CN104614742A - 北斗星基高精度差分信息接收实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种北斗星基高精度差分信息接收方法，首先，基于匹配滤波器进行信号捕捉，然后采用二阶锁相环进行载波跟踪，设计码跟踪环使得接收机的本地码与接收信号保持同步，采用直方图法进行位同步；然后对两颗星播发的不同差分信息寻找帧头，完成子帧同步，最后对通过校验的子帧数据按照ICD文件的约定解析得到差分信息。本发明使得用户在可以接受卫星信号的区域内均能接收到高精度的、标准格式的北斗二代差分信息，从而实现全天候的、连续的、广域的高精度差分服务。

Description

北斗星基高精度差分信息接收实现方法

技术领域

本发明涉及一种差分信息接收方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)目前正以飞快的速度发展，其应用领域的不断广泛化，对导航定位的精度也提出更高的要求。为了消除卫星轨道误差，电离层折射等引起的误差，在卫星定位中，广泛使用着差分GNSS技术。

差分GNSS定位(DGNSS)是一种目前较为广泛的实时定位技术，其实质是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差，其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数，是改善GNSS定位或授时性能的一种方法。

北斗二代卫星导航定位系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，可提供定位、测速和授时服务。随着北斗导航系统的逐步完善，北斗系统接收机的设计也逐步成熟。采用北斗卫星导航系统是必然趋势，用户对北斗定位精度的需求也愈加多样化，用户对高精度的定位与授时服务的需求也愈加迫切。因此加强北斗二代卫星导航系统的建设具有很大的军事战略意义和民用经济效益。

目前，我国北斗二号一期工程设计了精度达到1米级的广域差分增强服务。但根据目前的大系统指标测试，其精度性能尚未达到设计指标，无法满足我国各行业用户对于北斗1米级以及分米级的导航定位服务需求。国内一些研究机构也研究了北斗的差分增强服务，如武汉大学进行的广域精密实时定位系统的研究，其生成的精密产品主要采用3G和Internet等播发手段，可用于单频伪距差分用户，定位精度约为1.5米。随着北斗卫星导航系统的应用越来越广泛，已经并不仅仅局限于传统的测绘领域，在精密农业、海洋资源勘探、精细农业、林业、智能交通、国土资源调查等重要行业领域都对高精度的实时定位服务产生了巨大的需求。发展趋势也由之前的局限差分逐渐关注到大范围的广域差分实时精密定位领域。而目前已有的地基增强系统播发手段单一，且技术体制导致系统容量有限，难以服务于广域大规模用户。我国的卫星导航地基增强系统还处于研究阶段，国内的地基增强设备也正在建设之中，尚未实现大规模 应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种星基高精度差分信息接收方法，接收由中国区域定位系统的GEO卫星信号，对其进行捕获、跟踪、解扩、解调，得到其上调制的北斗二代高精度差分信息，输出到差分解算模块，进而使得用户可以得到高精度的定位结果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1.基于匹配滤波器进行信号捕捉，将匹配滤波器中的一个臂及其对应的一位本地码存储器称为一节，如果信号在某一节上的能量满足则认为信号存在；如果则认为信号有存在的可能，要求匹配滤波器再一次以同一参数做一次积分进行确认，如果信号在同一节上再次出现则确认成功，根据节号转跟踪，否则认为信号不存在，继续进行搜索试探；门限σ_n为噪声信号功率的开方，虚警概率P_fa为10^-1；

步骤2.采用二阶锁相环进行载波跟踪；二阶锁相环的鉴相算法为PD＝Q_p·sgn(I_p)，其中，PD为计算得到的本地复现的载波信号与接收到的中频信号之间的相位误差；I_p和Q_p分别表示某一时刻跟踪环路同相I和正交Q即时支路的累加和输出；sgn(x)为符号函数；在通道积分时间T内，本地载波相位的变化Δθ＝2^-31f_s·T·ΔCrInc，其中，ΔCrInc为向硬件写入的载波频率修正量，f_s为中频信号采样频率；接收机根据上述计算的结果调整本地产生的载波信号的相位，使本地载波与输入信号之间的相位时刻保持一致，完成载波环功能；

步骤3.设计码跟踪环，使得接收机的本地码与接收信号保持同步；码跟踪环的鉴相算法为其中I_E、Q_E、I_L、Q_L分别为延迟锁定环超前码和滞后码在I、Q两支路上的输出，CdPd为计算得到的码相位差异；码跟踪环的开环增益有用信号幅度A＝(I_p+Q_P+max(I_p,Q_p))/2，DiνCode+1的含义为本地码产生器的码相位累加器CodeDCO经DiνCode+1分频得到本地码产生器时钟；对于早迟间距为一个码片宽度的早晚差幂鉴相器，输出变化ΔCdPd＝Kcd×ΔCdInc， CdInc为码钟控制字；

