CN103605140A - 一种掩星信号快速恢复方法 - Google Patents

Abstract

一种掩星信号快速恢复方法是对掩星接收机跟踪的掩星信号失锁后快速恢复的方法；当接收机正常跟踪掩星信号时，选择高仰角卫星通道作为参考通道，该高仰角卫星为参考星。当掩星信号失锁后，首先对外推多普勒信息进行快速傅里叶变换，进行并行码相位搜索，得到信号码相位信息，将得到的外推多普勒信息和信号码相位信息置入信号跟踪环路对掩星信号进行精细搜索，完成对掩星信号的实时跟踪，得到1ms同相累加数据，将1ms同相累加数据进行比特同步，得到比特同步标志，在同步标志有效时，根据参考通道的Z计数值和V计数值以及ΔZ和ΔV，得到恢复后掩星信号的伪距测量信息。

Description

一种掩星信号快速恢复方法

技术领域

本发明属于卫星应用领域，涉及一种掩星信号快速恢复方法。

背景技术

近年来，地球大气无线电GNSS掩星探测技术作为二十一世纪最先进的空间探测技术之一迅速发展起来，并且成为国内外众多学者广泛关注的焦点。GNSS掩星探测技术开辟了地球大气探测崭新的思路，可以实现对全球范围的大气层和电离层进行探测。其基本原理是：在低轨LEO卫星上安装星载多系统兼容GNSS掩星双频接收机，对GNSS卫星进行临边观测，当电波信号穿过电离层和中性大气层传播时，由于介质垂直折射指数变换，导致对电波的折射作用，使信号路径发生弯曲，由此可反演获得全球大气折射率、气压、密度、温度和水汽压等大气参数剖面及电离层电子密度剖面。掩星探测技术具有高精度、高垂直分辨率、长期稳定、全球覆盖、全天候和花费较低廉等优势，可弥补传统大气探测手段的不足，其探测资料对于提高数值天气预报精度、临近空间环境监测与研究、气候与全球变化研究、大气模式研究和数据同化等方面具有重要的科学研究意义，在气候学、气象学、电离层和测地学等领域具有重大的科学研究价值和广泛的实际应用前景。

星载多系统兼容GNSS掩星双频接收机是地球大气无线电GNSS掩星探测技术的主要载荷设备，它通过对掩星信号的观测得到大气附加信号延迟，进而对大气参数进行反演。由于掩星信号是弱信号，在掩星信号的传播过程中，不可避免的会受到各种干扰的影响，例如大气层衰减、多路径干扰和电离层闪烁等，这些影响会不可避免的导致掩星信号的失锁。

一种掩星信号快速恢复方法是对掩星信号失锁后快速恢复的方法，它利用参考星通道实时记录掩星信号的发射时间，利用多普勒多普勒外推方法对信号多普勒进行外推，利用快速傅里叶变换方法实现对信号码相位的快速估计，从而可以在小于1秒的时间内快速恢复伪距测量信息。该方法可以推广应用到其他星载导航接收机，提高接收机的定位连续性和有效性。

利用该发明可以很好的满足后端反演软件的需要，可应用于掩星星座和掩星地震预报等掩星信号接收及处理系统、GNSS海洋反射信号接收处理系统、高可靠星载卫星导航接收机等工程应用领域，具有重要的应用价值和广阔的推广应用前景。

发明内容

本发明解决的技术问题：适应工程应用需求，提供一种掩星信号的快速恢复方法，实用性强，可广泛应用于掩星大气探测、GNSS-R海洋遥感等领域。

本发明的技术解决方案是：一种掩星信号快速恢复方法，包括如下步骤:

（1）选择高仰角直达星通道作为参考通道，一个掩星通道用于接收一颗掩星的信号；在当前TIC时刻，根据掩星通道以及参考通道记录的各自通道的Z计数值和V计数值，确定两通道的Z计数差值和V计数差值：ΔZ和ΔV；同时根据掩星通道在当前TIC时刻计算的掩星信号的多普勒和多普勒变化率信息进行多普勒外推；并判断下一TIC时刻的掩星信号是否失锁，若未失锁，则转步骤（2）；否则转步骤（3）；

