CN103293534A - 一种卫星导航信号生成零值标定方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星导航信号生成零值标定方法，（1）导航卫星生成有效载荷通过已有的秒脉冲发射通道输出基带扩频码信号，并通过导航信号生成内部时序，保证该基带扩频码第一个码片的上升沿和导航信号的起始位置对齐；（2）通过合路器将秒脉冲发射通道输出的基带扩频码和导航信号合路；（3）对合路信号进行采样；（4）估计秒脉冲发射通道输出的基带扩频码的起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t1；（5）估计所述的导航信号伪码起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t2；（6）利用矢量网络分析仪标定秒脉冲发射通道的时延t3、合路器在基带扩频码频段的时延t4和合路器在导航信号频段的时延t5；（7）利用t5-t4+t3+t2-t1对卫星导航信号进行零值标定。

Description

一种卫星导航信号生成零值标定方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术，特别涉及一种卫星导航信号生成零值（即发射时延）标定方法。

背景技术

卫星导航信号生成系统由数字单机、调制器、放大器、滤波器和天线组成。数字单机根据约定好的导航信号格式，产生秒脉冲和与之同步的数字基带信号，通过两个不同的通道输出；秒脉冲信号用于零值标定；数字基带信号通过数模变换后，发送至调制器；调制器将模拟基带信号上变频，产生射频导航信号，发送至放大器；放大器将射频导航信号放大至所需要的功率，通过天线向地面播发。

导航卫星有效载荷导航信号生成系统零值的标定是卫星导航系统实现精确定位应用的前提，其标定精度将直接影响用户的定位精度。

目前，可以通过以下方法进行导航信号生成系统零值的标定：

方法1，采用导航信号接收机进行零值标定；

方法2，采用示波器进行零值标定；

方法3，首先采用秒脉冲触发采集导航信号，其次利用软件方法对采集到的导航信号的起始时刻进行标定，然后利用适量网络分析仪标定秒脉冲传输线路时延，最后利用秒脉冲传输线路时延和导航信号起始时刻计算得到导航信号生成系统零值；

方法4，首先对秒脉冲和导航信号同时采集，其次利用软件方法对秒脉冲进行上升沿时刻进行标定，然后利用软件方法对采集到的导航信号的起始时刻进行标定，然后利用适量网络分析仪标定秒脉冲传输线路时延，最后利用秒脉冲传输线路时延、秒脉冲上升沿时刻和导航信号起始时刻计算得到导航信号生成系统零值。

然而，通过上述方法进行导航信号生成系统的零值标定，存在如下问题：

（1）方法1仅能得到信号生成和接收的组合零值，无法单独进行信号生成零值标定；

（2）方法2仅适用于BPSK、QPSK调制方式的信号，不适用于复杂调制方式的导航信号，如BOC、AltBoc和TMBOC等；

（3）方法3和方法4的零值标定精度受到秒脉冲上升沿时刻标定精度的限制，由于秒脉冲上升沿的标定精度仅达ns量级，故方法3和方法4的零值标定精度仅达ns量级。

由此可见，现有的零值标定方法，标定精度低、适用的信号调制方式有限，无法满足导航信号生成系统的研制过程中，对各种调制方式的导航信号生成系统进行高精度零值标定的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种卫星导航信号生成系统零值标定方法，可提高标定精度，适用于各种调制方式的导航信号。

