本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理領(lǐng)域,尤其涉及一種基于小波變換的多徑抑制方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù):
目前多徑抑制是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題,多徑抑制實(shí)際上分為抑制技術(shù)和消除技術(shù),其中抑制技術(shù)是盡力去減小多徑對接收機(jī)的影響,而消除技術(shù)則是在理論上完全消除多徑效應(yīng)。
從衛(wèi)星信號和接收天線的設(shè)計(jì)出發(fā)來實(shí)現(xiàn)多徑抑制的方法受到現(xiàn)實(shí)性和通用性的限制,而通過定位導(dǎo)航計(jì)算的方法并不能有效地抑制多徑,因此,從數(shù)字信號處理技術(shù)入手尋找有效地多徑抑制方法,但是從以上所述,目前現(xiàn)有的幾類多徑抑制技術(shù)都沒有考慮非高斯噪聲環(huán)境,而非高斯環(huán)境下基于高斯假設(shè)的算法性能會出現(xiàn)退化,這就導(dǎo)致多徑抑制效果的明顯降低、定位精度變差,因此,研究在非高斯環(huán)境下的多徑抑制技術(shù)具有必要性和實(shí)際意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是由于從衛(wèi)星信號和接收天線的設(shè)計(jì)出發(fā)來實(shí)現(xiàn)多徑抑制的方法受到現(xiàn)實(shí)性和通用性的限制,而通過定位導(dǎo)航計(jì)算的方法并不能有效地抑制多徑。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種基于小波變換的多徑抑制方法,該方法包括如下步驟:
S1,輸入中頻信號與本地載波信號通過混頻器進(jìn)行載波剝離處理;
S2,所述步驟S1中的經(jīng)過載波剝離后的信號分別與本地偽碼發(fā)生器中輸出的至少2個不同相位的本地偽碼同時經(jīng)過相關(guān)器,將該信號中的偽碼剝離,得到至少2個相關(guān)值信號;
S3,步驟S2中經(jīng)過相關(guān)器處理后輸出的至少2個相關(guān)值信號,經(jīng)過小波鑒相器進(jìn)行小波變換得到所述的相關(guān)值信號斜率突變點(diǎn)的位置,根據(jù)所述斜率突變點(diǎn)的位置計(jì)算得到偽碼鑒相誤差值;
S4,所述步驟S3中的偽碼鑒相誤差值經(jīng)過環(huán)路濾波器與本地偽碼數(shù)據(jù)振蕩器到達(dá)本地偽碼發(fā)生器,調(diào)整本地偽碼發(fā)生器中的偽碼。
本發(fā)明的有益效果是:利用小波變換方法進(jìn)行碼環(huán)多徑抑制的技術(shù),在分析偽碼自相關(guān)函數(shù)曲線的基礎(chǔ)上,利用小波變換能檢測信號奇異性的特點(diǎn),給出碼環(huán)鑒相誤差,從而改變了傳統(tǒng)的鑒相器結(jié)構(gòu),能夠達(dá)到有效抑制多徑的目的。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
進(jìn)一步,本地偽碼發(fā)生器所產(chǎn)生的偽碼經(jīng)過多路延時后,根據(jù)延時后的偽碼信號判斷出即時碼。
進(jìn)一步,所述S2中的至少2個相關(guān)值信號經(jīng)過積分累加后得到至少2個累加值形成偽碼相關(guān)函數(shù)曲線,偽碼相關(guān)函數(shù)曲線用于S3中小波變換。
進(jìn)一步,小波變換采用的是分辨分析法和Mallat算法。
進(jìn)一步,小波變換采用的是db3小波,采用db3小波對偽碼自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行小波變換。
