CN102375148B

CN102375148B - 解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法

Info

Publication number: CN102375148B
Application number: CN 201110278691
Authority: CN
Inventors: 李斌; 李士庆; 覃光全
Original assignee: Chengdu Spaceon Electronics Co Ltd
Current assignee: Chengdu Spaceon Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102375148A

Abstract

本发明公开了一种解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，主要包括步骤：(1)在北斗卫星接收机中预设一个多普勒频移标准值；(2)捕获北斗卫星信号，并得到初始的多普勒频移值；(3)将该初始的多普勒频移值与预设的多普勒频移标准值进行比较，若超出预设的多普勒频移标准值，则存储该多普勒频移值，以及相应的晶振频率偏移值；反之，则丢弃该多普勒频移值；(4)再次开启北斗卫星接收机，调用存储的晶振频率偏移值对北斗卫星接收机进行修正。本发明通过巧妙地对晶振频率进行修正，从而有效地解决了晶振频率偏移对北斗卫星信号快速接收带来的不良影响。

Description

解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法

技术领域

本发明涉及北斗卫星导航接收机，具体地说，是涉及一种解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法。

背景技术

北斗卫星导航系统【BeiDou(Compass)Navigation Satellite System】是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。我国规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。2000年，我国建成北斗导航试验系统，使我国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

“北斗二号”卫星导航定位系统是一种典型的扩频通信系统。在BD-2系统中，用户接收到的BD-2卫星播发的RNSS导航信号中，包含有以下三种信号：数据码(或称D码，亦称为基带信号)、测距码(C/A码，P码)和载波信号(B1、B2和B3)。数据码的信息速率有B_C(50bps)和B_m(500bps)两种，它包含多种与导航有关的信息，比如：卫星的星历、卫星钟钟差修正参数、测距时间标志、大气折射修正参数及由C/A码捕获P码等其他导航信息，上述导航信息统称为导航电文。RNSS导航信号是将导航电文对应的二进制码序列经过伪码扩频，再对L波段的载波进行四相调制(QPSK)之后形成的信号。BD-2接收机要得到导航电文的信息，必须对RNSS导航信号进行正确的解扩，即必须保证本地参考信号与接收信号之间的同步。

北斗接收机通过接收天线接收北斗卫星的信号，经过天馈的低噪声放大器放大处理后，由射频电缆传送到接收机模组，进行解调；之后，射频信号经低噪声放大器放大，再和本振信号一起经混频器混频，变为基带信号；最后，基带信号经过放大、滤波、AD采样后，完成信号处理。

在上述处理过程中，基带信号处理部分的任务主要包括：完成载波的捕获、跟踪与解调，伪码的捕获、跟踪与解扩，码同步，帧同步，Viterbi译码，广播电文的分拆与提取，通信信息、定位信息的提取，信息加解密操作，时差测量，发送信息的组帧、编码和调制，发送信号的多普勒频移值补偿及功率控制，以及串口数据传输、整机状态巡检。

从现有技术可知，在卫星导航定位系统中，信号采用的是直接序列扩频码的形式。为了能够实现码同步，需要对码相位按照一定的步进作相关运算。此外，由于多普勒频移的存在，接收机还需要对频率进行搜索。这是一种二维搜索，在无先验知识的情况下，其搜索过程可能极为耗时。在这种情况下，压缩多普勒频移的不确定范围将是加快搜索的有效手段，在接收机开始工作的选星阶段，总希望先对那些多普勒不确定范围较小的卫星信号进行捕获，以缩短捕获时间。

为了达到快速捕获的目的，有必要对接收GEO北斗信号的载波进行捕获，因此设定需要覆盖的多普勒频移范围不能太宽。除此之外，捕获时需要考虑的另一个因素是频率步长，即捕获中剥离载波所需要的频率。假定被覆盖的多普勒频移带宽范围是±2.5kHz，决定覆盖这5kHz范围的步进频率非常重要。以晶振频偏为0Hz为参考，搜索步进频率100Hz为例，需要步进50次，才能完成对北斗信号载波的捕获。

