CN101464507A - 伽利略系统基带信号处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于伽利略系统卫星导航接收机基带信号的处理方法和系统，特别是用于伽利略系统L1波段的基带信号处理。其中，捕获卫星信号，对所述卫星信号进行下变频，获得采样信号；根据所述采样信号和本地产生的本地码信号进行计算；当所有码信号的计算完毕且累加次数达到设定值时，如果计算结果不超过门限值，则捕获新的卫星信号；否则，跟踪所述卫星信号。本发明利用伽利略L1波段信号调制特点，降低了电路复杂度，提高了捕获灵敏度，而且码跟踪环路采用双鉴相器结构，其鉴相误差显著降低。

Description

伽利略系统基带信号处理方法和系统

技术领域

本发明涉及一种对伽利略L1波段的卫星信号接收器进行基带信号处理的方法和系统。

背景技术

伽利略系统是欧盟发起的由多个国家合作研发和维护的卫星导航系统，与美国的全球定位系统(GPS)相互兼容，并提供比GPS更为广泛和优良的服务。伽利略系统主要提供开放服务(OS)、生命安全服务(SOL)、商用服务(CS)和公共管制服务(PRS)。伽利略卫星使用三种载波来发送信号：采用二进制码偏移(BOC)(1，1)调制方式的1575.42MHz的L1载波，采用二进制相移键控(BPSK)调制方式的1278.75MHz的L6载波，和采用轮换二进制码偏移(AltBOC)(15，10)调制方式的1191.795MHz的L5载波。

标准的线性偏移载波(LOC)通过正弦波sin(ω₀t)来调制时域信号，该正弦波将信号偏移至上边带和相应的下边带。BOC调制利用方波或sign(sin(ω₀t))完成频率偏移，且一般表示为BOC(fs，fc)，其中fs是子载波频率，fc是扩频码的切分频率。为了清晰，表达式中通常省略因子1.023MHz，因而BOC(1.023MHz，1.023MHz)调制表示为BOC(1，1)。

伽利略系统L1波段信号包含两个信号通道：数据导航通道和导频通道，这两个通道使用不同的扩频码，其中，导航通道的扩频码是长度为4092、周期重复的伪随机(PRN)序列，导频通道的扩频码是长度为8184，周期重复的伪随机(PRN)序列，扩频码中的1和0被称为“码片(code chip)”。每个伽利略卫星使用自己独有的扩频码。伽利略接收机可以通过确定信号中的PRN码而确定相应的卫星。在数据通道上调制的是导航数据，用于计算卫星的发射时间、状况、轨道仰角等等；而在导频通道上调制的是二次码，二次码是序列长度为25、周期重复的固定序列，其主要作用是延长相干累加时间并提高跟踪灵敏度。

伽利略接收器计算出卫星发出信号时间与接收器接收信号时间之间的差值，然后根据相关的时间差计算其与卫星之间的距离，即“伪距(pseudorange)”。接收器利用与至少四颗卫星之间的伪距来确定其全球定位。

为了确定上述时间差，伽利略接收器通过将各扩频码中的码片对齐，使本地产生的扩频码与收到信号中的扩频码同步。通过对导频通道中的二次码解扩，使得扩频码同步和载波同步更加精准。然后，伽利略接收器根据卫星中的电文以及接收信号时码片的位置计算出卫星发射信号的时间。虚拟本地时间，按照两时间的差值计算出相关伪距。本地扩频码与输入信号随机码的相位误差越小，则伽利略接收机测定伪距越准确，定位精度越高。

基带信号处理过程分为两个阶段，信号的捕获阶段和跟踪阶段。在捕获阶段，利用本地产生的伪随机序列与输入的伪随机序列进行相关操作，当所得到的相关峰值超过设定门限时认为信号捕获成功。信号捕获成功之后转入信号跟踪阶段，信号跟踪包括扩频码跟踪和载波跟踪。

扩频码跟踪利用超前滞后门进行测量。测量所接收信号PRN码和本地产生PRN码的超前版本相关值与所接收信号PRN码与本地产生PRN码的滞后版本相关值之差。然后将超前滞后差的测量结果应用在延时锁定回路(DLL)中，该延时锁定回路产生与接收PRN码和本地PRN码之间的失准成比例的误差信号。所述误差信号用于控制PRN码发生器调整本地PRN码的产生，使DLL信号最小化。