采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:采用小波的離散化,有利于計(jì)算的方便,加快計(jì)算的效率,在信號進(jìn)行小波變換的時候,選擇正確的小波函數(shù),不會導(dǎo)致信號變換后檢測的結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)確,能夠確保小波變換的正常運(yùn)行。
本發(fā)明還涉及一種基于小波變換的多徑抑制系統(tǒng),該系統(tǒng)包括:信號接收器、混頻器、數(shù)據(jù)處理器、小波鑒相器、環(huán)路濾波器、本地偽碼發(fā)生器;
信號接收器、混頻器、數(shù)據(jù)處理器、小波鑒相器、環(huán)路濾波器、本地偽碼發(fā)生器與數(shù)據(jù)處理器依次串聯(lián)形成環(huán)路;
信號接收器,用于接收中頻信號和本地載波信號;
混頻器,用于將信號接收器中的中頻信號和本地載波信號進(jìn)行載波剝離處理;
數(shù)據(jù)處理器,用本地偽碼發(fā)生器輸出的多個不同相位的本地偽碼把經(jīng)過混頻器載波剝離出來的信號中的偽碼剝離,得到至少2個相關(guān)值信號;
小波鑒相器,用于接收數(shù)據(jù)處理器處理后的信號,將這些信號進(jìn)行小波變換,計(jì)算得到偽碼鑒相誤差值;
環(huán)路濾波器,用得到的偽碼鑒相誤差值調(diào)節(jié)本地偽碼發(fā)生器中的偽碼。
上述發(fā)明的有益效果:利用小波變換方法進(jìn)行碼環(huán)多徑抑制的技術(shù),在分析偽碼自相關(guān)函數(shù)曲線的基礎(chǔ)上,利用小波變換能檢測信號奇異性的特點(diǎn),給出碼環(huán)鑒相誤差,從而改變了傳統(tǒng)的鑒相器結(jié)構(gòu),能夠達(dá)到有效抑制多徑的目的。
進(jìn)一步,所述的數(shù)據(jù)處理器包括:至少2個相互并聯(lián)的相關(guān)器,混頻器分別與這些相關(guān)器串聯(lián)。
進(jìn)一步,本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽碼依次延時輸入各個相關(guān)器。
進(jìn)一步,本地載波信號的余弦值通過余弦表讀取。
采用本發(fā)明的有益效果:采用這樣的環(huán)路系統(tǒng),提高了多徑抑制效果,提高了定位精度。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的小波鑒相的偽碼跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明的小波變換的多徑抑制方法流程圖;
圖3為本發(fā)明的直達(dá)信號和帶有不同多徑信號的自相關(guān)函數(shù)曲線示意圖;
圖4為本發(fā)明的Mallat小波分解與重構(gòu)濾波器組示意圖;
圖5為本發(fā)明的多級小波分解與重構(gòu)濾波器組示意圖;
圖6為本發(fā)明的偽碼跟蹤過程中的自相關(guān)函數(shù)曲線示意圖;
圖7為本發(fā)明的信噪比SNR=-20dB時的偽碼自相關(guān)函數(shù)曲線示意圖;
圖8為本發(fā)明利用db3小波對自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行3層尺度分解所得到的小波變換結(jié)果示意圖;
圖9為本發(fā)明存在一條多徑信號時本方法和EML鑒相方法偽碼跟蹤誤差曲線示意圖;
圖10為本發(fā)明存在三條多徑信號時本方法和EML鑒相方法偽碼跟蹤誤差曲線示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述,所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明,并非用于限定本發(fā)明的范圍。