（2）根据掩星通道的Z计数值、V计数值得到掩星信号的发射时间，以及本地计数器得到的掩星信号接收时间，进而得到掩星信号的伪距测量信息；将该TIC时刻作为当前TIC时刻，返回步骤（1）循环执行；

（3）首先对外推多普勒信息进行快速傅里叶变换，进行并行码相位搜索，得到信号码相位信息，将得到的外推多普勒信息和信号码相位信息置入信号跟踪环路对掩星信号进行精细搜索，完成对掩星信号的实时跟踪，得到1ms同相累加数据，将1ms同相累加数据进行比特同步，得到比特同步标志，进入下一步；

（4）判断比特同步标志是否有效，若有效，则根据步骤（1）中参考通道的Z计数值和V计数值以及ΔZ和ΔV，得到掩星通道的实际Z计数值和V计数值，从而得到掩星信号的发射时间，同时根据本地计数器得到的掩星信号的接收时间，得到恢复后掩星信号的伪距测量信息；将当前失锁掩星信号对应TIC时刻的下一TIC时刻作为当前TIC时刻，返回步骤（1）循环执行；否则，则对外推多普勒信息再次进行外推，返回步骤（3）重复进行。

本发明与现有技术相比的有益效果：

（1）本发明根据参考星通道实时记录的参考星Z计数值和V计数值，以及参考通道参考星与掩星通道掩星Z计数与V计数的差值ΔZ和ΔV，得到掩星通道掩星信号实际的Z计数值和V计数值，从而得到掩星信号的发射时间，利用多普勒多普勒外推方法对信号多普勒进行外推，利用快速傅里叶变换方法实现对信号码相位的快速估计，从而可以在小于1秒的时间内快速恢复伪距测量信息。该方法可以推广应用到其他星载导航接收机，提高接收机的定位连续性和有效性。

（2）本发明利用参考星通道记录掩星信号通道的发射时间，当掩星信号失锁重捕达到比特同步后，利用记录的发射时间快速恢复掩星信号通道的Z计数和V计数，当Z计数和V计数恢复后，即可输出伪距测量信息，无需做帧同步；利用掩星信号正常跟踪时的信号多普勒和多普勒变化率对多普勒信息进行外推；当掩星信号失锁后，利用外推多普勒对信号进行快速捕获；采用FFT（快速傅里叶变换）方法快速获取掩星信号的码相位信息。能够快速、准确的对失锁后的掩星信号进行恢复。

附图说明

图1一种掩星信号快速恢复方法实现流程

图2信号跟踪环路实现流程

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，具体一种掩星信号快速恢复方法，其技术具体实施方式如下：

星载多系统兼容GNSS掩星双频接收机是地球大气无线电GNSS掩星探测技术的主要载荷设备，在掩星双频接收机中，主要包含用于捕获直达星信号的直达通道和用于捕获掩星信号的掩星通道两类通道。其中直达通道用于对直达星信号进行捕获跟踪，从而实现定位解算，而掩星通道则用于对低仰角的GNSS信号进行捕获跟踪，输出其伪距、载波相位等测量信息，用于反演电离层电子密度、中性大气温湿压等参数信息。

由于掩星信号是弱信号，在掩星信号的传播过程中，会受到各种干扰的影响，这些影响会不可避免的导致掩星信号的失锁。为能对失锁后的掩星信号能进行1s快速恢复，本发明将分两个部分：正常跟踪部分（BlockI）和信号失锁后快速恢复部分（BlockII）对其技术实施方式进行详细说明。

（一）Block I

当掩星接收机稳定跟踪掩星信号时，进行选取参考星通道、记录掩星信号发射时间、掩星信号多普勒外推等工作，详述如下：

（1）选取参考通道

参考星通道的选取要保证参考星是健康的，持续时间足够长。一般情况下，可以选取高仰角（一般大于45度）的直达星通道作为参考通道。

（2）记录掩星信号发射时间

掩星通道以及参考通道根据预设的TIC周期实时记录的各自通道的Z计数值和V计数值。

本发明中TIC指接收机内部的周期计数，TIC周期可根据不同需求设定为10ms、100ms等，下同。

导航星信号发射时间是用Z计数值和V计数值来表征的，即只要知道了信号真实的Z计数值和V计数值，就得到了导航星信号的发射时间。

Z计数即1.5s计数，V计数为1ms计数，设参考星Z计数值为R_Z，V计数值为R_V，掩星Z计数值为OCC_Z，V计数值为OCC_V，那么当接收机正常跟踪掩星信号时，参考星与掩星的Z、V计数差值为：