在接收GEO北斗信号时，如果北斗卫星接收机处于相对静止的状态，一旦捕获或跟踪到北斗卫星信号的载波信号，北斗接收机中就可以得到多普勒频移值，该频移大小与晶振频率的偏差直接相关。接收机的晶振频率偏差越大，北斗接收机中得到的多普勒频移值的绝对值就越大；当晶振频率的偏差值超过一定值后，卫星接收机将无法正常捕获到北斗卫星信号。

如图1所示，假设输入射频信号X(t)(含有I和Q信号)为I(t)coswct-Q(t)sinwct，本地振荡信号为cosW_L0t，混频后的北斗信号如下：

A*X(t)*cosw_L0t

＝(A/2)*[I(t)coswct-Q(t)sinwct]*cosw_L0t

＝A/2*I(t)[cos(wc+w_L0)t+cos(wc-w_L0)t]-Q(t)[s in(wc+w_L0)t+s in(wc-w_L0)t]

具体在北斗二代中的具体应用wc＝2*π*(1561.098MHz+fdoppler)，晶振的标称频率为16.311MHz，Δf为晶振的频率偏差。频率w_L0＝2*π*96*(16.311MHz+Δf)＝2*π*(1565.856MHz+96*Δf)；滤除高频分量后，

Y＝A/2*I(t)cos(wc-w_L0)t-A/2*Q(t)sin(wc-w_L0)t

假设只关心I路数据，可得到

Yi(t)＝A/2*I(t)*cos(wc-w_L0)t

＝A/2I(t)*cos[2*π*(1561.098MHz+fdoppler-1565.856MHz-96*Δf)]t

＝A/2*I(t)*cos[2*π*(4.758MHz+96*Δf-fdoppler)]t

假设Δf＝0时，基带捕获处理时，需要对在中频4.758MHz附近，对一定频率范围的信号进行搜索，以满足不同北斗终端产品在各种应用场景下可能需要的多普勒频率偏移。

但是，当Δf不为零时，我们也不难从上述推导的数学表达式中发现Δf与fdoppler同样在改变Yi(t)这个中频信号的特性。该频率偏差(Δf与fdoppler共同结果)会对基带信号产生幅度调制，使直接北斗卫星中扩频信号的极性发生翻转，降低PN码的相关峰值和检测概率。由此形成的频差对基带信号匹配滤波容易失配，造成匹配滤波器输出的信噪比损失。当多普勒频率变大时，甚至有可能使信号淹没在噪声中。因此，在接收GEO卫星信号时，北斗卫星接收机中本振的晶体频率偏移将会导致接收到的卫星信号在经过混频以后的频率，会在原来正常的频率基础上出现一个变化量；该变化量的大小与晶振的频率偏移量保持一个线性关系。一旦这个变化量较大，将会导致卫星接收机的捕获时间过长，甚至无法捕获到北斗卫星信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，在实现北斗卫星接收机对北斗信号进行快速捕获的同时，消除接收机中晶振频率偏移对北斗信号快速捕获的影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，包括以下步骤：

(1)在北斗卫星接收机中预设一个多普勒频移标准值；

(2)捕获北斗卫星信号，并得到一个初始的多普勒频移值；

(3)将该初始的多普勒频移值与预设的多普勒频移标准值进行比较，若初始的多普勒频移值超出预设的多普勒频移标准值，则存储该初始的多普勒频移值，以及相应的晶振频率偏移值；反之，则丢弃该初始的多普勒频移值；

(4)再次开启北斗卫星接收机，调用存储的晶振频率偏移值，在接收北斗卫星信号之前，修正北斗卫星接收机中的捕获滤波器的基准频率，保证北斗卫星信号处于北斗卫星接收机设定的捕获带宽之内；

(5)使用修正之后的北斗卫星接收机对北斗卫星信号进行捕获与跟踪，得到新的多普勒频移值；

(6)使用该新的多普勒频移值代替初始的多普勒频移值，重复步骤(3)～(5)。

进一步地，所述步骤(2)中捕获北斗卫星信号的方法为并行搜索方法；同时，所述(2)中捕获北斗卫星信号的带宽为2～3Kbps。

再进一步地，所述步骤(3)中相应的晶振频率偏移值由初始的多普勒频移值进行线性换算得到；该线性换算是指使用初始的多普勒频移值除以北斗卫星接收机中VCO倍频器的倍率。

