CN102565819A - 一种卫星导航信号的位同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航信号的位同步方法，包括对接收的卫星导航信号进行判断选择进行强信号位同步处理或弱信号位同步处理的步骤；在强信号位同步处理步骤中，利用相关值符号串与预设符号串相比较实现位同步；在弱信号位同步处理步骤中，利用获得的卫星导航信号连续2ms内的相关累加值实现位同步。采用本发明所述方法可以能够自适应的调整位同步策略，在强信号条件下，能够进行快速的位同步保证启动时间，在弱信号条件下，保证了位同步的可靠性的同时缩短了位同步的时间。

Description

一种卫星导航信号的位同步方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航信号的位同步方法。

背景技术

基于测距码的卫星导航接收机在进行卫星信号的捕获、跟踪之后，对卫星信号进行位同步处理，即从接收信号中找到数据比特的边沿，从而进行子帧同步，数据解调，获得信号的导航电文和发射时间，并最终实现导航定位。

位同步是伪距解算的基础，位同步的实现是一个随机过程，接收机通常会有一定的概率发生位同步错误，而位同步错误将引入整数个毫秒的错误，1ms错误相当于约300km的伪距测量误差，位同步影响伪距观测量的精度和首次定位时间，故位同步的精度和效率直接影响了最终的定位精度和冷启动首次定位时间。

在弱导航卫星信号接收环境下，由于1ms宽的比特值在同一个20ms宽的数据比特时沿下常常不等，且比特内符号跳变较多，采用传统位同步方法已经很难找到位边沿。并且，目前存在的位同步方法中，不能同时兼顾强弱信号的变化，且在载噪比较低时不能准确地实现位同步，或位同步时间过长。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种卫星导航信号的位同步方法，采用本方法可以能够自适应的调整位同步策略，在强信号条件下，能够进行快速的位同步保证启动时间，在弱信号条件下，在保证了位同步的可靠性的同时缩短了位同步的时间。

本发明的技术解决方案是：

一种卫星导航信号的位同步方法，用于对接收的卫星导航信号进行位同步，其特征在于包括以下步骤：

(1)接收输入的导航卫星信号，并判断导航卫星信号强度；若导航卫星信号强度大于信号处理门限，则转入步骤(2)，否则转入步骤(3)；所述导航卫星信号强度采用导航卫星信号的相关值或相关幅值表示；

(2)强信号位同步步骤：

(21)利用本地伪码信号与卫星导航信号进行相关；按照预先设定的符号串长度n，将获得的n个相关值的符号按时间顺序进行存储形成相关值符号串；

(22)将相关值符号串与预设符号串相比较，若存储的相关值的符号与预设符号串相符，则位同步成功；否则，返回步骤(21)，将本地伪码超前或滞后1ms重新与卫星导航信号进行相关；

(3)弱信号位同步步骤：

(31)以21ms为周期对与k bit长度相对应的导航卫星信号进行截取；在每个周期内，计算前后相邻两毫秒的点积值，将获得的20个点积值顺序编号；

(32)将k bit长度内编号相同的点积值累加，并将位同步次数增1；将20个点积累加值分别与累加门限相比较，若点积累加值小于累加门限，则门限计数值增1；所述门限计数值的初始值为0；所述位同步次数的初始值为0；

(33)若位同步次数达到同步次数门限，则返回步骤(1)；否则，判断门限计数值是否等于1，若门限计数值等于1，则位同步成功次数增1；所述位同步成功次数的初始值为0；若位同步成功次数大于等于同步成功门限，则位同步成功；否则，将门限计数值清零并返回步骤(31)，对新输入的与k bit长度相对应的导航卫星信号进行截取。

所述信号处理门限取导航卫星信号强度为-136dBm时m个毫秒的相关值或相关幅值的平均值，m为有限值；所述累加门限取决于点积值及点积累加值，选取0.01～0.5；同步次数门限的值取1～5；同步成功门限小于等于同步次数门限的值在1～4中选取。

所述预设符号串的长度为22ms。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明可以根据卫星导航信号的强弱自适应的在位同步方法间进行切换。信号处理门限的大小影响位同步的时间及可靠性，本发明中用于衡量信号强弱的信号处理门限是根据表征导航卫星信号强度的相关值或自相关幅值长期观测确定的。