本发明的技术解决方案是：一种卫星导航信号生成零值标定方法，步骤如下：

（1）导航卫星生成有效载荷通过已有的秒脉冲发射通道输出基带扩频码信号，并通过导航信号生成内部时序，保证该基带扩频码第一个码片的上升沿和导航信号的起始位置对齐；

（2）通过合路器将秒脉冲发射通道输出的基带扩频码和导航信号合路；

（3）对合路信号进行采样；

（4）估计秒脉冲发射通道输出的基带扩频码的起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t1；

（5）估计所述的导航信号伪码起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t2；

（6）利用矢量网络分析仪标定秒脉冲发射通道的时延t3、合路器在基带扩频码频段的时延t4和合路器在导航信号频段的时延t5；

（7）利用t5-t4+t3+t2-t1对卫星导航信号进行零值标定。

所述步骤（1）中基带扩频码的码速率选定为导航信号中调制的多路伪码信号的最高码速率。

所述步骤（5）中的时间延迟t2的确定步骤如下：

（5.1）将步骤（3）处理后的合路采样信号通过高通滤波器进行滤波；

（5.2）对步骤（5.1）处理后的信号进行载波相位估计，具体步骤如下：

a)设置具有不同的初始相位的余弦载波和正弦载波，分别与通过高通滤波后的合路采样信号进行混频，得到I路基带信号和Q路基带信号；

b)生成具有不同的初始相位τ的理想伪码信号，和步骤a）得到的I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算，得到I路相关函数和Q路相关函数；

c)将得到的I路相关函数和Q路相关函数平方相加，作为似然函数，进行最大似然估计，得出载波相位的最大似然估计值；

（5.3）设置伪码相位的迭代步长；

（5.4）进行伪码相位估计，利用步骤（5.2）得到的载波相位，剥离导航信号中的载波，得到基带导航信号；

（5.5）利用匹配滤波算法计算该基带导航信号的起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t2。

所述步骤（5.1）中的高通滤波器的截止频率要求大于10倍的秒脉冲发射通道输出的基带扩频码信号的带宽。

所述的高通滤波器的阶数与估计时间延迟t1时采用的滤波器的阶数相同。

所述步骤（3）中采样的频率f_s同时满足如下三条要求：

① ${\mathrm{nf}}_s<B_{\mathrm{nav}}<{\mathrm{nf}}_s+\frac{1}{4}{f}_s$

其中，B_nav为导航信号所占的频带范围，n为任意正整数；

②采样频率大于500MHz；

③所述的采样频率不能是导航信号中伪码的码片速率的整数倍。

本发明与现有技术相比有益效果为：

（1）由于本发明能够在高性能计算机中，利用软件后处理的方法估计导航信号生成系统输出的导航信号伪码起始位置相对于第一个采样点的时间延迟t2，所以可以根据导航信号的格式，任意调整本地软件生成的理想码格式，因此本发明公开的方法不仅适用于通用调制方式信号的零值标定，如BPSK和QPSK，而且适用于各种特殊调制方式的导航信号，如BOC、AltBoc、Td-AltBoc和TMBOC等；

（2）本发明未采用秒脉冲的上升沿进行零值标定，而是采用高速扩频码取代秒脉冲，由于高速扩频码的码相位起始时刻标定精度高于秒脉冲上升沿时刻的标定精度，因此本发明公开的方法可提高导航信号生成零值标定的精度；

（3）本发明未采用秒脉冲触发采集导航信号或秒脉冲和导航信号同时采集的方法，而是采用基带扩频码和导航信号合为一路后，进行一路信号的采集，可以避免两路信号采集起始时刻不同造成的零值标定偏差。

附图说明

图1为本发明中卫星导航信号生成系统零值标定方法的流程图。

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明白，以下参考附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的基本思想是：将采用秒脉冲的上升沿进行零值标定的方法改进为采用基带扩频码进行零值标定的方法，由于高速扩频码的码相位起始时刻标定精度优于秒脉冲上升沿时刻的标定精度，故本方法的标定精度优于现有各类方法；在高性能计算机中实现导航信号起始时刻标定，通过软件的灵活设置，使本方法能够适用于各种调制方式的导航信号。

图1为本发明中卫星导航信号生成系统零值标定方法的流程图。如图1所示，本发明零值标定方法包括以下步骤：

步骤101，导航卫星生成有效载荷通过已有的秒脉冲发射通道输出基带扩频码信号，基带扩频码的码速率选定为导航信号中调制的多路伪码信号的最高码速率，并通过导航信号生成内部时序，保证该基带扩频码第一个码片的上升沿和导航信号的起始位置对齐；