ΔZ=R_Z-OCC_Z

ΔV=R_V-OCC_V

由上式可知，设掩星接收机与参考星之间的距离变化率为ΔR_D，掩星接收机与掩星之间的距离变化率为ΔOCC_D，只要满足以下条件：

|ΔOCC_D-ΔR_D|<C/1000

上式中C为光速，值为299792458m/s。

那么ΔZ和ΔV在短时间内（1s）是不变的。根据卫星运动规律，在短时间内（1s）上述条件是成立的。

因此，只要实时记录参考星的Z计数值和V计数值以及ΔZ和ΔV值，即可得到掩星信号的发射时间信息。

下面根据信号发射时间及接收时间计算掩星的伪距：

ρ=Δt*c，其中ρ为掩星的伪距，c为光速，Δt=T_r-T_t，为掩星信号的传播时间；

信号发射时间：T_t=（Z-ΔZ）*1.5+(V-ΔV)/1000；

信号接收时间：T_r，由掩星双频接收机本地时间计数器维持；

（3）信号多普勒外推

当掩星双频接收机正常跟踪掩星信号时，可以得到精确的信号多普勒信息dop、多普勒变化率信息r_dop和对应的时标信息t₀，但是当掩星信号接近失锁时，环路跟踪的信号多普勒已经严重偏离了实际多普勒。因此掩星信号失锁后，需要采取外推的多普勒作为快速傅里叶变换模块的输入，多普勒外推公式如下：

pre_dop=dop+r_dop*(t-t₀)

pre_dop为外推的多普勒信息；t为第一次外推对应时刻。

（二）BlockII

当掩星信号失锁后，采用如下步骤对该信号进行快速恢复，详述如下：

（1）快速傅里叶变换

当掩星信号失锁后，利用外推多普勒对信号进行快速傅里叶变换。快速傅里叶变换在此多普勒处，对掩星信号码相位进行并行估计，得到相关峰值对应的码相位信息。

快速傅里叶变换采用FPGA实现，耗时约为2-10ms。

（2）信号捕获跟踪环路

信号捕获跟踪环路包括信号搜索、延迟锁定环路、频率跟踪环路以及相位跟踪环路四个部分。其中信号搜索用于对信号的码相位信息和频率信息进行精细搜索，延迟锁定环路用于对码相位进行精确跟踪，频率跟踪环路用于对信号频率进行精确跟踪，相位跟踪环路用于对信号相位进行精确跟踪，信号捕获跟踪环路实现流程见图2。

信号跟踪环路工作过程如下：相关器中接收到掩星A/D采样数字信号，以外推多普勒为搜索频点，以快速傅里叶变换输出的码相位信息为搜索中心，前后搜索10个码片，得到掩星通道真正的码相位位置。将得到的码相位和外推多普勒信息送入信号跟踪环路中的码产生器和载波产生器中，码产生器与载波产生器分别根据送入的码相位和多普勒信息复现与掩星A/D采样数字信号（输入信号）中的伪码和载波尽可能相一致的码信息和载波信息，并输入至相关器；相关器将复现的码信息和载波信息与接收的掩星A/D采样信号进行相关运算，通过1ms的相干积分累加，实现对输入信号伪码和载波的剥离。再将1ms相干积分累加结果分别送入延迟锁定环路、频率跟踪环路以及相位跟踪环路中进行鉴相、滤波，分别计算环路跟踪误差。将环路的跟踪误差反馈到码产生器和载波产生器中，码产生器和载波产生器根据环路跟踪误差对上述复现的环路的跟踪误差进行实时调整，实现对掩星信号的实时跟踪。信号跟踪环路每1ms输出同相累加数据。此时1ms同相累加数据即为GNSS的导航电文信息，具有符号特性，通过对每1ms同相累加数据进行比特同步操作，即可找到比特跳变沿，实现比特同步。