如圖2所示的,一種基于小波變換的多徑抑制方法,該方法包括如下步驟:
S1,輸入中頻信號與本地載波信號通過混頻器進(jìn)行載波剝離處理;
S2,步驟S1中的經(jīng)過載波剝離后的信號分別與本地偽碼發(fā)生器中輸出的至少2個不同相位的本地偽碼同時經(jīng)過相關(guān)器,將該信號中的偽碼剝離,得到至少2個相關(guān)值信號;
S3,步驟S2中經(jīng)過相關(guān)器處理后輸出的至少2個相關(guān)值信號,經(jīng)過小波鑒相器進(jìn)行小波變換得到所述的相關(guān)值信號斜率突變點(diǎn)的位置,根據(jù)所述斜率突變點(diǎn)的位置計(jì)算得到偽碼鑒相誤差值;
S4,步驟S3中的偽碼鑒相誤差值經(jīng)過環(huán)路濾波器與本地偽碼數(shù)據(jù)振蕩器到達(dá)本地偽碼發(fā)生器,調(diào)整本地偽碼發(fā)生器中的偽碼。
如圖1所示,一種基于小波變換的多徑抑制系統(tǒng),該系統(tǒng)包括:信號接收器、混頻器、數(shù)據(jù)處理器、小波鑒相器、環(huán)路濾波器、本地偽碼發(fā)生器;
信號接收器、混頻器、數(shù)據(jù)處理器、小波鑒相器、環(huán)路濾波器、本地偽碼發(fā)生器與數(shù)據(jù)處理器依次串聯(lián)形成環(huán)路;
信號接收器,用于接收中頻信號和本地載波信號;
混頻器,用于將信號接收器中的中頻信號和本地載波信號進(jìn)行載波剝離處理;
數(shù)據(jù)處理器,用本地偽碼發(fā)生器輸出的多個不同相位的本地偽碼把經(jīng)過混頻器載波剝離出來的信號中的偽碼剝離,得到至少2個相關(guān)值信號;
小波鑒相器,用于接收數(shù)據(jù)處理器處理后的信號,將這些信號進(jìn)行小波變換,計(jì)算得到偽碼鑒相誤差值;
環(huán)路濾波器,用得到的偽碼鑒相誤差值調(diào)節(jié)本地偽碼發(fā)生器中的偽碼。
1、偽碼自相關(guān)函數(shù)斜率突變點(diǎn)不變性原理
在不考慮導(dǎo)航數(shù)據(jù)d(t)的情況下,多徑信號模型可以寫成
假設(shè)這時載波已經(jīng)實(shí)現(xiàn)同步,且A=1,則經(jīng)本地偽碼相關(guān)后得到的同相對準(zhǔn)支路的相關(guān)值為
其中,為直達(dá)信號的偽碼時延估計(jì),為直達(dá)信號偽碼相位估計(jì)誤差,則偽碼的自相關(guān)函數(shù)可以表示為
由于多徑信號的偽碼時延大于直達(dá)信號的偽碼時延,即τi≥τ0,i=1,…M,則
τ0-τi≤0,i=1,…M (1-4)
由式(1-2)、(1-3)和(1-4)可知,當(dāng)τ由-τc變化到τc過程中,偽碼的自相關(guān)函數(shù)R′(τ)出現(xiàn)非零值的點(diǎn)是與(1-3)式中等號右邊第二項(xiàng)無關(guān)的,即與多徑信號是無關(guān)的,由此可知帶有多徑信號的偽碼自相關(guān)函數(shù)斜率突變點(diǎn)是不隨多徑信號的有無變化的,圖3分別給出了不存在多徑信號、存在一條多徑信號、存在兩條多徑信號和存在三條多徑信號情況下的GPS偽碼自相關(guān)函數(shù)曲線,從圖中也可以看出自相關(guān)函數(shù)斜率突變點(diǎn)的位置不受多徑信號的有無影響,因此,檢測到自相關(guān)函數(shù)曲線斜率突變點(diǎn)的位置就能得到此時的偽碼相位跟蹤誤差,從而能在不受多徑信號的影響下實(shí)現(xiàn)對直達(dá)信號偽碼的跟蹤。
2、基于小波變換的變換奇異點(diǎn)檢測
偽碼自相關(guān)函數(shù)斜率突變點(diǎn)不變性原理中,斜率突變點(diǎn)為函數(shù)曲線的一類奇異點(diǎn),小波分析的思想是源于伸縮與平移方法,可以準(zhǔn)確檢測突變點(diǎn)的位置。
