利用参考波形估计导航信号测距偏差

文/李朝辉

相关峰、星座图、眼图、频谱图属于较为传统的在轨卫星导航信号质量监测方法，这类方法可较好服务于明显信号异常的评估，但却不能满足微小信号异常的评估需要，而为了较好应对微小信号异常引发的测距偏差，正是本文围绕利用参考波形估计导航信号测距偏差开展具体研究的原因所在。

1 利用参考波形估计导航信号测距偏差的方法

1.1 参考波形定义

本文研究的参考波形指的是一种理想矩形脉冲波形，其上升沿零交叉点为轨卫星信号波形的上升沿零交叉点，伪码速率直接影响其脉冲宽度。相较于理想波形，参考波形可能出现滞后或超前情况，但不同卫星存在的这类差异相对测距偏差而言可以忽略。本文研究中的实际卫星信号由2OS模型代替，以此分析2OS模型、理想模型与参考模型的差异。在TMB模型对应的参考波形中，理想波形与参考波形均属于理想矩形脉冲，但存在滞后偏差。

1.2 测距偏差估计

理想波形的测距偏差为0，相对参考波形来说，实际卫星发播信号波形存在测距偏差，卫星发播信号质量的评估可基于该测距偏差展开，测距受到的评估信号波形异常影响程度也能够通过测距偏差进行衡量。延迟锁定环进行接收信号伪码跟踪属于导航接收机测距的典型原理，相关器、环路滤波器、鉴相器等构成了延迟锁定环，鉴相器曲线零交叉点的跟踪属于延迟锁定环的主要工作内容，由此即可保证输入码跟踪误差最小。如接收到正常导航信号，鉴相器在环路滤波器达到稳态时输出为零，但如果出现卫星导航波形畸变，鉴相曲线零交叉点便会偏离正常位置，这一偏移量将直接影响测距偏差的大小，如（1）所示，式中的ε、分别为测距偏差、鉴相函数。

结合上述分析，可得出如下测距偏差估计方法：

（1）根据码速率确定欠采样速率，通过欠采样处理采集数据，结合判读符号获得本地码。

（2）零交叉点粗略位置由采样数据的正负号变化确定，线性拟合以粗略位置为中心，获得零交叉点的精确位置。

（3）进行不同脉冲上升沿与第一个数据点距离的计算，开展码片宽度求模，求得伪码周期起点与第一个数据点之间的距离。平均处理不同上升沿对应距离值，即可获得伪码周期起点与第一个数据点的距离估计值。

（4）产生本地滞后信号和本地超前信号，分别进行数据采集、运算处理，求得两者之差绘制鉴相器曲线。

（5）通过线性拟合处理鉴相器曲线，明确零交叉点精确位置。

（6）鉴相器曲线中心位置与零交叉点距离为测距偏差，其数值小于0代表滞后偏差，大于0为超前偏差。

2 仿真分析

2.1 2OS模型畸变波形测距偏差

为验证上述估计方法，本文以2OS模型为基础产生畸变波形，并深入分析估计精度。设伪码码速率为1.023Mchip/s，TMB模型参数分别为：

卫星发播信号状态的不同采用3种TMB模型参数表示，结合对比不难发现，相关间距在同一参数下直接影响测距偏差，且不同参数对应的测距偏差相差较大。

基于1.023Mchip/s的伪码码速率，采用0.05的TMC模型超前/滞后参数△，采用与TMB模型相同的振荡频率参数fd、衰减因子参数σ，不同卫星的发播信号状态通过TMC模型参数对应。结合TMC模型测距偏差对比不难发现，相关间距直接影响同一参数的测距偏差，且不同参数对应的测距偏差相差较大，二者存在25ns的滞后差距，这一差距源于参数△的影响。

2.2 测距偏差估计精度

为分析估计精度受到的噪声影响，将高斯白噪声引入畸变波形信号，由此即可分析信噪比与估计精度、信号长度与估计精度的关系。采用同2.1节的伪码码速率参数设置，采用TMC模型的畸变波形，模型的参数为△=0.05，脉冲数设为1000，即可得出不同信噪比下测距偏差估计精度，结合对比可确定，测距偏差估计精度会随着信噪比的升高而升高，且受到相关间距变化影响，因此通过降低噪声电平、增加地面接收天线增益，即可有效提高估计精度；采用相同的伪码码速率参数、畸变波形参数，设信噪比为25dB，可得出不同脉冲数下测距偏差估计精度，结合对比不难发现，相关间距变化会直接影响测距偏差估计精度，测距偏差估计精度会随着信号长度的增大而升高，因此可采用增加信号长度（信噪比较低时）的方式提升估计精度。

3 结论

综上所述，参考波形能够较好服务于导航信号测距偏差的估计，在此基础上，本文涉及的参考波形定义、测距偏差估计、2OS模型畸变波形测距偏差、测距偏差估计精度等内容，则提供了可行性较高的导航信号测距偏差估计路径，而为了进一步提升研究的实用性，基于参考波形的在轨卫星信号测距性能评估必须得到重视，这也将成为笔者下一步的研究方向。