载波跟踪利用接收信号PRN码和本地PRN码的准时版本相关值来测量卫星载波和本地载波之间的相位差。所述误差信号用于控制载波信号发生器调整本地载波信号的产生，使卫星载波和本地载波之间的相位差最小化。

现有技术存在的问题在于，基带信号处理的精度较低，而且处理装置的结构复杂。

发明内容

本发明提供一种用于伽利略导航接收机L1波段基带信号处理方法，其基带信号处理精度较高，所述方法包括以下步骤：

A、捕获卫星信号，对所述卫星信号进行下变频，获得采样信号；

B、根据所述采样信号和本地产生的本地码信号进行计算；

C、当所有码信号的计算完毕且累加次数达到设定值时，如果计算结果不超过门限值，则返回步骤A；否则，执行以下步骤；

D、跟踪所述卫星信号。

在步骤A中，所述下变频中的中频可采用上边带中频或者下边带中频。

在步骤B中可包括：利用所述卫星信号中的L1波段的导航通道的扩频码作为所述本地码信号的扩频序列，进行所述计算。

在步骤B中可包括：对经过滤波和采样调整之后的采样信号进行短相关计算和FFT计算。

所述采样信号可包括输出同向信号和正交信号共两路；在步骤B中可包括：通过所述计算得到所述同向信号和正交信号的扩频码解扩值。

在步骤B中可包括：所述计算包括对保留包络运算结果进行非相干累加计算。

在步骤C中可包括：如果计算结果不超过门限值且采样次数超过采样预定值，则返回执行步骤A，并在步骤A中改变所述下变频的频率。

在步骤A中可包括：通过采样点滑动控制器控制所述采样信号的相位。

步骤D可包括：

D1、所述采样信号经过所述下变频和滤波后得到上边带的同向信号和正交信号以及下边带的同向信号和正交信号；

D2、用导航信号扩频码解扩后的相关结果减去导频信号扩频码解扩后的相关结果，得到第一能量值；用导航信号扩频码解扩后的相关结果加上导频信号扩频码解扩后的相关结果，得到第二能量值；并根据所述第一能量值和第二能量值设置标志位，并根据标志位选择四路有效信号；

D3、根据所述采样信号中的码片超前、滞后和对齐三组误差计算结果，调整所述本地码信号使其与所述卫星信号的码片对齐，其中，当所述误差在预定误差范围之外时，采用粗鉴相调整，而当所述误差在预定误差范围之内时，采用窄鉴相调整；

D4、调整所述本地码信号的载波信号使其与所述卫星信号的载波信号的频率和相位一致。

其中，可通过直方图法确定在所述导频信号中的二次码同步位。

在二次码同步之后，可对信号进行相干累加。

在步骤D4中，可采用平方求和法去除子载波信号的影响。

本发明还提供一种用于对伽利略系统的L1波段卫星导航接收机基带信号的处理系统，其基带信号处理精度较高而且结构简单，所述系统包括：接收卫星信号的捕获单元、跟踪卫星信号的跟踪单元、和分别与所述捕获单元和跟踪单元相连的控制单元、以及与所述控制单元相连的产生本地参考信号的参考信号发生器。其中，所述捕获单元中包括：下变频模块和计算模块，所述下变频模块将接收到的卫星信号进行下变频处理之后发送到所述计算模块，所述计算模块接收经过下变频处理的信号和从所述参考信号发生器发出的本地参考信号并据此进行计算；所述控制单元根据所述计算结果确定已成功捕获卫星信号之后将与卫星信号基本一致的本地参考信号转交给所述跟踪单元。

所述捕获单元可进一步包括连接在所述下变频模块与所述计算模块之间的低通滤波器和采样相位滑动器，所述采样相位滑动器控制采样位置并当从所述控制单元获知未成功捕获卫星信号时滑至下一采样位置。

所述计算模块可包括匹配滤波器、FFT计算器和非相干累加器，用于对经过下变频和低通滤波的信号进行匹配滤波、FFT计算和非相干累加。

所述跟踪单元可包括：与所述参考信号发生器相连的滑动相关器，分别与所述控制单元相连的码跟踪模块和载波跟踪模块，以及分别与所述滑动相关器、码跟踪模块、载波跟踪模块相连的数据判通模块；所述滑动相关器用于扩频码的解扩，解调出有用数据，所述码跟踪模块用于调整所述本地产生的参考扩频码码片使其与所述卫星信号的扩频码码片对齐，所述载波跟踪模块用于调整所述本地参考信号的载波信号使其与所述卫星信号的载波信号的频率和相位一致。