步骤4.采用直方图法进行位同步；然后对两颗星播发的不同差分信息寻找帧头，完成子帧同步；

步骤5.对子帧做校验，舍弃校验不过的子帧，通过校验的子帧数据按照ICD文件的约定解析得到差分信息。

本发明的有益效果是：此方法使得用户在可以接受卫星信号的区域内均能接收到高精度的、标准格式的北斗二代差分信息，用户可进一步结合北斗二代双频载波相位测量和高精度结算软件来获得高精度定位结果，克服局域播发差分信息覆盖范围有限的缺陷，从而实现全天候的、连续的、广域的高精度差分服务。

附图说明

图1是C波段北斗差分信息接收机结构示意图；

图2是科斯塔斯环算法结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明实施例的技术特征在于：首先，解决了北斗星基差分信息与GPS差分信息的兼容性问题，使用类似RTCM3.1协议输出北斗二代高精度差分信息。其次，由于差分信息的播放是不同卫星使用不同的信息速率，2颗卫星的信息组合起来共同播发差分信息，所以接收机软件中对不同卫星的跟踪、解扩、解调，采用不同的处理方式。该方法的实施基于以下条件：1.使用2颗GEO卫星分别转发不同类型的差分信息；2.2颗卫星使用不同的信息速率，不同的电文形式，调制不同的差分信息。

星基差分信息接收机与其他GNSS接收机类似，卫星信号的搜索、捕获、跟踪都需要在码环和载波环耦合下工作。但C波段卫星信号功率电平较弱，信噪比也较低，因此必须合理设置和选取各种环路参数，优化环路设计，在硬件资源允许的情况下，增加匹配滤波器的阶数和频谱估计算法，选取恰当的积分时间，在动态性和噪声特性间取得合理折衷，可将系统功能最好实现。

本发明包括以下步骤：

步骤1：基于匹配滤波器的信号捕捉

接收机启动时或卫星信号丢失后进入信号的捕捉状态，接收机对卫星信号的载波频率和扩频码相位进行寻找，估计它们的大概值。因此捕捉状态对信号的搜索是在二 维空间上进行的。本方法基于的硬件平台使用的是中国科学院自动化研究所设计的GNSS卫星无线电导航接收机基带处理器芯片NUMEN2，该芯片具有一个1024节匹配滤波器，配合本方法设计的双门限方法可以实现对微弱信号的快速高灵敏度的捕捉。

步骤2：接收同频点不同信息速率卫星信号的信号处理方法

星基差分系统采用两颗卫星，使用C波段载波和10.23MHz的伪码分别以250bps和200bps的信息速率播发不同类型的差分信息，所以在跟踪、位同步、帧同步及解调电文均需单独处理。

由于两种电文的一位分别包括4个和5个扩频码周期，所以在跟踪状态下相关通道的积分时间要分别设为4ms和5ms，这样两种电文的一位分别可以包括4个和5个扩频码周期。帧同步时，由于两种电文帧与子帧的编排方式不同，所以在搜索帧同步头和电文存储、校验时均采用不同的参数。分别解析两颗卫星的电文，得到北斗二代轨道差分信息和时钟差分信息。

步骤3：类似RTCM10403.1协议格式的差分数据输出

为差分GNSS服务的RTCM标准协议是国际海运事业无线电技术委员会(RTCM，Radio Technical Commission for Maritime Services)为了改善和推广差分GNSS服务的标准协议。经过不断的发展，RTCM已经成为世界范围广泛应用的差分卫星导航系统标准。本方法基于RTCM 3.1标准版本，接收星基北斗差分信息，按照RTCM电文格式输出，以使我国北斗二代用户能够使用此差分GNSS标准进行差分定位。

具体而言，各步骤内容如下：

步骤1.基于匹配滤波器的信号捕捉

标准的匹配滤波器的实现不仅需要较大的存储量，而且要求极高的计算速度，这种计算速度即使用专用数字电路实现也有很大难度，因此本方法采用了双门限实现信号捕捉，存储量需求大大降低。