(1)連續(xù)小波變換及其離散化
小波函數(shù)的確切定義為:設(shè)ψ(t)為一平方可積函數(shù),即ψ(t)∈L2(R),當(dāng)傅里葉變換ψ(ω)滿足的條件如下:
就稱ψ(t)是一個基本小波函數(shù),其中,式(1-5)是小波函數(shù)的可容許條件。為得到一個連續(xù)小波系列,可以將小波母函數(shù)ψ(t)進(jìn)行伸縮平移。令:
式(1-6)中,a代表尺度因子,b代表平移因子,ψab(t)代表小波基函數(shù),其依賴于參數(shù)a,b,因?yàn)閍以及b是連續(xù)改變的,所以ψab(t)又叫做連續(xù)小波函數(shù)基。
由于在實(shí)際中計(jì)算機(jī)無法進(jìn)行模擬處理,只有將信號進(jìn)行離散才能方便分析與處理,因此,為了計(jì)算機(jī)易于實(shí)現(xiàn),將小波離散化處理,目前常用的方法是進(jìn)行二進(jìn)小波變換,即選取尺度參數(shù)為數(shù)列{2j}j∈Z。
下面首先給出二進(jìn)小波的定義,假設(shè)ψ∈L2(R)∩L1(R),且存在常數(shù)A,B,其中0<A≤B<∞,使得滿足下式
則稱ψ為二進(jìn)小波,式(1-7)是穩(wěn)定性條件,當(dāng)且僅當(dāng)A=B時可以達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)。對于二進(jìn)小波函數(shù)ψ,令
可得尺度是2j與位置是x的函數(shù)f,其小波變換公式如下:
稱序列是二進(jìn)小波變換,W是其變換算子,當(dāng)尺度是2j時,為f(x)的細(xì)節(jié)信號。
(2)多分辨分析和Mallat算法
在對信號的局部特性進(jìn)行分析時,總希望構(gòu)造出一個在時域、頻域都具有良好局部特性的小波基?,F(xiàn)有構(gòu)造小波基的方法有2種:1、直接構(gòu)造法,但這種方法找到的小波基無法在時頻域上同時具有良好的局部化特性;2、多分辨率分析法,又稱空間分解法,它建立在函數(shù)空間概念的基礎(chǔ)上,它把函數(shù)空間按照一定規(guī)律分解為具有某種特性的一系列子空間序列。多分辨分析具有的性質(zhì)如下:
(1)單調(diào)一致性:Vj∈Vj+1,對任意j∈Z
(2)漸進(jìn)完全性:
(3)伸縮完全性:
(4)平移不變性:
(5)Riesz基存在性:存在φ(t)∈V0,使得{φj(2-j/2t-k)|k∈Z}構(gòu)成Vj的Riesz基。關(guān)于Riesz的具體說明如下:
若φ(t)是V0的Riesz基,則存在常數(shù)A,B,且使得:
即下式成立
多分辨分析可以對函數(shù)空間進(jìn)行構(gòu)造,且這些函數(shù)空間是相互嵌套的,即
小波函數(shù)構(gòu)成的空間為相鄰兩個函數(shù)空間的差,即
對由于所以對都有g(shù)(x)∈Vj+1,那么φ(t)的展開式可以表示為
假設(shè)任意信號f(t)∈Vj-1在Vj-1空間的展開式為:
將f(t)進(jìn)行一次分解,即分別投影到尺度空間Vj與小波空間Wj為:
cj,k和dj,k是j尺度上的展開系數(shù),同時有:
令2-jt-k=2-jt′,則有2-(j-1)t-n=2-(j-1)t′+2k-n,由式(1-17)得到
由以上式子可以得到
以上式子就是Mallat小波分解的表達(dá)式,所以,只要計(jì)算出空間Vj-1的分解系數(shù),就可以將展開系數(shù)h(n)和g(n)分別與其進(jìn)行乘累加,從而得到在空間Vj和Wj的分解系數(shù)。
類似的,由多分辨率分析可知Vj⊥Wj,因此存在
上式兩邊同時與f(t)做內(nèi)積即得到