所述跟踪单元可进一步包括：分别与所述码跟踪模块、载波跟踪模块和数据判通模块相连的二次码跟踪模块，用于进行二次码同步。

这样，本发明提供了用于伽利略系统卫星导航接收机基带信号的处理方法和系统，特别是用于伽利略系统L1波段的基带信号处理。其中，对输入信号进行下变频；利用上下两个边带的能量、通过匹配滤波器与FFT相结合的方式完成信号的时域/频域的全并行捕获，并且产生与输入信号大致对齐的本地码信号和载波信号转交给跟踪单元；跟踪单元采用码片超前、滞后和对齐三组相关器的输出结果，构成粗鉴相器和窄鉴相器，用于调整本地码相位。本发明利用伽利略L1波段信号调制特点，降低了电路复杂度，提高了捕获灵敏度，而且码跟踪环路采用双鉴相器结构，其鉴相误差显著降低。本发明的优点在于：信号捕获灵敏度高，跟踪抖动范围窄，寄存器使用较少，电路设计简单。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术特征，以下结合实例及附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是伽利略L1波段信号处理示意图；

图2是伽利略L1波段信号捕获示意图；

图3是伽利略L1波段信号跟踪示意图；

图4是本地参考信号发生器的结构示意图；

图5a和5b是伽利略L1波段信号选通示意图；

图6是二次码捕获示意图；

图7是载波频率跟踪示意图；

图8是载波相位跟踪示意图；

图9a是码的粗鉴相器和第一种码的窄鉴相器的码误差曲线；

图9b是第二种码的窄鉴相器的码误差曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下将参照附图并通过优选实施例对本发明详细说明。应指出的是，本发明的范围包括但不仅限于所描述的优选实施例。

图1是伽利略系统L1波段信号处理的示意图，如图1中所示，伽利略系统L1波段卫星导航接收机基带信号处理可包括信号捕获和信号跟踪两个过程。

信号捕获过程可如图2中所示，其中：

1)通过下变频模块110对接收到的卫星信号(例如，数字中频信号)进行下变频处理，下变频信号的中频可采用上边带中频或下边带中频，输出同向(I路)与正交(Q路)两路信号。其中，可通过采样点滑动控制器(或采样相位滑动器120)控制下采样的位置并获得采样信号。

2)选择扩频码，例如使用导频通道的扩频码和导航通道的扩频码作为本地码信号的扩频序列，用于和接收到的卫星信号进行计算。

3)通过滤波和采样调整后，采样信号和本地码信号的参考码分段相乘后累加进行短相关(STC)计算，STC累加结果再进行FFT变换(参见美国专利US 2004/0071200A1)(例如通过匹配滤波器和FFT计算器130)，并分别求出两个扩频码I路和Q路的解扩值。可根据控制信号对保留包络运算结果进行非相干累加(例如通过非相干累加器140)，并对其累加结果进行检测判决(例如通过检测器150)。

4)当搜索完所有的码信号相位进行计算并且累加次数达到设定值时，在存储器中搜索超过门限值的计算结果，如果没有超过门限值的计算结果，则寄存器清零，采样点控制器滑至下一采样点，重新进行信号的捕获；当滑动过设定的滑动值后，改变下变频的频率，重复上面的动作。当搜索完所有频点后，如果还没有超过门限值，则改变扩频码搜索其他的卫星；如果存在超过门限值的计算结果，则转入信号跟踪过程。

信号跟踪过程可如图3中所示，其中：

1)对所接收到的信号的上边带分量和下边带分量分别进行下变频处理(例如分别采用上边带中频和下边带中频进行下变频)，然后进行低通滤波(例如通过低通滤波器210)，从而产生包括上边带的同向(I路)与正交(Q路)两路信号和下边带的I、Q两路信号，共产生4路信号。

2)分别通过两个扩频码进行计算，即，用导航通道中的扩频码CB解扩后的相关结果减去导频通道中扩频码CC解扩后的相关结果，得到4路相关值，并计算出第一能量值；并用扩频码CB解扩后的相关结果加上扩频码CC解扩后的相关结果，得到4路相关值，并计算出第二能量值。

3)根据上述两个能量值通过比较大小而设置标志位，并且保留4路有效信号。选择相关结果用于码跟踪和载波跟踪，以及导航信号的解调。

4)可通过码跟踪模块320进行码跟踪，其中，采用码片超前、滞后和对齐三组相关器的输出结果构成包括粗鉴相器和窄鉴相器的双鉴相器结构，用于调整本地码相位，首先使用粗鉴相器鉴相，当误差范围减小到一定程度时，再使用窄鉴相器鉴相。其中，获取所接收信号的码片和本地码信号码片间的误差，通过低通滤波器调整本地码信号，使本地码信号与所接收信号的码片对齐。