步骤102，通过合路器将秒脉冲发射通道输出的基带扩频码和导航信号生成系统生成的导航信号合路；

步骤103，利用高速采样设备对合路信号进行采样；

采样频率f_s满足如下要求：

（1） ${\mathrm{nf}}_s<B_{\mathrm{nav}}<{\mathrm{nf}}_s+\frac{1}{4}{f}_s$

其中，B_nav为导航信号所占的频带范围，n为任意正整数；

（2）采样频率大于500MHz；

（3）所述的采样频率不能是导航信号中伪码的码片速率的整数倍；

步骤104，在高性能计算机中，利用匹配滤波算法计算秒脉冲发射通道输出的基带扩频码的起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t1；

具体步骤如下：

（104a）将合路采样信号通过低通滤波器，该低通滤波器的截止频率要求大于10倍的秒脉冲发射通道输出的基带扩频码的带宽；

（104b）设置伪码相位的迭代步长；

（104c）根据伪码相位迭代步长，生成具有不同的初始相位τ的理想伪码信号；将具有不同初始相位的理想伪码信号与脉冲发射通道输出的基带扩频码进行相关运算，取相关值的最大值作为匹配函数p(τ)：

p(τ)=max{cor[prn_ideal(τ),prn_real]}

其中，max(·)表示取最大值运算符；

cor(·)表示相关运算符；

prn_ideal(τ)表示初始相位是τ的理想伪码信号；

prn_real(τ)表示通过低通滤波后的合路采样信号；

（104d）利用匹配函数p(τ)的取最大值时的τ值作为合路采样信号中基带扩频码的伪码相位；

（104e）判断伪码相位的迭代精度是否小于0.1倍的零值标定精度要求，若满足，则此时的τ值记为t1，方法结束，若不满足，将伪码相位的迭代步长缩小为原来的0.1倍后，转入步骤（104c）。

步骤105，在高性能计算机中，利用匹配滤波算法估计导航信号生成系统输出的导航信号伪码起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t2；

（105a）将合路采样信号通过高通滤波器，该高通滤波器的截止频率要求大于10倍的秒脉冲发射通道输出的基带扩频码的带宽，高通滤波器的阶数要求同（104a）中低通滤波器的阶数相同；

（105b）进行载波相位估计，具体步骤如下：

d)设置具有不同的初始相位的余弦载波和正弦载波，分别与通过高通滤波后的合路采样信号进行混频，得到I路基带信号和Q路基带信号；

e)生成具有不同的初始相位τ的理想伪码信号，和步骤a）得到的I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算，得到I路相关函数和Q路相关函数；

f)将得到的I路相关函数和Q路相关函数平方相加，作为似然函数，进行最大似然估计，得出载波相位的最大似然估计值；

（105c）设置伪码相位的迭代步长；

（105d）进行伪码相位估计，利用步骤（105b）得到的载波相位，剥离导航信号中的载波，得到基带导航信号；

（105e）与步骤（104）类似，利用匹配滤波算法计算该基带导航信号的起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t2；

