùn)算h′(t)＝IDFT(H′″(f))；(6)搜索h′(t)的幅度峰值|h′(Δτm)|及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間Δτm，獲得直達(dá)路徑的時(shí)間延遲與本地碼發(fā)生器鎖定位置的時(shí)間差Δτm；(7)提高多徑分辨率的搜索，搜索范圍是接收信號(hào)s(nts)采樣間隔內(nèi)高采樣率本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼s1(nts+m ts1)的數(shù)目，即m從-d開始每次增加1直至d，如果未完成，m加1后回到第(2)的B步，接著完成(3)、(4)、(5)和(6)步；如果完成，則進(jìn)入第(8)步；(8)完成搜索m取值范圍為[-d，d]的幅度峰值|h′(Δτm)|中幅值最大對(duì)應(yīng)的精確時(shí)間Δτmax；(9)搜索結(jié)果去修正原閉環(huán)碼鎖定環(huán)的鎖定時(shí)間，即最終的鎖定時(shí)間為原閉環(huán)碼鎖定環(huán)的鎖定時(shí)間與修正值Δτmax的代數(shù)和。FSA00000130928900011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法，其特征在于所述 第(2)步中獲取的A、B的數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度Td為一個(gè)偽隨機(jī)碼周期的整數(shù)倍，數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)為 >^ = 1^/%」，^」表示取小于等于1的整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法，其特征在于所述第 (2)步B中獲取的提高了采樣率的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)Sl(ktsl)，通過已知生成多項(xiàng)式、 已知初始狀態(tài)產(chǎn)生，隨機(jī)擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)取值范圍是0，1。Sl(nts+m*tsl)的初始位置由m*tsl決 定移動(dòng)的時(shí)間間隔tsl數(shù)目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法，其特征在于所述第 (4)步中的平滑、奇異值去除和內(nèi)插計(jì)算中，平滑使用對(duì)在采樣率為fs = l/ts下，由頻域除法獲得的頻域傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)H(nAfs)，n = 0， 1 f`1，...，N。Afs =;^，N = #采用 5 點(diǎn)滑動(dòng)平均輸出 H' (nAfs),n = 0,1,…，N。
并使用級(jí)聯(lián)方式連續(xù)平滑P次，P為正整數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法，其特征在于所述第 (4)步中的平滑、奇異值去除和內(nèi)插計(jì)算中，奇異值去除使用首先計(jì)算出ScJf)為零的頻 率，然后刪除Stlm(f)為零的頻點(diǎn)及其附近大于和小于該頻點(diǎn)各M點(diǎn)的頻域傳遞函數(shù)H(f)取 值即每個(gè)ScJf)為零的位置需要?jiǎng)h除2*M+1個(gè)數(shù)據(jù)，M為正整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域傳遞函數(shù)估計(jì)的多徑消減方法，其特征在于所述第 (4)步中的平滑、奇異值去除和內(nèi)插計(jì)算中，對(duì)內(nèi)插使用其余未刪除的ScJf)數(shù)據(jù)，對(duì)已刪 除的數(shù)據(jù)進(jìn)行不等距節(jié)點(diǎn)內(nèi)插。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用接收信號(hào)頻譜與本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼頻譜相除獲得頻域傳遞函數(shù)，減少多徑對(duì)直達(dá)路徑延遲進(jìn)行精確估計(jì)影響的改進(jìn)方法。為克服奇異值、噪聲對(duì)頻域除法獲得傳遞函數(shù)的影響，首先進(jìn)行頻域數(shù)據(jù)平滑，然后對(duì)奇異值點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除并就利用其附近的非奇異值進(jìn)行插值以獲得奇異值附近的數(shù)據(jù)。為克服傅立葉變換的分辨率受接收信號(hào)采樣率決定的缺點(diǎn)，通過本地產(chǎn)生高采樣率的偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼參考數(shù)據(jù)，搜索最強(qiáng)的直達(dá)路徑信號(hào)及對(duì)應(yīng)的延遲，獲得精確的直達(dá)信號(hào)的延遲值，這個(gè)延遲值是對(duì)接收機(jī)碼鎖相環(huán)已經(jīng)鎖定的本地偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼時(shí)間位置的一個(gè)精確的修正值，該修正值在沒有多徑信號(hào)的情況下應(yīng)為零，即最終的直達(dá)路徑精確延遲是原閉環(huán)碼鎖定環(huán)的鎖定的時(shí)間延遲與這個(gè)精確的時(shí)間修正值的代數(shù)和。
文檔編號(hào)H04B1/707GK101854190SQ20101018004
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者徐紅, 黃勇 申請(qǐng)人:西華大學(xué)