5)可通过载波跟踪模块270进行载波跟踪，其中，首先去除子载波的影响，计算出本地码信号载波和所接收信号的载波之间的相位差和频率差，并通过低通滤波器进行调整，使本地码信号载波与所接收信号的载波同步。其中，可利用三角函数中角度组合的方法去除子载波的影响。

6)二次码同步是对调制在导频信号上的二次码的同步，二次码可看作是一个短的扩频码，经过匹配计算后的结果的平方值保存在寄存器中，当输入信号和本地产生的二次码对齐时，会产生峰值。可采用二次码跟踪模块260对信号进行二次同步。当二次码同步之后，可对信号进行相干累加，并通过码跟踪和载波跟踪提高跟踪灵敏度和减小误差。

以下将更详细地描述信号捕获过程和信号跟踪过程。

接收到的卫星信号可以表示为：

$r\left(n\right)=\frac{1}{2}A(D_B\left(n\right)C_{L1-B}\left(n\right)+D_C\left(n\right)C_{L1-C}\left(n\right))(\sin \left(2\mathrm{\π}\left(\frac{f_{\mathrm{sc}}+f_c}{f_s}\right)n\right)-\sin \left(2\mathrm{\π}\left(\frac{f_c-f_{\mathrm{sc}}}{f_s}\right)n\right))+\mathrm{noise}\left(n\right)---\left(1\right)$

其中：

A：信号的能量，

D_B：伽利略系统导航通道上的数据调制，

D_C：伽利略系统导频通道上的数据调制(二次码)，

C_L1-B：伽利略系统导航通道上的扩频码，

C_L1-C：伽利略系统导频通道上的扩频码，

f_sc：子载波频率，

f_c：接收信号的中频频率，

f_s：采样频率，此时f_s＝16f_sc，

令 $M\left(t\right)=\frac{1}{2}A(D_B\left(t\right)C_{L1-B}\left(t\right)+D_C\left(t\right)C_{L1-C}\left(t\right)).$

如果采用上边带信号中频进行下变频时，信号经过下变频和低通滤波，I路信号可以表示为：

Q路信号可以表示为：

其中：

θ：本地产生的参考载波信号和接收信号之间的相位差，

本地产生的参考子载波信号和接收信号之间的相位差，

Δf：代表本地产生的参考载波信号和接收信号之间的频率差。

如果采用下边带信号中频进行下变频时，信号经过下变频和低通滤波，I路信号可以表示为：

Q路信号可以表示为：

首先信号进行下变频。如果采用上边带的中频进行下变频，则上边带的信号变为基带信号，下边带频率变成中心频率为2.046MHz带宽为2.046M的带通信号。如果采用下边带的中频进行下变频，则下边带的信号变为基带信号，上边带频率变成中心频率为2.046MHz带宽为2.046M的带通信号。

子载波的个数和码片长度的关系是确定的，非零中频信号中的一个码片长度包含两个子载波周期，则半码片对应的是一个载波周期。当信号进行下采样时，相隔半码片采样得到的点相位相同。当下采样点对应的相位为 $2\mathrm{\π}\frac{2f_{\mathrm{sc}}}{f_s}n=\mathrm{\π}$ 时，基带信号和非基带信号具有相同相位，可以看作是相干累加。

信号捕获的过程为：信号经过下变频后，首先进行下采样，然后和本地产生的码信号进行相干累加计算。当搜索完所有的码相位，且累加次数达到设定值时，再判断是否有超过门限的峰值产生，如果存在超过门限的峰值，则可进入信号跟踪过程；否则，滑至下一采样点，重新对信号进行下采样，再重复上面的步骤。其中，当滑过M个采样点时，可改变下变频的频率而在另一频域中进行搜索，其中M为整数，M的取值是：

