一種利用載波觀測優化偽碼測距精度的方法

王嘉偉 曾芳玲 郭靖蕾

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一種利用載波觀測優化偽碼測距精度的方法

王嘉偉 曾芳玲 郭靖蕾

電子工程學院，安徽 合肥 230037

針對偽碼測距精度較載波相位觀測低，但載波測距又存在整周模糊問題，觀測難度較大，提出一種利用載波平滑偽距測量的方法，該方法利用載波測距的載波相位測量值輔助提高偽碼測距精度,同時，偽碼測距又可以輔助載波相位的鎖定，改善載波相位觀測的效率和準確性，滿足系統對實時性的要求。最后通過仿真實驗驗證了載波平滑偽距對偽距觀測的改善。

偽碼測距；載波測距；載波平滑偽距

偽碼測距和載波測距已經成為現代空間測量領域中的兩種最主要的測距方式，研究結果表明，偽碼測距的觀測噪音相對于載波相位觀測噪音來說要大得多，同時它受多路徑的影響程度也比載波相位觀測更為嚴重，所以偽碼測距的測量精度相對載波相位測量的精度來講要低一些，但其優點是不具有整周模糊度。相比較而言，載波相位的測距精度通常是基于載波的整數倍波長而計算的，因此其測距精度較高。但在其測量過程中需要解算整周模糊度。而通常來說，模糊度的解算準確度較低，而且解算過程的時間也較長，這使載波相位測距在實際中的應用受到了限制。

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

1 基于偽碼的雙向測距原理

所謂偽碼測距方法，即通過測量接收機接收到的偽碼與本地偽碼發生器產生的偽碼之間的相位差，來獲得偽碼測距信號在空間中的傳播時延，從而獲得測距值的方法[1]。偽碼測距的示意圖如圖1所示：

圖1 偽碼測距示意圖

通過偽碼測距的基本方程：

得出節點之間的距離。

偽碼測距過程中獲得的相位時延存在諸多誤差的影響，從而導致利用偽碼進行測距的精度較低。

2 基于載波相位的雙向測距原理

載波相位觀測測量，即通過測定載波信號在傳播路徑的相位變化來確定偽距的方法。通常發射的載波測距信號的頻率很高，那么載波相位就會有較高的分辨率，因此，在載波相位測距過程中通過計算載波相位差，就能得到高精度的測距值[2]。

圖2 載波相位測距示意圖

偽碼測量是載波相位測量的基礎，為實現載波相位測量，應先進行對偽隨機碼的延遲鎖定，從而來實現對偽碼信號的跟蹤。當跟蹤成功以后，再利用載波鎖相環進行相位鎖定，鎖定成功后，通過后續對載波相位的跟蹤，對其載波相位變化的整周期數進行自動計數，之后在任意觀測時刻，其總相差可以表示為：

由于一般用來測距的載波頻率較高，因此載波相位測距方法相比于偽碼測距方法具有很高的測距精度，但是它也有一定的缺陷。通常我們需要測量的距離都遠遠大于發射載波的波長，這時由于載波是沒有任何標志的正弦波，就會產生載波相位整周模糊度的問題，限制了載波相位測距方法在實際中的應用。

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合了偽碼測距和載波相位測距各自優點的一種高精度測距方法。

在雙向測距與時間同步測量系統中，同時利用偽碼和載波相位進行測距[3]。

測距終端的接收機可以同時進行偽碼測距和載波相位測距，它們的測量方程可以分別表示為：

…

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

3.2 仿真驗證

經過上述對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量值作為輔助，進行多點采樣和平滑濾波，平均了偽碼測量值中的大部分隨機誤差，從而提高了偽距觀測的精度[5]。