为了叙述方便，匹配滤波器中的一个臂及其对应的一位本地码存储器称为一节，信号在这一节上的能量用表示。最简单的判断匹配滤波器结果中是否含有信号的算法是固定门限法。软件预先设置一个门限V_t,当匹配滤波器完成一次积分后，软件搜索能量最大的一节，如果则认为信号存在，然后可以根据节号n求得本地码的滑移量，控制通道转入跟踪状态。如果信号不存在则可以继续其他搜索试探。固定门 限法在固定积分时间条件下灵敏度不理想，根据搜索算法虚警概率P_fa与门限V_t的关系：

$V_t={\mathrm{\σ}}_n\sqrt{-2\ln P_{\mathrm{fa}}}$

式中σ_n为噪声信号功率的开方，给定噪声功率和虚警概率P_fa，可计算捕捉门限V_t。在本方法采用的改进双门限法中，按匹配滤波器一次搜索的虚警概率为10^-1确定门限V_t，如果信号在某一节上的能量满足则认为信号存在；如果 则认为信号有存在的可能，要求匹配滤波器再一次以同一参数做一次积分进行确认，如果信号在同一节上再次出现则确认成功，可以根据节号转跟踪，否则认为信号不存在，继续进行其它搜索试探。配合本方法使用的射频前端，实测灵敏度可稳定地达到-170dBW(信号捕捉时间小于6秒)。

步骤2.载波跟踪环设计并实现

载波环路算法对接收机跟踪灵敏度的影响最大，本方法采用如图2所示的二阶锁相环进行载波跟踪。锁相环在实现上的第一个关键问题是鉴相器的设计。本方法中的鉴相算法为：

PD＝Q_p·sgn(I_p)   (1)

其中，PD为计算得到的本地复现的载波信号与接收到的中频信号之间的相位误差；I_p和Q_p分别表示某一时刻跟踪环路同相I和正交Q即时支路的累加和输出；sgn(x)为符号函数，定义为：

$\mathrm{sgn}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}+1,& x\&GreaterEqual;0\\ -1& x<0\end{array}\right.---\left(2\right)$

这种鉴相算法计算量较小且更加稳定。

锁相环实现上的第二个关键问题是闭环增益的控制，式(1)所示的鉴相算法的增益与信号幅度成正比，当信号幅度有较大起伏时，鉴相增益无法保证。

从硬件的载波频率控制字写入点到鉴相器输出点，载波环的开环增益为：

$\mathrm{Kcr}=\frac{\mathrm{PD}}{\mathrm{\&Delta;CrInc}}\&ap;\frac{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}{\mathrm{\&Delta;CrInc}}=2^{-31}{f}_{s}T---\left(3\right)$

其中，ΔCrInc为向硬件写入的载波频率修正量，f_s为中频信号采样频率，由此导致的本地载波频率变化为：

Δf_L＝2^-31f_sΔCrInc   (4)

在通道积分时间T内，本地载波相位的变化为：Δθ＝Δf_LT＝2^-31f_s·T·ΔCrInc。

总闭环增益为开环增益Kcr乘以环路滤波器的增益。根据锁相环的理论分析，环路的闭环增益应为1，因此，环路滤波器的增益应为1/Kcr。

解决上述两个关键问题，计算得到本地载波相位变化量，接收机就可以不断调整本地产生的载波信号的相位，使本地载波与输入信号之间的相位时刻保持一致，完成载波环功能。

步骤3.码跟踪环设计 

码相位的跟踪使得接收机的本地码与信号保持同步，这是解调电文的必要条件。码跟踪环的实现形式通常为延迟锁定环。码跟踪也采用闭环控制的方法，关键是如何判断本地码和信号之间的时延关系，即码鉴相器的设计，本方法采用早晚差幂鉴相：

$\mathrm{CdPd}=(I_E^2+Q_E^2)-(I_L^2+Q_L^2)---\left(5\right)$

其中I_E、Q_E、I_L、Q_L延迟锁定环超前码和滞后码在I、Q两支路上的输出，CdPd为计算得到的码相位差异。

码环设计的关键是保证闭环增益为1，重点是推导从写入硬件的码钟频率控制字到码鉴相输出之间的开环增益。

设码钟控制字为CdInc，由于本方法中码片速率f_c与采样频率f_s(含义与式(4)相同)的关系为：

$f_c=\frac{2^{-31}{f}_s\mathrm{CdInc}}{\mathrm{DivCode}+1}---\left(6\right)$

其中(DiνCode+1)的含义为:本地码产生器的码相位累加器CodeDCO经(DiνCode+1)分频得到本地码产生器时钟。则码片速率的变换Δf_c为：

$\mathrm{\&Delta;}{f}_c=\frac{2^{-31}{f}_s}{\mathrm{DivCode}+1}\mathrm{\&Delta;CdInc}---\left(7\right)$

