一種利用載波觀測(cè)優(yōu)化偽碼測(cè)距精度的方法

王嘉偉 曾芳玲 郭靖蕾

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一種利用載波觀測(cè)優(yōu)化偽碼測(cè)距精度的方法

王嘉偉 曾芳玲 郭靖蕾

電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037

針對(duì)偽碼測(cè)距精度較載波相位觀測(cè)低，但載波測(cè)距又存在整周模糊問題，觀測(cè)難度較大，提出一種利用載波平滑偽距測(cè)量的方法，該方法利用載波測(cè)距的載波相位測(cè)量值輔助提高偽碼測(cè)距精度,同時(shí)，偽碼測(cè)距又可以輔助載波相位的鎖定，改善載波相位觀測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了載波平滑偽距對(duì)偽距觀測(cè)的改善。

偽碼測(cè)距；載波測(cè)距；載波平滑偽距

偽碼測(cè)距和載波測(cè)距已經(jīng)成為現(xiàn)代空間測(cè)量領(lǐng)域中的兩種最主要的測(cè)距方式，研究結(jié)果表明，偽碼測(cè)距的觀測(cè)噪音相對(duì)于載波相位觀測(cè)噪音來說要大得多，同時(shí)它受多路徑的影響程度也比載波相位觀測(cè)更為嚴(yán)重，所以偽碼測(cè)距的測(cè)量精度相對(duì)載波相位測(cè)量的精度來講要低一些，但其優(yōu)點(diǎn)是不具有整周模糊度。相比較而言，載波相位的測(cè)距精度通常是基于載波的整數(shù)倍波長(zhǎng)而計(jì)算的，因此其測(cè)距精度較高。但在其測(cè)量過程中需要解算整周模糊度。而通常來說，模糊度的解算準(zhǔn)確度較低，而且解算過程的時(shí)間也較長(zhǎng)，這使載波相位測(cè)距在實(shí)際中的應(yīng)用受到了限制。

本文介紹了偽碼測(cè)距和載波測(cè)距的基本方法。利用載波測(cè)距的載波相位測(cè)量值作為輔助對(duì)偽碼測(cè)距值實(shí)施相位平滑，提高偽碼測(cè)距的精度，最后給出了載波相位平滑偽距前后的仿真結(jié)果對(duì)比圖[1]。

1 基于偽碼的雙向測(cè)距原理

所謂偽碼測(cè)距方法，即通過測(cè)量接收機(jī)接收到的偽碼與本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽碼之間的相位差，來獲得偽碼測(cè)距信號(hào)在空間中的傳播時(shí)延，從而獲得測(cè)距值的方法[1]。偽碼測(cè)距的示意圖如圖1所示：

圖1 偽碼測(cè)距示意圖

通過偽碼測(cè)距的基本方程：

得出節(jié)點(diǎn)之間的距離。

偽碼測(cè)距過程中獲得的相位時(shí)延存在諸多誤差的影響，從而導(dǎo)致利用偽碼進(jìn)行測(cè)距的精度較低。

2 基于載波相位的雙向測(cè)距原理

載波相位觀測(cè)測(cè)量，即通過測(cè)定載波信號(hào)在傳播路徑的相位變化來確定偽距的方法。通常發(fā)射的載波測(cè)距信號(hào)的頻率很高，那么載波相位就會(huì)有較高的分辨率，因此，在載波相位測(cè)距過程中通過計(jì)算載波相位差，就能得到高精度的測(cè)距值[2]。

圖2 載波相位測(cè)距示意圖

偽碼測(cè)量是載波相位測(cè)量的基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)載波相位測(cè)量，應(yīng)先進(jìn)行對(duì)偽隨機(jī)碼的延遲鎖定，從而來實(shí)現(xiàn)對(duì)偽碼信號(hào)的跟蹤。當(dāng)跟蹤成功以后，再利用載波鎖相環(huán)進(jìn)行相位鎖定，鎖定成功后，通過后續(xù)對(duì)載波相位的跟蹤，對(duì)其載波相位變化的整周期數(shù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)，之后在任意觀測(cè)時(shí)刻，其總相差可以表示為：