更进一步地，所述步骤(5)在对北斗卫星信号进行跟踪时，北斗卫星接收机的NCO频率与接收到的北斗卫星信号的频率保持同步；而北斗卫星接收机的NCO频率与接收到的北斗卫星信号的频率保持同步通过Costas锁相环实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明与北斗二代卫星的实际应用情况相结合，进行巧妙设计，从整体上解决了接收机的晶振频率偏移对北斗卫星信号快速接收的不良影响；

2.本发明通过并行搜索方式有效地提高了北斗卫星信号的搜索效率，为实现信号的快速接收打下了基础；

3.本发明通过对捕获北斗卫星的带宽进行了合理设计，既防止了带宽过宽带来的捕获时间长的问题，又防止了带宽过窄导致无法接收北斗卫星信号的问题；

4.本发明通过获取的多普勒频移值来推算出相应的晶振频率偏移值，并通过该推算的晶振频率偏移值来对接收机的晶振频率进行修正，从而保证北斗卫星信号的正常接收，避免晶振频率偏移对北斗卫星信号快速接收的不良影响；

5.本发明通过Costas锁相环对捕获北斗卫星信号的载波进行捕获与跟踪，从而有效地保证了接收机的NCO频率与接收到的北斗卫星信号之间的频率同步，保证了北斗卫星信号的时效性；

6.本发明由于可实现对晶振频率的修正，因此可大大降低设计北斗卫星接收机时对晶振的准确性、年老化率等指标的技术要求，为其实现与应用提供了方便；

7.本发明应用于北斗应用终端之中，可实现快速授时、定位，同时其产品还具备体积小、携带方便、使用范围广的特点，因此，其应用价值极高。

附图说明

图1为本发明中北斗卫星接收机的工作原理框图。

图2为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图2所示，本发明所述的用于解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，包括以下步骤：

一.设定多普勒频移标准值

晶振的频率偏移是一个缓慢变化过程，它在一段时间里是相当稳定的，没有必要对很小的偏移频率值均进行储存操作和校正，因此，设定合理的多普勒频移标准值，可有效减少对接收机晶振频率偏移值的修改次数，即减少对北斗卫星接收机中flash的写操作，从而缩短信号的接收时间，提高接收效率。本发明主要接收GEO卫星信号，在参考现有的多普勒频移值之后，本发明将多普勒频移标准值设定为5Hz。在正常条件下，以这种标准值为界限，每年需要更改储存的晶振频率偏移值的次数为一般处于20次以下。

二.设定捕获北斗卫星信号的载波带宽

合理的捕获北斗卫星信号的载波带宽，不仅能够保证北斗卫星信号始终处于接收机的捕获带宽之内，同时还能尽可能地缩短北斗卫星信号的接收时间，减少接收机的工作时间，进而降低北斗应用终端(北斗接收机)的功耗，延长北斗应用终端的使用寿命。本发明中，捕获北斗卫星信号的载波带宽设定为2.5Kbps。

三.获取北斗卫星信号的多普勒频移值

首次开启接收机，采用并行搜索方式对北斗卫星信号进行捕获，并在捕获之后，对捕获的信号进行跟踪。在跟踪时，需要使接收机产生的码和载波与输入信号同步。由于接收到的北斗卫星信号存在多普勒频移值(由于北斗卫星接收机与北斗卫星在信号传输方向上有相对运动，故会产生多普勒频移值)，并且接收到的信号多存在多径效应，因此使用Costas锁相环进行载波的捕获与跟踪，即使接收机的NCO频率与接收到的北斗卫星信号的频率同步。一旦同步，可进一步解调电文，解调出时间和其他信息；同时，可以得到初始的多普勒频移值。