(2)在弱信号同步的步骤中，本发明利用相邻两毫秒的点积值的累加值，可实现在弱信号条件下的位同步。当接收到的导航卫星信号较弱时，1ms相关值的符号常发生跳变，简单地利用符号跳变来确定位边沿已十分困难。利用同符号的相邻1ms相关值的点积值为正，异符号的相邻1ms相关值的点积值为负的特性，将连续一个比特的相关值的相邻两毫秒进行点积运算，并计算点积值累加，通过与累加门限比较确定位边沿。此方法在发生跳变时，利用统计得到的累加值进行判断，实现了弱信号条件下的位同步，从而提高了捕获灵敏度。

(3)随着导航卫星信号变弱，仅判断一次位同步，其成功概率降低，为了提高位同步成功概率，原则上对弱信号追加多次位同步流程，通过设定同步次数门限和同步成功门限，确定了对弱信号同步时的处理次数，提高了位同步成功概率，降低了错误概率。

(4)本发明在对强信号进行处理时，为了缩短位同步时间，采用与预设符号组合比较的方法实现位同步。通过记录设定长度的1ms相关值的符号，并与预设符号组合比较，查找位边沿。本发明中的预设符号串是根据导航数据自身特性确定的，根据卫星导航信号的特点，原始数据中的一个比特长度为20ms，故预设符号组合可取最短的22ms，保证了实现位同步的最短时间。

附图说明

图1为位同步实现流程图；

图2为信号强度判别流程图；

图3为点积算法确定位边沿的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及各具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示为本发明流程图。信号强度判别器用于判断卫星导航信号的强弱，根据结果选择对卫星导航信号进行强信号位同步处理还是弱信号位同步处理。

自适应门限确定模块、点积值计算模块、累加器和判别器构成弱信号位同步处理分支。预设符号串模块、相关值符号串联模块构成强信号位同步处理分支。

当接收到卫星导航信号时，信号强度判别器将卫星导航信号的相关值或相关幅值与信号处理门限进行比较。如1ms即时路的相关值、1ms即时路I之路和Q之路的非相干积分值、n个毫秒即时路的累加值(相干积分值)、n个毫秒即时路I之路和Q之路的非相干积分值等。

如图2所示，在信号强度判别器中，若大于信号处理门限，则将卫星导航信号输出到强信号位同步处理分支；否则，输出到弱信号位同步处理分支。信号处理门限根据长期观测值确定的，大小一般取导航卫星信号强度为-136dBm时m个毫秒的相关值或相关幅值的平均值，其值的选取决定位同步的时间及位同步的准确性，其中m为有限值，一般取1s。

在弱信号处理分支中，自适应门限确定模块用于设定累加门限，累加门限取决于点积值及点积值累加次数。对于较强的弱信号，累加次数较少时累加门限取较小值；对于弱的弱信号，累加次数较多时，累加门限取较大值；

点积值计算模块以21ms为周期对与k bit长度相对应的导航卫星信号进行截取，然后计算前后相邻两毫秒的点积值，在每个21ms周期中将获得20个点积值，每个周期中的点积值连续编号1～20。

如图3所示，累加器按点积值的编号对点积值进行累加，即编号相同的点积值累加在一起，然后将20个累加值分别与自适应门限确定模块确定的累加门限相比较。相邻2ms的点积值包含相位差异变化信息，同时也表征前后2ms相关值的正负，相邻2ms相关值符号相同其点积值为正，否则为负。点积值大小表征相位差异变化。对每次的累加结果进行比较，若点积累加值小于累加门限，则门限计数值增1。

判别器对门限计数值进行判断，若门限计数值等于1，则位同步成功次数增1。若位同步成功次数大于等于同步成功门限，则位同步成功；否则，此次对卫星导航信号的处理未实现位同步，将门限计数值清零，重新对新输入的与k bit长度相对应的导航卫星信号进行截取。

在弱信号处理分支中，对进入分支的弱信号进行有限次位同步处理，每次处理均采用位同步次数进行计数，当同步次数达到同步次数门限时，则退出弱信号处理分支，重新利用信号强度判别器对卫星导航信号进行判别。

