利用參考波形估計導航信號測距偏差

文/李朝輝

相關峰、星座圖、眼圖、頻譜圖屬于較為傳統的在軌衛星導航信號質量監測方法，這類方法可較好服務于明顯信號異常的評估，但卻不能滿足微小信號異常的評估需要，而為了較好應對微小信號異常引發的測距偏差，正是本文圍繞利用參考波形估計導航信號測距偏差開展具體研究的原因所在。

1 利用參考波形估計導航信號測距偏差的方法

1.1 參考波形定義

本文研究的參考波形指的是一種理想矩形脈沖波形，其上升沿零交叉點為軌衛星信號波形的上升沿零交叉點，偽碼速率直接影響其脈沖寬度。相較于理想波形，參考波形可能出現滯后或超前情況，但不同衛星存在的這類差異相對測距偏差而言可以忽略。本文研究中的實際衛星信號由2OS模型代替，以此分析2OS模型、理想模型與參考模型的差異。在TMB模型對應的參考波形中，理想波形與參考波形均屬于理想矩形脈沖，但存在滯后偏差。

1.2 測距偏差估計

理想波形的測距偏差為0，相對參考波形來說，實際衛星發播信號波形存在測距偏差，衛星發播信號質量的評估可基于該測距偏差展開，測距受到的評估信號波形異常影響程度也能夠通過測距偏差進行衡量。延遲鎖定環進行接收信號偽碼跟蹤屬于導航接收機測距的典型原理，相關器、環路濾波器、鑒相器等構成了延遲鎖定環，鑒相器曲線零交叉點的跟蹤屬于延遲鎖定環的主要工作內容，由此即可保證輸入碼跟蹤誤差最小。如接收到正常導航信號，鑒相器在環路濾波器達到穩態時輸出為零，但如果出現衛星導航波形畸變，鑒相曲線零交叉點便會偏離正常位置，這一偏移量將直接影響測距偏差的大小，如（1）所示，式中的ε、分別為測距偏差、鑒相函數。

結合上述分析，可得出如下測距偏差估計方法：

（1）根據碼速率確定欠采樣速率，通過欠采樣處理采集數據，結合判讀符號獲得本地碼。

（2）零交叉點粗略位置由采樣數據的正負號變化確定，線性擬合以粗略位置為中心，獲得零交叉點的精確位置。

（3）進行不同脈沖上升沿與第一個數據點距離的計算，開展碼片寬度求模，求得偽碼周期起點與第一個數據點之間的距離。平均處理不同上升沿對應距離值，即可獲得偽碼周期起點與第一個數據點的距離估計值。

（4）產生本地滯后信號和本地超前信號，分別進行數據采集、運算處理，求得兩者之差繪制鑒相器曲線。

（5）通過線性擬合處理鑒相器曲線，明確零交叉點精確位置。

（6）鑒相器曲線中心位置與零交叉點距離為測距偏差，其數值小于0代表滯后偏差，大于0為超前偏差。

2 仿真分析

2.1 2OS模型畸變波形測距偏差

為驗證上述估計方法，本文以2OS模型為基礎產生畸變波形，并深入分析估計精度。設偽碼碼速率為1.023Mchip/s，TMB模型參數分別為：

衛星發播信號狀態的不同采用3種TMB模型參數表示，結合對比不難發現，相關間距在同一參數下直接影響測距偏差，且不同參數對應的測距偏差相差較大。

基于1.023Mchip/s的偽碼碼速率，采用0.05的TMC模型超前/滯后參數△，采用與TMB模型相同的振蕩頻率參數fd、衰減因子參數σ，不同衛星的發播信號狀態通過TMC模型參數對應。結合TMC模型測距偏差對比不難發現，相關間距直接影響同一參數的測距偏差，且不同參數對應的測距偏差相差較大，二者存在25ns的滯后差距，這一差距源于參數△的影響。

2.2 測距偏差估計精度

為分析估計精度受到的噪聲影響，將高斯白噪聲引入畸變波形信號，由此即可分析信噪比與估計精度、信號長度與估計精度的關系。采用同2.1節的偽碼碼速率參數設置，采用TMC模型的畸變波形，模型的參數為△=0.05，脈沖數設為1000，即可得出不同信噪比下測距偏差估計精度，結合對比可確定，測距偏差估計精度會隨著信噪比的升高而升高，且受到相關間距變化影響，因此通過降低噪聲電平、增加地面接收天線增益，即可有效提高估計精度；采用相同的偽碼碼速率參數、畸變波形參數，設信噪比為25dB，可得出不同脈沖數下測距偏差估計精度，結合對比不難發現，相關間距變化會直接影響測距偏差估計精度，測距偏差估計精度會隨著信號長度的增大而升高，因此可采用增加信號長度（信噪比較低時）的方式提升估計精度。

3 結論

綜上所述，參考波形能夠較好服務于導航信號測距偏差的估計，在此基礎上，本文涉及的參考波形定義、測距偏差估計、2OS模型畸變波形測距偏差、測距偏差估計精度等內容，則提供了可行性較高的導航信號測距偏差估計路徑，而為了進一步提升研究的實用性，基于參考波形的在軌衛星信號測距性能評估必須得到重視，這也將成為筆者下一步的研究方向。