步骤106，利用矢量网络分析仪标定秒脉冲发射通道的时延t3、合路器在基带扩频码频段的时延t4和合路器在导航信号频段的时延t5；

步骤107，导航信号生成系统零值通过t5-t4+t3+t2-t1计算得到。

下面，结合具体的实施例，对本发明的零值标定方法进行详细说明。

实施例一

本实施例中，导航信号调制方式为AltBoc，信号的中心频点为1191.795MHz，信号的带宽为±40MHz，伪码周期1ms；通过导航信号生成系统的数字单机部分中的FPGA输出一路基带扩频码信号，该信号的伪码速率为15.345MHz，并通过数字单机中的FPGA保证该基带扩频码第一个码片的上升沿和导航信号的起始位置对齐；采用频带范围为直流～18GHz的Agilent合路器，但并不局限于这种类型的合路器，将基带扩频码和导航信号合路；利用NI的高速采样设备对合路信号进行采样，采用频率1GHz，采样周期2ms；编写计算机软件处理程序，处理采集到得信号，利用匹配滤波算法估计基带扩频码的起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t1；编写计算机软件处理程序，处理采集到得信号，利用匹配滤波算法估计导航信号生成系统输出的导航信号伪码起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t2；利用Agilent矢量网络分析仪标定秒脉冲发射通道的时延t3、合路器在基带扩频码频段的时延t4和合路器在导航信号频段的时延t5；导航信号生成系统零值通过t5-t4+t3+t2-t1计算得到。

通过技术背景中所描述的标定方法2得到的标定均方根误差为1.2ns；通过技术背景中所描述的标定方法4得到的标定均方根误差为0.31ns；通过技术本专利公开的标定方法得到的标定均方根误差为0.05ns。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种卫星导航信号生成零值标定方法，其特征在于步骤如下：

（1）导航卫星生成有效载荷通过已有的秒脉冲发射通道输出基带扩频码信号，并通过导航信号生成内部时序，保证该基带扩频码第一个码片的上升沿和导航信号的起始位置对齐；

（2）通过合路器将秒脉冲发射通道输出的基带扩频码和导航信号合路；

（3）对合路信号进行采样；

（4）估计秒脉冲发射通道输出的基带扩频码的起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t1；

（5）估计所述的导航信号伪码起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t2；

（6）利用矢量网络分析仪标定秒脉冲发射通道的时延t3、合路器在基带扩频码频段的时延t4和合路器在导航信号频段的时延t5；

（7）利用t5-t4+t3+t2-t1对卫星导航信号进行零值标定。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号生成零值标定方法，其特征在于：所述步骤（1）中基带扩频码的码速率选定为导航信号中调制的多路伪码信号的最高码速率。

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号生成零值标定方法，其特征在于：所述步骤（5）中的时间延迟t2的确定步骤如下：

（5.1）将步骤（3）处理后的合路采样信号通过高通滤波器进行滤波；

（5.2）对步骤（5.1）处理后的信号进行载波相位估计，具体步骤如下：

a)设置具有不同的初始相位的余弦载波和正弦载波，分别与通过高通滤波后的合路采样信号进行混频，得到I路基带信号和Q路基带信号；

b)生成具有不同的初始相位τ的理想伪码信号，和步骤a）得到的I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算，得到I路相关函数和Q路相关函数；

c)将得到的I路相关函数和Q路相关函数平方相加，作为似然函数，进行最大似然估计，得出载波相位的最大似然估计值；

（5.3）设置伪码相位的迭代步长；

（5.4）进行伪码相位估计，利用步骤（5.2）得到的载波相位，剥离导航信号中的载波，得到基带导航信号；

（5.5）利用匹配滤波算法计算该基带导航信号的起始时刻相对于第一个采样点的时间延迟t2。

4.根据权利要求3所述的一种卫星导航信号生成零值标定方法，其特征在于：所述步骤（5.1）中的高通滤波器的截止频率要求大于10倍的秒脉冲发射通道输出的基带扩频码信号的带宽。

5.根据权利要求3或4所述的一种卫星导航信号生成零值标定方法，其特征在于：所述的高通滤波器的阶数与估计时间延迟t1时采用的滤波器的阶数相同。

6.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号生成零值标定方法，其特征在于：所述步骤（3）中采样的频率f_s同时满足如下三条要求：

① ${\mathrm{nf}}_s<B_{\mathrm{nav}}<{\mathrm{nf}}_s+\frac{1}{4}{f}_s$

其中，B_nav为导航信号所占的频带范围，n为任意正整数；

②采样频率大于500MHz；

③所述的采样频率不能是导航信号中伪码的码片速率的整数倍。

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