在弱信号环境下，仅根据一次位同步结果判定位同步成功是危险的，上述的同步次数门限、同步成功门限的选取取决于导航卫星信号的强弱，对于较强的弱信号信号(大于-140dBm)同步次数门限可以取较小值或1，同步成功门限相应取小于等于同步次数门限的值；对于较弱的弱信号，同步次数门限可以取较大值，同步成功门限相应取小于同步次数门限的值。其中同步次数门限的值可在2～5中选取，同步成功门限可自适应地根据信号强度及位同步次数门限值的大小给定不同的值，一般在2～4中选取。

在强信号处理分支中，接收到的导航卫星信号包含C/A码，其与本地复制C/A码进行相关运算，通常得到对应1ms长的相关结果。该相关结果用于表征本地复制C/A码与接收信号中C/A码序列对齐程度，同时也表征1ms数据的电平。1个比特下的20ms数据的电平是相同的。在强信号条件下，1个比特下的20个1ms相关值的符号亦是相同的。若相邻两个1ms相关值的符号不同，则说明这2ms不属于同一个比特。将连续的设定长度的1ms相关值符号串联起来，得到设定长度的符号串。

相关值符号串联模块按照预先设定的符号串长度n，将获得的n个相关值的符号按时间顺序进行存储，将得到的设定长度的符号串与预设定的符号组合进行比较。例如，按GPS接口控制协议，数据率为50bit/s的电文，一子帧300bit，1个bit宽20ms，在码相位和载波相位不够精确情况下，仅判断前后2ms相关值的符号是危险的，为了保证位同步准确性，可采用如‘1000000000000000000001’、‘0111111111111111111110’的符号组合作为参考。若比较结果一致，则表示对强信号的位同步成功。否则，将本地伪码超前或滞后1ms重新与卫星导航信号进行相关，获得符号串再次进行比较。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种卫星导航信号的位同步方法，用于对接收的卫星导航信号进行位同步，其特征在于包括以下步骤：

(1)接收输入的导航卫星信号，并判断导航卫星信号强度；若导航卫星信号强度大于信号处理门限，则转入步骤(2)，否则转入步骤(3)；所述导航卫星信号强度采用导航卫星信号的相关值或相关幅值表示；

(2)强信号位同步步骤：

(21)利用本地伪码信号与卫星导航信号进行相关；按照预先设定的符号串长度n，将获得的n个相关值的符号按时间顺序进行存储形成相关值符号串；

(22)将相关值符号串与预设符号串相比较，若存储的相关值的符号与预设符号串相符，则位同步成功；否则，返回步骤(21)，将本地伪码超前或滞后1ms重新与卫星导航信号进行相关；

(3)弱信号位同步步骤：

(31)以21ms为周期对与k bit长度相对应的导航卫星信号进行截取；在每个周期内，计算前后相邻两毫秒的点积值，将获得的20个点积值顺序编号；

(32)将k bit长度内编号相同的点积值累加，并将位同步次数增1；将20个点积累加值分别与累加门限相比较，若点积累加值小于累加门限，则门限计数值增1；所述门限计数值的初始值为0；所述位同步次数的初始值为0；

(33)若位同步次数达到同步次数门限，则返回步骤(1)；否则，判断门限计数值是否等于1，若门限计数值等于1，则位同步成功次数增1；所述位同步成功次数的初始值为0；若位同步成功次数大于等于同步成功门限，则位同步成功；否则，将门限计数值清零并返回步骤(31)，对新输入的与k bit长度相对应的导航卫星信号进行截取。

2.如权利要求1所述的一种卫星导航信号的位同步方法，其特征在于：所述信号处理门限取导航卫星信号强度为-136dBm时m个毫秒的相关值或相关幅值的平均值，m为有限值；所述累加门限取决于点积值及点积累加值，选取0.01～0.5；同步次数门限的值取1～5；同步成功门限小于等于同步次数门限的值在1～4中选取。

3.如权利要求1所述的一种卫星导航信号的位同步方法，其特征在于：所述预设符号串的长度为22ms。

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