由于一般用來測(cè)距的載波頻率較高，因此載波相位測(cè)距方法相比于偽碼測(cè)距方法具有很高的測(cè)距精度，但是它也有一定的缺陷。通常我們需要測(cè)量的距離都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射載波的波長(zhǎng)，這時(shí)由于載波是沒有任何標(biāo)志的正弦波，就會(huì)產(chǎn)生載波相位整周模糊度的問題，限制了載波相位測(cè)距方法在實(shí)際中的應(yīng)用。

3 載波相位平滑偽距

3.1 基本原理

載波相位平滑偽距是結(jié)合了偽碼測(cè)距和載波相位測(cè)距各自優(yōu)點(diǎn)的一種高精度測(cè)距方法。

在雙向測(cè)距與時(shí)間同步測(cè)量系統(tǒng)中，同時(shí)利用偽碼和載波相位進(jìn)行測(cè)距[3]。

測(cè)距終端的接收機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行偽碼測(cè)距和載波相位測(cè)距，它們的測(cè)量方程可以分別表示為：

…

將式（10）帶入到式（9）中，那么得到的就是經(jīng)過載波相位平滑后的偽距，可以表示為：

3.2 仿真驗(yàn)證

經(jīng)過上述對(duì)載波相位平滑偽距原理的分析，我們知道，載波相位平滑偽距原理，就是利用高精度的載波相位測(cè)量值作為輔助，進(jìn)行多點(diǎn)采樣和平滑濾波，平均了偽碼測(cè)量值中的大部分隨機(jī)誤差，從而提高了偽距觀測(cè)的精度[5]。

3.2.1 靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的算法仿真

對(duì)于兩個(gè)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)來說，它們之間的距離不會(huì)改變，影響測(cè)距精度的原因在于傳輸信道上的噪音以及發(fā)送和接收設(shè)備的時(shí)延。仿真條件如下，設(shè)兩節(jié)點(diǎn)相距100 m，選取碼速率為5 MHz，則一個(gè)碼元的寬度為0.2，碼元長(zhǎng)度為60 m，設(shè)相關(guān)精度為碼元寬度的5%，則偽碼測(cè)距誤差約為3 m；設(shè)載波頻率為70 MHz，一個(gè)載波周期約為14.3 ns，波長(zhǎng)約為4.3 m，設(shè)相位測(cè)距誤差為0.4 m。

按照上述仿真條件設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)隨機(jī)誤差服從零均值的正態(tài)分布，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示，為了方便比較，圖中所示為平滑前后測(cè)得的偽距值與真實(shí)值之差。

圖3 平滑前后的偽距值

由圖3可以看出平滑后的偽距測(cè)量值已經(jīng)得到了明顯的改善，十分貼近真實(shí)值。

雙向時(shí)間同步系統(tǒng)在提高精度的同時(shí)還需要滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，為此需分析平滑次數(shù)與精度間的關(guān)系。仿真實(shí)驗(yàn)中，分別進(jìn)行了平滑次數(shù)M=5、M=10、M=50、M=100、M=150、M=200、M=250和M=300時(shí)的平滑前后的偽距值比較，并得出對(duì)應(yīng)平滑次數(shù)的均方根誤差，其對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。

表1 平滑次數(shù)與測(cè)距精度的關(guān)系

由圖表1中的數(shù)據(jù)比較可知，載波相位平滑前后的偽距誤差隨著平滑次數(shù)M的不斷增大而不斷減小。經(jīng)過平滑次數(shù)M=300的平滑，其偽距誤差值從原始的1.3652 已經(jīng)降低到0.9389。圖3所示就是選取M=200對(duì)偽距進(jìn)行平滑的結(jié)果。

3.2.2 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的算法仿真

對(duì)于動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)，誤差不僅來自于傳輸信道和設(shè)備時(shí)延，還要考慮相對(duì)速度對(duì)觀測(cè)的影響。假設(shè)節(jié)點(diǎn)間處于低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不考慮多普勒頻的影響，只考慮相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。給出仿真條件，假設(shè)兩同步節(jié)點(diǎn)相距100 m，并以0.1 m/s的相對(duì)速度分離，仿真條件如下，設(shè)兩節(jié)點(diǎn)相距100 m，選取碼速率為5 MHz，設(shè)載波頻率為70 MHz，觀測(cè)精度如前。得出了如圖4和圖5所示的載波相位平滑偽距前后的對(duì)比圖。