本发明中，信号跟踪环路的稳定时间小于500ms。

（3）比特同步

在码锁定、载波锁定的情况下，信号跟踪环路输出的1ms同相累加数据即为导航电文信号，其长度为1ms，具有符号特性。此时可根据输出的1ms同相累加数据进行导航星数据比特同步。比特同步的实现方式是：记录1ms符号发生跳变的位置，并连续比较4次，看是否都在此位置发生了符号跳变，依此判断20ms跳变点的发生位置，若连续4次都在该位置，则判别达到比特同步；若不是，则重新进行比特同步。

本发明中，比特同步花费的时间小于200ms。

（4）伪距测量信息恢复

伪距测量信息恢复模块的输入为参考星Z计数和V计数值，以及掩星与参考星之间的Z计数差值ΔZ和V计数差值ΔV。模块首先根据比特同步模块输入的比特同步标志判断是否需要恢复掩星信号的Z计数值和V计数值。当比特同步标志为真时，说明比特同步已经完成，此时根据参考星Z计数值R_Z和V计数值R_V，以及掩星与参考星之间的Z计数差值ΔZ和V计数差值ΔV，计算得到掩星信号的Z计数值OCC_Z和V计数值OCC_V，计算公式如下：

OCC_Z=R_Z-ΔZ

OCC_V=R_V-ΔV

计算完成后，将掩星信号的Z计数值OCC_Z和V计数值OCC_V置入ZV计数器，至此得到了掩星信号正确的Z计数值和V计数值，ZV计数器在此基础上实时计算掩星信号的发射时间。进而确定掩星信号的伪距测量信息（具体同上）。将当前失锁掩星信号对应TIC时刻的下一TIC时刻作为当前TIC时刻，返回步骤（1）循环执行；

当比特同步标志为假即比特同步标志无效时，则对外推多普勒信息再次进行外推，返回步骤（3）重复进行，即pre_dop=dop+r_dop*(t₁-t₀)，t₁=2t-t₀；利用新计算的外推的多普勒信息pre_dop在BlockII中按照上述步骤确定比特同步标志，直至比特同步标志有效。

上述操作完成后，即可输出正确的伪距、载波相位观测量，用于掩星反演。

本发明操作简单，从比特同步完成到观测量输出的耗时小于1秒。利用该发明可以很好的满足后端反演软件的需要，可应用于掩星星座和掩星地震预报等掩星信号接收及处理系统、GNSS海洋反射信号接收处理系统、高可靠星载卫星导航接收机等工程应用领域，具有重要的应用价值和广阔的推广应用前景。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种掩星信号快速恢复方法，其特征在于包括如下步骤:

（1）选择高仰角直达星通道作为参考通道，一个掩星通道用于接收一颗掩星的信号；在当前TIC时刻，根据掩星通道以及参考通道记录的各自通道的Z计数值和V计数值，确定两通道的Z计数差值和V计数差值：ΔZ和ΔV；同时根据掩星通道在当前TIC时刻计算的掩星信号的多普勒和多普勒变化率信息进行多普勒外推；并判断下一TIC时刻的掩星信号是否失锁，若未失锁，则转步骤（2）；否则转步骤（3）；

（2）根据掩星通道的Z计数值、V计数值得到掩星信号的发射时间，以及本地计数器得到的掩星信号接收时间，进而得到掩星信号的伪距测量信息；将该TIC时刻作为当前TIC时刻，返回步骤（1）循环执行；

（3）首先对外推多普勒信息进行快速傅里叶变换，进行并行码相位搜索，得到信号码相位信息，将得到的外推多普勒信息和信号码相位信息置入信号跟踪环路对掩星信号进行精细搜索，完成对掩星信号的实时跟踪，得到1ms同相累加数据，将1ms同相累加数据进行比特同步，得到比特同步标志，进入下一步；

（4）判断比特同步标志是否有效，若有效，则根据步骤（1）中参考通道的Z计数值和V计数值以及ΔZ和ΔV，得到掩星通道的实际Z计数值和V计数值，从而得到掩星信号的发射时间，同时根据本地计数器得到的掩星信号的接收时间，得到恢复后掩星信号的伪距测量信息；将当前失锁掩星信号对应TIC时刻的下一TIC时刻作为当前TIC时刻，返回步骤（1）循环执行；否则，则对外推多普勒信息再次进行外推，返回步骤（3）重复进行。

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