3.2.1 靜態節點的算法仿真

對于兩個靜態節點來說，它們之間的距離不會改變，影響測距精度的原因在于傳輸信道上的噪音以及發送和接收設備的時延。仿真條件如下，設兩節點相距100 m，選取碼速率為5 MHz，則一個碼元的寬度為0.2，碼元長度為60 m，設相關精度為碼元寬度的5%，則偽碼測距誤差約為3 m；設載波頻率為70 MHz，一個載波周期約為14.3 ns，波長約為4.3 m，設相位測距誤差為0.4 m。

按照上述仿真條件設計仿真實驗，設隨機誤差服從零均值的正態分布，仿真實驗的結果如圖3所示，為了方便比較，圖中所示為平滑前后測得的偽距值與真實值之差。

圖3 平滑前后的偽距值

由圖3可以看出平滑后的偽距測量值已經得到了明顯的改善，十分貼近真實值。

雙向時間同步系統在提高精度的同時還需要滿足系統對實時性的要求，為此需分析平滑次數與精度間的關系。仿真實驗中，分別進行了平滑次數M=5、M=10、M=50、M=100、M=150、M=200、M=250和M=300時的平滑前后的偽距值比較，并得出對應平滑次數的均方根誤差，其對比分析結果如表1所示。

表1 平滑次數與測距精度的關系

由圖表1中的數據比較可知，載波相位平滑前后的偽距誤差隨著平滑次數M的不斷增大而不斷減小。經過平滑次數M=300的平滑，其偽距誤差值從原始的1.3652 已經降低到0.9389。圖3所示就是選取M=200對偽距進行平滑的結果。

3.2.2 動態節點的算法仿真

對于動態節點，誤差不僅來自于傳輸信道和設備時延，還要考慮相對速度對觀測的影響。假設節點間處于低速運動狀態，不考慮多普勒頻的影響，只考慮相對運動對觀測數據的影響。給出仿真條件，假設兩同步節點相距100 m，并以0.1 m/s的相對速度分離，仿真條件如下，設兩節點相距100 m，選取碼速率為5 MHz，設載波頻率為70 MHz，觀測精度如前。得出了如圖4和圖5所示的載波相位平滑偽距前后的對比圖。

圖4 實測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據平滑前后的一個實例。為了更清楚地看到平滑后的效果，圖5是從圖4中截取的一段數據。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，已經有了很大的改善。

利用同一組數據重復進行300次載波相位 平滑處理，分別計算出每一次仿真試驗的偽距誤差，并對其進行了擬合處理，得出了平滑次數與偽距誤差之間的關系，如圖6所示：

圖6 動態節點偽距誤差

仿真結果表明，載波平滑偽距確實可以得到比偽碼測距更為精確的偽距值。但是平滑次數除了是載波相位平滑偽距的效果的決定因素以外，還是決定平滑時間的因素。換句話說，M的取值越大則相應的平滑時間就越長，就越難滿足系統的實時性要求。因此，在實際中，我們必須在平滑的效果和系統的實時性要求之間進行權衡和取舍，得出最合適的載波相位平滑的平滑長度。

4 結束語

本文對載波相位平滑偽距這一方法進行了介紹，利用Matlab進行了仿真。證明了載波相位平滑偽距的方法在滿足系統實時性的前提下，確實提高了測距精度。

這也為提高分布式系統的授時精度提供了新的思路，在主從節點進行信號傳輸時，利用系統本身發射信號的載波對偽碼測距進行平滑，得到更為精確的偽距值，由此提高授時精度，值得深入的研究。

[1]何丹娜，張天騏，高麗，等.二次調頻一偽碼調相復合信號的偽碼盲估計[J].電子技術應用，2013，39（5）：100-103.

[2]梁保衛，涂海洋.大多普勒條件下偽碼快捕技術[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態條件下抗頻偏的精確同步方法[J].電子與信息學報，2012（11）：2755-2760.

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

[5]孫旭飛，李家生.雙偽碼直序擴頻通信方法及抗干擾仿真分析[J].福州大學學報：自然科學版，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，學歷為碩士研究生，研究方向為導航與授時。