四.获取用于修正的多普勒频移值及相应的晶振频率偏移值

将得到的多普勒频移值与预设的多普勒频移标准值进行比较，判断是否超出设定的范围，如果超出设定范围则予以储存；没有超出设定的范围，则认为晶振的频率偏移不大，无需储存该多普勒频移值。由于该多普勒频移值是通过捕获GEO卫星载波时得到的，因此，在北斗卫星接收机与GEO卫星之间在电波传输方向上没有产生相对比较大的运动时，则认为在接收机中所得到的多普勒频移值是由晶振频率偏移所引起的，此前如果对晶振频率进行了修正，则可解决晶振频率偏移带来的不良影响。

对于保存的多普勒频移值，为了方便后期对北斗卫星接收机进行修正，还需要保存相应的晶振频率偏移值。晶振频率偏移值由保存的多普勒频移值进行适当的线性换算得到，即使用保存的多普勒频移值除以北斗卫星接收机中VCO倍频器的倍率。在本发明中，北斗卫星接收机中VCO倍频器的倍率为96，故晶振频率偏移值由保存的多普勒频移值除以96得到。

五.对北斗卫星接收机进行修正以及解决晶振频率偏移对快速接收北斗卫星信号带来的不良影响

再次开北斗卫星接收机时，首先调用在存储器中的晶振频率偏移值，校正对捕获北斗卫星信号的频率进行修正，即修正北斗卫星接收机中的滤波器的基准频率，以确保能够正常接收北斗卫星信号。当捕获与跟踪到北斗卫星信号的载波时，同时又可以得到一个多普勒频移值，这时将该多普勒频移值与预设的多普勒频移标准值进行比较，即重复第四步的工作。与此同时，进行解调电文，解调出时间和其他信息。将时间和其他的北斗卫星导航信息送出。

通过上述方法，可以在实现快速捕获北斗卫星信号的同时，有效地解决北斗卫星接收机中的晶振频率偏移对接收机的首次接收时间和灵敏度的不良影响。

使用本发明所述的方法接收到北斗卫星信号后，需要对信号进行适当的基带处理才能应用于北斗应用终端。所述基带处理流程如下：

首先对输入信号滤波，滤波主要是滤出北斗频带外的各种干扰噪声，提供符合后继处理需要信噪比的信号；然后将信号进行解扩处理，解扩之后，对信号进行解调，恢复出原始的导航电文信息；然后对信息进行GEO卫星的一个判断和选择，确定后进行时间信息的解算，解算出的信息立刻通过接口送入北斗应用终端。所述滤波、解扩、解调、解算以及对GEO卫星的判断与选择均为常规技术，在此不在赘述。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明，而本发明的实施方式包括但不限于上述实施例。

Claims

1.解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在北斗卫星接收机中预设一个多普勒频移标准值；

(2)捕获北斗卫星信号，并得到初始的多普勒频移值；

(3)将该初始的多普勒频移值与预设的多普勒频移标准值进行比较，若超出预设的多普勒频移标准值，则存储该多普勒频移值，以及相应的晶振频率偏移值；反之，则丢弃该多普勒频移值；

2.根据权利要求1所述的解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，其特征在于，所述步骤(2)中捕获北斗卫星信号的方法为并行搜索方法。

3.根据权利要求2所述的解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，其特征在于，所述步骤(2)中捕获北斗卫星信号的带宽为2～3Kbps。

4.根据权利要求2或3所述的解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，其特征在于，所述步骤(3)中相应的晶振频率偏移值由初始的多普勒频移值进行线性换算得到。

5.根据权利要求4所述的解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，其特征在于，所述线性换算是指使用初始多普勒频移值除以北斗卫星接收机中VCO倍频器的倍率。

6.根据权利要求5所述的解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，其特征在于，所述步骤(5)在对北斗卫星信号进行跟踪时，北斗卫星接收机的NCO频率与接收到的北斗卫星信号的频率保持同步。

7.根据权利要求6所述的解决快速接收北斗卫星信号时接收机晶振频率偏移的方法，其特征在于，所述北斗卫星接收机的NCO频率与接收到的北斗卫星信号的频率保持同步通过Costas锁相环实现。