其中

代表向上取整。

图4显示出本地参考信号发生器160的具体结构。本地参考信号的输出包括两个边带的载波的参考相位和码参考相位。载波相位DCODELTA模块161产生的是载波相位增量，码相位DCODELTA模块162产生的是参考码相位增量。载波相位的增量与参考码相位增量之和作为模块168的输入。模块168是一个累加器，当累加结果大于1时，只保留小数位。模块168的输出结果和2π相乘，通过模块174和175映射成sin和cos函数，成为本地产生的上边带载波参考信号。载波相位增量减去参考码相位增量作为模块169的输入。模块169也是一个累加器，当累加结果大于1时，只保留小数位。模块169的输出结果和2π相乘，通过模块176和177映射成sin和cos函数，成为本地产生的下边带载波参考信号。同时模块162的输出存入到码相位累加器163当中。当码相位累加结果大于1时产生溢出信号，模块170扩频码CB发生器和模块171扩频码CC发生器将分别输出一个新的码片，各自保存在移位寄存器模块178中和119中。两个移位寄存器模块受到采样时钟控制，每个采样时钟来时进行一次移位寄存的运算。模块178，179分别输出超前，对齐，滞后共三个码相位，用于数据解扩。其中超前和对齐相位相差N个采样点，对齐和滞后相位同样相差N个采样点，N由采样频率来确定。

对于标志位判断，可参见图5a所示的伽利略L1波段信号选通示意图。其中，信号经过滑动相关器220(见图3)后一共得到8路信号。如图5a中所示，用导航通道的解扩码L1B进行解扩，形成4路信号(上边带两路，下边带两路)分别存到寄存器231-234中，并分别记为CB_UP_I，CB_UP_Q，CB_LOW_I和CB_LOW_Q。用导频通道的解扩码L1C进行解扩，得到4路输出，分别存到寄存器235-238中，并分别记为CC_UP_I，CC_UP_Q，CC_LOW_I和CC_LOW_Q。寄存器CB_UP_I的值与寄存器CC_UP_I的值相加之和存放在寄存器239中，记为PLUS_UP_I。寄存器CB_UP_I的值与寄存器CC_UP_I的值相减之差存放在寄存器243中，记为MINUS_UP_I。寄存器CB_UP_Q的值与寄存器CC_UP_Q的值相加之和存放在寄存器240中，记为PLUS_UP_Q。寄存器CB_UP_Q的值与寄存器CC_UP_Q的值相减之差存放在寄存器244中，记为MINUS_UP_Q。寄存器CB_LOW_I的值与寄存器CC_LOW_I的值相加之和存放在寄存器241中，记为PLUS_LOW_I。寄存器CB_LOW_I的值与寄存器CC_LOW_I的值相减之差存放在寄存器245中，记为MINUS_LOW_I。寄存器CB_LOW_Q的值与寄存器CC_LOW_Q的值相加之和存放在寄存器242中，记为PLUS_LOW_Q。寄存器CB_LOW_I的值与寄存器CC_LOW_I的值相减之差存放在寄存器246中，记为MINUS_LOW_Q。寄存器239-242中的四个数分别求平方，通过加法器247求和。寄存器243-246中的四个数分别求平方，通过加法器248求和。通过比较器249比较两个加法器输出结果的大小。当加法器247的输出结果大于等于加法器248的输出结果，则设置寄存器250SELECT_FLAG为1，当加法器247的输出结果小于加法器248的输出结果，则设置寄存器250SELECT_FLAG为-1。

对于信号的选择，可参见图5b。在本发明中，经过处理后放在寄存器239-246中的数据通过选择后，只保留4路用于导航信号的数据剥离以及导频信号的跟踪。保留后的信号存放在寄存器219-222当中，分别记为UP_I，UP_Q，LOW_I和LOW_Q。当模块250寄存器SELECT_FLAG的值为1时，保留寄存器239-242的存储值。当模块250寄存器SELECT_FLAG的值为-1时，保留存储寄存器243-246的存储值。

对于二次码的同步，可参见图6。在减法器261中UP_I与LOW_I相减，并提取符号位。符号位与SELECT_FLAG通过乘法器263相乘，结果输送到匹配滤波器264当中。匹配滤波器264和二次码产生器265产生的信号进行匹配滤波，结果取平方，存到寄存器267中。当存储了50位数后(由于扩频码C_C的码长是扩频码C_B的两倍，所以可以取值为50)，判断模块268进行判断，进行二次码的同步。