圖4 實(shí)測(cè)與平滑后偽距比較圖

圖5 偽距比較圖（放大）

圖4和圖5所示的是采用偽距數(shù)據(jù)平滑前后的一個(gè)實(shí)例。為了更清楚地看到平滑后的效果，圖5是從圖4中截取的一段數(shù)據(jù)。由圖可以看出，平滑后的偽距差值與平滑前的偽距差值相比，已經(jīng)有了很大的改善。

利用同一組數(shù)據(jù)重復(fù)進(jìn)行300次載波相位 平滑處理，分別計(jì)算出每一次仿真試驗(yàn)的偽距誤差，并對(duì)其進(jìn)行了擬合處理，得出了平滑次數(shù)與偽距誤差之間的關(guān)系，如圖6所示：

圖6 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)偽距誤差

仿真結(jié)果表明，載波平滑偽距確實(shí)可以得到比偽碼測(cè)距更為精確的偽距值。但是平滑次數(shù)除了是載波相位平滑偽距的效果的決定因素以外，還是決定平滑時(shí)間的因素。換句話說，M的取值越大則相應(yīng)的平滑時(shí)間就越長(zhǎng)，就越難滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。因此，在實(shí)際中，我們必須在平滑的效果和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求之間進(jìn)行權(quán)衡和取舍，得出最合適的載波相位平滑的平滑長(zhǎng)度。

4 結(jié)束語

本文對(duì)載波相位平滑偽距這一方法進(jìn)行了介紹，利用Matlab進(jìn)行了仿真。證明了載波相位平滑偽距的方法在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的前提下，確實(shí)提高了測(cè)距精度。

這也為提高分布式系統(tǒng)的授時(shí)精度提供了新的思路，在主從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，利用系統(tǒng)本身發(fā)射信號(hào)的載波對(duì)偽碼測(cè)距進(jìn)行平滑，得到更為精確的偽距值，由此提高授時(shí)精度，值得深入的研究。

[1]何丹娜，張?zhí)祢U，高麗，等.二次調(diào)頻一偽碼調(diào)相復(fù)合信號(hào)的偽碼盲估計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（5）：100-103.

[2]梁保衛(wèi)，涂海洋.大多普勒條件下偽碼快捕技術(shù)[J].無線電工程，2014（8）：85-89.

[3]王徐華，柏鵬，李明陽，等.基于最小二乘法的高動(dòng)態(tài)條件下抗頻偏的精確同步方法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2012（11）：2755-2760.

[4]李井源，朱祥維，王飛雪.利用多相關(guān)器的偽碼測(cè)距多址干擾抑制算法性能分析[J].信號(hào)處理，2014（12）：1510-1516.

[5]孫旭飛，李家生.雙偽碼直序擴(kuò)頻通信方法及抗干擾仿真分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（6）：878-882.

Method for Optimizing Pseudo Code Ranging Accuracy by Carrier Observation

Wang Jiawei Zeng Fangling Guo Jinglei

Electronic Engineering Institute, Anhui Hefei 230037

In view of the low precision of the pseudo code ranging, the carrier ranging and the ambiguity of the whole week, the observation is very difficult, a method using carrier smoothing pseudo range measurement is proposed. The method of using carrier phase measurement values to improve carrier ranging pseudo code ranging precision, and at the same time, pseudo code ranging can lock the auxiliary carrier phase, improve the efficiency and accuracy of carrier phase observation, meet the requirement of real-time system. In the end of the paper, the simulation results show the improvement of the carrier smoothing pseudo range to the pseudo range observation.

pseudo code ranging; carrier ranging; carrier smoothing pseudo range

V241.4

A

1009-6434（2016）10-0153-04

王嘉偉（1991—），男，漢族，籍貫（精確到市）為安徽合肥，學(xué)歷為碩士研究生，研究方向?yàn)閷?dǎo)航與授時(shí)。