上式即為Mallat小波重構(gòu)的表達(dá)式,圖4給出了濾波器組結(jié)構(gòu)圖,圖中分解的低通濾波器和高通濾波器的單位沖擊響應(yīng)分別為h(-n)和g(-n),重構(gòu)的低通濾波器和高通濾波器的單位沖擊響應(yīng)分別為h(n)和g(n)??梢宰C明式(1-19)、(1-20)和(1-21)與圖3所示的結(jié)構(gòu)圖等效。
上圖3給出了以及分解與重構(gòu)的示意圖,當(dāng)推廣到多級變換的時候,重構(gòu)的方式也類似,圖4給出了多分級重構(gòu)算法的結(jié)構(gòu)示意圖。
(3)信號的奇異點(diǎn)檢測
在信號分析中,信號奇異點(diǎn)包含了很重要的信息,自相關(guān)函數(shù)曲線的左側(cè)奇異點(diǎn)包含了此時的碼鑒相誤差信息,因而對信號的奇異點(diǎn)分析尤為重要,而小波變換對信號奇異點(diǎn)有很高的靈敏度,且它已成功地應(yīng)用到邊緣檢測和時變信號檢測中,本節(jié)將介紹一下利用小波變換對信號進(jìn)行奇異性檢測的方法。
小波變換常常由Lipschitz指數(shù)來刻畫函數(shù)的局部正定性,小波變換模的極大值在尺度十分精細(xì)的條件下會收斂于信號的奇異點(diǎn),并且衰減的速度快慢與奇異點(diǎn)的Lipschitz指數(shù)有關(guān)。
設(shè)n為不小于零的整數(shù),n<α≤n+1,若有常數(shù)A和h0>0,與n次多項(xiàng)式Pn(h),對任意的h≤h0,均有
|f(x0+h)-Pn(h)|≤A|h|α (1-22)
則稱f(x)在點(diǎn)x0為Lipschitz指數(shù)α,Pn(h)就是f(x)在x0點(diǎn)做Taylor級數(shù)展開的前n項(xiàng)。
可以看出,函數(shù)在點(diǎn)x0處的奇異性大小可以由f(x)的Lipschitz指數(shù)α刻畫,f(x)在x0越光滑,α越大,反之亦然,對于如圖3所示的偽碼自相關(guān)斜坡函數(shù)R′(τ),其再斜率突變點(diǎn)處可微,但是一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù),其Lipschitz指數(shù)就為1。
另外,在對信號進(jìn)行小波變換時,選擇正確的小波函數(shù)至關(guān)重要,若選擇的小波函數(shù)不當(dāng),對信號進(jìn)行變換后得到的檢測結(jié)果可能是不準(zhǔn)確甚至是錯誤的,因而,本文對偽碼自相關(guān)函數(shù)曲線進(jìn)行小波變換而選擇小波函數(shù)時,需要考慮以下幾點(diǎn):
(1)ψ(t)有緊支集;
(2)ψ(t)連續(xù)可微;
(3)ψ(t)有N階消失矩;
(4)ψ(t)具有對稱性。
均符合上述條件的正交小波基是本文選擇小波函數(shù)的依據(jù)。
3、基于小波變換的跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)
基于上述分析,假設(shè)在偽碼跟蹤環(huán)路中,載波已經(jīng)同步,且在捕獲階段已經(jīng)將偽碼誤差提高到半個碼片以內(nèi),設(shè)一個碼片的寬度為τc,一個碼片的采樣點(diǎn)數(shù)為N,為得到多徑干擾下的偽碼自相關(guān)函數(shù),對本地產(chǎn)生的偽碼每隔一個采樣點(diǎn)依次進(jìn)行延時,得到M(M可以取1.5N≤M≤2N)路不同相位的本地偽碼,再與混頻器的輸出進(jìn)行相關(guān)后送入M個積分累加器進(jìn)行累加,累加后的M個累加值形成偽碼的自相關(guān)函數(shù)曲線,之后對其進(jìn)行小波變換得到斜率突變點(diǎn)的位置,達(dá)到偽碼鑒相目的。
圖6給出了未實(shí)現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)偽碼跟蹤的自相關(guān)函數(shù)曲線,從圖中可以看出,當(dāng)完全實(shí)現(xiàn)偽碼跟蹤時,自相關(guān)函數(shù)的斜率突變點(diǎn)應(yīng)該在1τc(IP支路超前一個碼片的位置),假設(shè)偽碼跟蹤過程中的t時刻,檢測到自相關(guān)函數(shù)的起點(diǎn)在nτc的位置,則此時的鑒相誤差Derr可以表示為