对于载波频率跟踪，可参见图7。寄存器252 UP_Q中的数据经过时延和寄存器251 UP_I中的数据在乘法器279中相乘，此乘积在减法器287中减去251中经时延的数据与252当前数据的乘积，结果分别送入乘法器291和292中。寄存器252经时延的数据和寄存器252当前的数据相乘，乘积与寄存器251经时延的数据和寄存器251当前的数据乘积在加法器288相加，结果送到乘法器293、294当中。寄存器254 LOW_Q中的数据经过时延和寄存器253 LOW_I中的数据在乘法器283中的乘积，在减法器287中减去253中经时延的数据和254当前数据的乘积，结果分别送入乘法器295、296中。寄存器253经时延的数据和寄存器253当前的数据乘积与寄存器254经时延的数据和寄存器254当前的数据乘积，在加法器286相加，结果送到乘法器297，298中。寄存器309中的数据经过映射表306的映射，结果送到乘法器291，293，295、297中。寄存器309中的数据经过映射表307的映射，结果送到乘法器292，294，296、298中。乘法器291的输出减去乘法器294的输出，结果与乘法器295的输出和乘法器298的输出之和在加法器303中相加。乘法器292的输出与乘法器293的输出之和在加法器304中与乘法器297的输出减去乘法器295的输出之差相加。加法器304和303的输出和求反正切模块305相连，305的计算得到的相位变换被送入低通滤波器306中。

在载波相位跟踪过程中，4路信号通过两角和与差公式，保留载波信号，去除子载波信号的影响，再利用反正切求出载波的相位变化。如图8所示，251中的数据与254中的数据之积送入到加法器314当中，和寄存器252与寄存器253中数据乘积相加，结果取反，送入模块316当中。相乘，再减去寄存器252中数据与寄存器254中数据的乘积，结果送入模块316中。模块316是反正切函数，计算出相位差，再到模块317中进行低通滤波。结果用于调整本地产生的载波信号和接收到的载波之间的相位差。

载波相位的计算公式可以表示为：

$\mathrm{ph}\_\mathrm{decision}=\frac{1}{2}a\tan 2\left(\begin{array}{c}-(\mathrm{UP}\_I\·\mathrm{LOW}\_Q+\mathrm{UP}\_Q\·\mathrm{LOW}\_I),\\ -(\mathrm{UP}\_I\·\mathrm{LOW}\_I-\mathrm{UP}\_Q\·\mathrm{LOW}\_Q)\end{array}\right)---\left(7\right)$

得到的ph_decision通过低通滤波器滤波后，调整载波增量，使得本地产生的载波信号与接收到的载波信号频率相同。

码相位调整指的是本地产生的参考码片要与输入扩频码片的信号对齐。在本文中，码相位调整采用双鉴相结构。首先采用的粗鉴相保证了相位跟踪的范围，此后采用的窄鉴相减小了码抖动误差。对于BOC(1，1)来说，子载波也是由CODEDCODELTA信号产生。调整了CODEDCODELTA意味着同时调整了码相位和子载波相位。码相位由公式

$\mathrm{decision}1=\frac{E^2-L^2}{E^2+L^2}---\left(8\right)$

对输出结果进行调整。输出信号经过低通滤波器，调整寄存器的CODEDCODELTA数值，达到调整本地输出码和子载波的目的。其中E是提前N个采样点的输出能量值，L是滞后N个采样点的输出能量值。

E²＝E_IB_UP²+E_QB_UP²+E_IB_LOW²+E_QB_LOW²  (9)

L²＝L_IB_UP²+L_QB_UP²+L_IB_LOW²+L_QB_LOW²  (10)

以上所述为粗鉴相器的设计，码的粗鉴相器的码误差曲线图如图9a中所示。

以下将描述码的窄鉴相器的设计。码的窄鉴相器分为两种，图9a和9b分别给出了第一种窄鉴相器和第二种窄鉴相器的码误差曲线图。

在第一种码的窄鉴相器中，在P路四个信号中把载波相位的信号分离出去，通过除法约掉载波分量。分离出去的载波表现为

和

为了避免sin函数和cos函数过小以影响鉴相器的灵敏度，需要在通过比例消除载波信号时保证上下两个量是较大的值。需要比较(UP_I-LOW_I)²+(UP_Q+LOW_Q)²和(UP_Q-LOW_Q)²+(UP_I+LOW_I)²的大小：

当(UP_I-LOW_I)²+(UP_Q+LOW_Q)²>(UP_Q-LOW_Q)²+(UP_I+LOW_I)²时，第一种窄鉴相器的鉴相方程为

$\mathrm{decision}2=a\tan (-\frac{\mathrm{UP}\_Q+\mathrm{LOW}\_Q}{\mathrm{UP}\_I-\mathrm{LOW}\_I})---\left(11a\right)$