式中f_s含义同式(4)，ΔCdInc为码钟调整量。

在通道积分时间T内，本地码片相位偏移量不考虑射频通道内带通滤波器的影响，相关峰相对于峰顶下降设积分后有用信号幅度为A，对于早迟间距为一个码片宽度的早晚差幂鉴相器，输出变化为：

$\mathrm{\&Delta;CdPd}={2A}^2\frac{2^{-31}{f}_s}{\mathrm{DivCode}+1}\mathrm{\&Delta;CdInc}---\left(8\right)$

码环的开环增益Kcd为：

$\mathrm{Kcd}=\frac{\mathrm{\&Delta;CdPd}}{\mathrm{\&Delta;CdInc}}={2A}^2\frac{2^{-31}{f}_s}{\mathrm{DivCode}+1}---\left(9\right)$

式中

A＝(I_p+Q_P+max(I_p,Q_p))/2   (10) 

上式中I_p和Q_p的含义同式(1)，max为求最大值函数，定义为：

$\max (x,y)=\left\{\begin{array}{cc}\left|x\right|& \left|x\right|\&GreaterEqual;\left|y\right|\\ \left|y\right|& \left|x\right|<\left|y\right|\end{array}\right.---\left(11\right)$

本方法中先安照式(10)计算得到信号幅度，带入式(9)开环增益，再将结果带入式(8)得到码相位变化量。

步骤4.位同步和子帧同步

位同步又称比特同步，它是接收通道根据一定算法确定当前接收信号在某一个数据比特中的位置，也就是确定信号中的比特起始边缘位置。本方法采用传统的直方图法进行位同步。完成位同步后，对两颗星播发的不同差分信息所设计的子帧长度，寻找帧头，完成子帧同步，并按照两种不同方法缓存。

步骤5.差分信息解析及输出

对缓存的子帧做校验，舍弃校验不过的子帧，通过校验的子帧数据按照ICD文件的约定解析得到差分信息，并按照本方法设计的仿RTCM10403.1的格式输出北斗差分信息。

Claims (1)

1.一种北斗星基高精度差分信息接收方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1.基于匹配滤波器进行信号捕捉，将匹配滤波器中的一个臂及其对应的一位本地码存储器称为一节，如果信号在某一节上的能量满足则认为信号存在；如果则认为信号有存在的可能，要求匹配滤波器再一次以同一参数做一次积分进行确认，如果信号在同一节上再次出现则确认成功，根据节号转跟踪，否则认为信号不存在，继续进行搜索试探；门限σ_n为噪声信号功率的开方，虚警概率P_fa为10^-1；

步骤2.采用二阶锁相环进行载波跟踪；二阶锁相环的鉴相算法为PD＝Q_p·sgn(I_p)，其中，PD为计算得到的本地复现的载波信号与接收到的中频信号之间的相位误差；I_p和Q_p分别表示某一时刻跟踪环路同相I和正交Q即时支路的累加和输出；sgn(x)为符号函数；在通道积分时间T内，本地载波相位的变化Δθ＝2^-31f_s·T·ΔCrInc，其中，ΔCrInc为向硬件写入的载波频率修正量，f_s为中频信号采样频率；接收机根据上述计算的结果调整本地产生的载波信号的相位，使本地载波与输入信号之间的相位时刻保持一致，完成载波环功能；

步骤3.设计码跟踪环，使得接收机的本地码与接收信号保持同步；码跟踪环的鉴相算法为其中I_E、Q_E、I_L、Q_L分别为延迟锁定环超前码和滞后码在I、Q两支路上的输出，CdPd为计算得到的码相位差异；码跟踪环的开环增益有用信号幅度A＝(I_p+Q_P+max(I_p,Q_p))/2，DivCode+1的含义为本地码产生器的码相位累加器CodeDCO经DivCode+1分频得到本地码产生器时钟；对于早迟间距为一个码片宽度的早晚差幂鉴相器，输出变化ΔCdPd＝Kcd×ΔCdInc，CdInc为码钟控制字；

步骤4.采用直方图法进行位同步；然后对两颗星播发的不同差分信息寻找帧头，完成子帧同步；

步骤5.对子帧做校验，舍弃校验不过的子帧，通过校验的子帧数据按照ICD文件的约定解析得到差分信息。