Derr=(n-1)τc (1-23)
上述過程可以理解為一種小波鑒相器,它改變了傳統(tǒng)的鑒相器結(jié)構(gòu),用小波變換檢測自相關(guān)函數(shù)曲線斜率突變點(diǎn)位置后經(jīng)過計(jì)算得到偽碼誤差。鑒相結(jié)果的精確度與一個碼片的采樣點(diǎn)數(shù)成正比,較高的精確度會增加實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度,因此,在實(shí)際應(yīng)用中要做取舍,本專利所提出的一種新的多徑抑制方法所形成的偽碼跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖1中本地偽碼發(fā)生器所產(chǎn)生的偽碼經(jīng)過M路延時后得到即時碼,環(huán)路主要工作在偽碼自相關(guān)函數(shù)曲線的左側(cè)。
4、性能仿真與分析
本專利采用db3小波對偽碼自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行小波變換;采用碼長為1023的C/A碼,并設(shè)一個碼片的采樣點(diǎn)數(shù)為100。因?yàn)檩d波對多徑的影響很小,則可同時假定載波已經(jīng)實(shí)現(xiàn)同步,單純考察上述方法對多徑的抑制效果,并與傳統(tǒng)的超前-滯后(EarlyMinusLate,EML)鑒相方法進(jìn)行了對比。
(1)偽碼自相關(guān)函數(shù)曲線斜率突變點(diǎn)檢測
由于實(shí)際中形成的偽碼自相關(guān)函數(shù)曲線并不是平滑的,圖7和圖8分別給出當(dāng)信噪比SNR為-20dB時的自相關(guān)函數(shù)曲線(左側(cè)一段)和利用db3小波對其進(jìn)行3層尺度分解后的小波變換結(jié)果曲線。如圖7所示,當(dāng)沒有噪聲時自相關(guān)函數(shù)曲線的斜率突變點(diǎn)在第80個采樣點(diǎn),而受到噪聲污染的曲線斜率的突變點(diǎn)變得不明顯,圖8中,對受噪聲污染的自相關(guān)函數(shù)曲線進(jìn)行小波變換,由小波變換的模極大值性質(zhì),可以明顯的檢測到斜率突變點(diǎn)的位置。
(2)偽碼跟蹤誤差的仿真結(jié)果比較
圖9和圖10分別給出了在信噪比SNR=-20dB的條件下,分別存在一條和三條多徑信號時,本文方法和EML鑒相方法的偽碼跟蹤誤差比較曲線,其中,一條多徑信號的多徑衰減系數(shù)a1=0.6,碼延時τ1=0.4τc;三條多徑信號的多徑衰減系數(shù)為a1=0.6,a2=0.2,a3=0.3,碼延時分別為τ1=0.4τc,τ2=0.2τc,τ3=0.3τc,從圖9和圖10中可以看出,本文方法對多徑的條數(shù)不敏感,當(dāng)誤差穩(wěn)定后,傳統(tǒng)的早遲偽碼延遲鎖定環(huán)路存在著較大的跟蹤誤差,而本方法的偽碼跟蹤環(huán)路能實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤。
在本說明書中,對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實(shí)施例或示例。而且,描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個或多個實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外,在不相互矛盾的情況下,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。