当(UP_I-LOW_I)²+(UP_Q+LOW_Q)²≤(UP_Q-LOW_Q)²+(UP_I+LOW_I)²时，第一种窄鉴相器的鉴相方程为

$\mathrm{decision}2=a\tan \left(\frac{\mathrm{UP}\_I+\mathrm{LOW}\_I}{\mathrm{UP}\_Q-\mathrm{LOW}\_Q}\right)---\left(11b\right)$

此外，第二种窄鉴相器的鉴相器方程为

$\mathrm{decision}2=\left(\frac{-\mathrm{UP}\_I*\mathrm{LOW}\_Q+\mathrm{UP}\_Q*\mathrm{LOW}\_I}{\mathrm{UP}\_I^2+\mathrm{LOW}\_Q^2+\mathrm{UP}\_Q^2+\mathrm{LOW}\_I^2}\right)---\left(12\right)$

本发明还提供一种用于对伽利略系统的L1波段基带信号的处理系统，具体可如图1中所示，所述处理系统包括：接收卫星信号的捕获单元100、跟踪卫星信号的跟踪单元200、和分别与捕获单元100和跟踪单元200相连的控制单元400，所述处理系统还包括与控制单元400相连的产生本地参考信号的参考信号发生器160(如图2和3所示)。

捕获单元100的结构可具体如图2中所示，其中包括：下变频模块110和计算模块，下变频模块110将接收到的卫星信号进行下变频处理之后发送到计算模块，计算模块接收经过下变频处理的信号和从参考信号发生器160发出的本地参考信号并据此进行计算。控制单元400根据所述计算结果确定已成功捕获卫星信号之后可将与卫星信号基本一致的本地参考信号转交给跟踪单元200。

捕获单元100可进一步包括连接在下变频模块110与所述计算模块之间的低通滤波器和采样相位滑动器120，采样相位滑动器控制采样位置并当从控制单元400获知未成功捕获卫星信号时滑至下一采样位置。

所述计算模块可包括匹配滤波器和FFT计算器130以及非相干累加器140，用于对经过下变频和低通滤波的信号进行匹配滤波、FFT计算和非相干累加。

所述处理系统中还可包括检测器150，用于对非相干累加器140的累加结果进行检测判决，以确定信号捕获是否成功。检测器150可为独立装置，或者，其可设置在捕获单元100中或控制单元400中。

跟踪单元200的结构可具体如图3中所示，其中包括：与参考信号发生器160相连的滑动相关器220，分别与控制单元400相连的码跟踪模块320和载波跟踪模块270，分别与滑动相关器220、码跟踪模块320、载波跟踪模块270相连的数据判通模块230；滑动相关器220用于确定码跟踪的标志位，码跟踪模块320用于调整本地参考信号使其与卫星信号的码片对齐，载波跟踪模块270用于调整本地参考信号的载波信号使其与卫星信号的载波信号的频率和相位一致。

跟踪单元200可进一步包括：分别与码跟踪模块320、载波跟踪模块270和数据判通模块230相连的二次码跟踪模块260，用于进行二次码同步。

如上所述，本发明利用伽利略导航系统L1波段信号的调制特点，以及两个通道(数据导航通道和导频通道)的不同扩频码，把接收到的信号进行调整处理，用于最终的定位解算，同时，L1波段导航通道和导频通道上的信号相干累加值还用于捕获和跟踪。在信号捕获过程中，对输入信号进行下变频，并利用上下两个边带的能量、通过匹配滤波器与FFT相结合的方式完成信号的时域/频域的全并行捕获，并产生与输入信号大致对齐的本地码信号和载波信号；在信号跟踪过程中，采用码片超前、滞后和对齐三组相关器的输出结果，构成包括粗鉴相器和窄鉴相器的双鉴相器结构，以调整本地码相位，其中，在跟踪的初始阶段采用粗鉴相器调整本地码相位，当码跟踪误差小于一定范围时采用窄鉴相器调整本地码相位。本发明的优点在于，其充分利用了伽利略L1波段信号调制特点，捕获灵敏度高，跟踪抖动范围窄，电路设计简单，寄存器使用较少，而且码跟踪环路采用双鉴相器结构，使得鉴相误差显著降低。

以上实施实例仅为本发明提供的用于对伽利略系统的L1波段基带信号进行处理的方法和系统的优选实施方式，这些优选实施方式并不是用于限定本发明的保护范围，本发明所公开的所有特征均能够进行各种组合或代之以具有相同或类似目的和效果的特征。应指出的是，对本技术领域的普通技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下，还可进行各种改进和变化，例如增加、删减、替换或合并某些步骤和/或功能单元/模块，而这些改进和变化也在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1、一种用于对伽利略系统的L1波段基带信号的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、捕获卫星信号，对所述卫星信号进行下变频，获得采样信号；

B、根据所述采样信号和本地产生的本地码信号进行计算；

C、当所有码信号的计算完毕且累加次数达到设定值时，如果计算结果不超过门限值，则返回步骤A；否则，执行以下步骤；

D、跟踪所述卫星信号。

2、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

在步骤A中，所述下变频中的中频采用上边带中频或者下边带中频。

3、根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，

在步骤B中，利用所述卫星信号中的L1波段的导航通道的扩频码作为所述本地码信号的扩频序列，进行所述计算。

4、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

在步骤B中，对经过滤波和采样调整之后的采样信号进行短相关计算和FFT计算。

5、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

所述采样信号包括输出同向信号和正交信号共两路；

在步骤B中，通过所述计算得到所述同向信号和正交信号的扩频码解扩值。

6、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

在步骤B中，所述计算包括对保留包络运算结果进行非相干累加计算。

7、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

在步骤C中，如果计算结果不超过门限值且采样次数超过采样预定值，则返回执行步骤A，并在步骤A中改变所述下变频的频率。

8、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

在步骤A中，通过采样点滑动控制器控制所述采样信号的相位。

9、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

步骤D包括：

D1、所述采样信号经过所述下变频和滤波后得到上边带的同向信号和正交信号以及下边带的同向信号和正交信号；

D2、用导航信号扩频码解扩后的相关结果减去导频信号扩频码解扩后的相关结果，得到第一能量值；用导航信号扩频码解扩后的相关结果加上导频信号扩频码解扩后的相关结果，得到第二能量值；并根据所述第一能量值和第二能量值设置标志位，通过标志位选择四路有效信号；

D3、根据所述采样信号中的码片超前、滞后和对齐三组误差计算结果，调整所述本地码信号使其与所述卫星信号的码片对齐，其中，当所述误差在预定误差范围之外时，采用粗鉴相调整，而当所述误差在预定误差范围之内时，采用窄鉴相调整；

D4、调整所述本地码信号的载波信号使其与所述卫星信号的载波信号的频率和相位一致。

10、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

通过直方图法确定在所述导频信号中的二次码同步位。

11、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

在二次码同步之后对信号进行相干累加。

12、根据前述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，

在步骤D4中，采用平方求和法去除子载波信号的影响。

13、一种用于对伽利略系统的L1波段基带信号的处理系统，包括：接收卫星信号的捕获单元、跟踪卫星信号的跟踪单元、和分别与所述捕获单元和跟踪单元相连的控制单元、以及与所述控制单元相连的产生本地参考信号的参考信号发生器，其特征在于，

所述捕获单元中包括：下变频模块和计算模块，所述下变频模块将接收到的卫星信号进行下变频处理之后发送到所述计算模块，所述计算模块接收经过下变频处理的信号和从所述参考信号发生器发出的本地参考信号并据此进行计算；所述控制单元根据所述计算结果确定已成功捕获卫星信号之后将与卫星信号基本一致的本地参考信号转交给所述跟踪单元。

14、根据权利要求13所述的处理系统，其特征在于，

所述捕获单元进一步包括连接在所述下变频模块与所述计算模块之间的低通滤波器和采样相位滑动器，所述采样相位滑动器控制采样位置并当从所述控制单元获知未成功捕获卫星信号时滑至下一采样位置。

15、根据权利要求13-14中任一项所述的处理系统，其特征在于，

所述跟踪单元包括：与所述参考信号发生器相连的滑动相关器，分别与所述控制单元相连的码跟踪模块和载波跟踪模块，分别与所述滑动相关器、码跟踪模块、载波跟踪模块相连的数据判通模块；所述滑动相关器用于导航导频数据的解扩计算提取有用数据，所述码跟踪模块用于调整所述本地参考信号使其与所述卫星信号的码片对齐，所述载波跟踪模块用于调整所述本地参考信号的载波信号使其与所述卫星信号的载波信号的频率和相位一致。

16、根据权利要求13-15中任一项所述的处理系统，其特征在于，

所述跟踪单元进一步包括：分别与所述码跟踪模块、载波跟踪模块和数据判通模块相连的二次码跟踪模块，用于进行二次码同步。

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