CN104880720A - 一种弱信号卫星导航系统的位同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于弱信号卫星导航系统的位同步方法，其步骤包括：读取跟踪通道输出的I支路1ms相干积分值大小，并按照1～20循环编号；对当前ms与前1ms的积分值做差，并将结果取绝对值后按照当前ms的编号进行分组累加；循环多个周期后，找出累加值最大的编号，由此可以判断出比特边缘的位置。本发明提出的位同步方法充分利用了相干积分数据提供的幅值和符号信息，相比只利用了相干积分值符号信息的传统位同步方法，能更准确和快速确定比特边缘位置，尤其适用于信号强度变化较快的场合，能实现导航接收机在复杂环境下的快速位同步，从而更快地实现定位功能。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，更具体的，是一种用在弱信号卫星导航定位接收机上的位同步技术。
技术背景
接收端进行卫星定位需要进行几个过程，首先要对卫星进行捕获，通过对可能存在的卫星信号进行频率和码相位搜索，确定真实的卫星信号；然后把对应卫星的码相位和多普勒频率传递到跟踪部分对卫星信号进行持续的跟踪处理；接收机成功跟踪卫星信号后，一方面会输出卫星的码相位和多普勒频率来进行伪距的生成，得到卫星和接收机的空间距离；另一方面则需要进行导航电文的解调，获取卫星的轨道和位置参数，然后结合空间伪距，最终完成位置和速度解算。
在卫星导航接收机实现定位的过程中，导航电文的同步和解调是至关重要的部分，而位同步则是导航电文同步和解调的基础。卫星信号除了载波和导航电文信息外，还经过了伪随机码调制，伪随机码的周期为1ms，而导航电文的码率为50bps，因此一个导航电文比特包含了20个伪随机码周期。接收机通过捕获和跟踪后，便完成了对伪随机码的同步过程，这时候1ms的伪随机码已经对准，接下来则需要找到ms之间的翻转点，也就是导航电文的比特边沿，这个过程就是位同步。只有实现了位同步，接收机才能准确掌握准确的比特位置，从而进行帧同步操作，最终准确解调出导航电文数据，进而完成定位。
位同步的效果不但会影响长时间相干积分的效果，而且会直接影响导航电文的解调的准确度；而位同步的速度也是接收机定位时间的一个关键因素，因此采用一种准确而且高效的位同步方法是卫星导航接收机必须考虑的问题。一般常用的位同步方法包括传统的直方图法，K-P法等。传统的直方图方法通过统计不同位置ms间的符号变化来确定最终比特边沿，具有实现简单，在强信号下准确度高等特点。但在弱信号情况下或者信号强度变化较快的环境下，由于该方法只考虑了ms相干积分值间的符号跳变，所以位同步的准确度会降低很多。而K-P法是通过比较不同位置作为起沿的20ms相干积分累加和，把其中最大的位置作为比特边界。该方法在弱信号环境下准确度相比直方图有较大的提高。但这种方法由于是统计20ms的能量，在强弱信号交替的环境下并不能很准确反映ms之间的具体能量差异。因此如果能采用一种实现简单，能体现ms间积分能量差异的位同步方法具有很高的实际意义。
发明内容
为克服上述现有技术的缺陷与不足，本发明提供一种快速和准确判别比特边沿位置的弱信号卫星导航系统位同步方法，
本发明的技术方案详细如下：
一种弱信号卫星导航系统的位同步方法，用于卫星导航定位接收机上的位同步，其特征在于，包括以下步骤：
（1）待导航定位接收机跟踪稳定后，以20ms为周期，连续读取跟踪通道I支路输出的每1ms的相干积分值，然后按照1～20的顺序进行循环编号；
（2）对于每个相干积分值，用当前1ms相干积分值减去前1ms相干积分值，将结果取绝对值后，按照当前1ms的编号进行分组累加；
（3）以20ms为周期，对每个输入的1ms相干积分值进行步骤（2）的操作，完成多个比特周期，使得比特位连续不变化的概率降到设定的可接受的水平后，得到对应编号1～20的20个积分累加值；
（4）从20个积分累加值中找出最大的积分累加值和相应的信号强度，并记录其对应的编号；把其余的19个积分累加值求平均，得到一个平均噪声累加值和噪声强度；
（5）根据步骤（4）所得到的信号强度和噪声强度的比值判断同步是否成功，如果所得比值满足条件，则认为位同步成功，输出当前最大积分值位置对应的编号即为比特跳变边沿；若条件不满足，则按照（2）～（3）的步骤再处理一个20ms的比特周期，然后按照步骤（4）求出一个新的最大积分累加值和平均噪声累加值，重复步骤（5），直到条件满足，位同步完成。
优选的，在对相干积分值编号为1与前1ms相干积分值的处理为：当前编号为1的时候，由于循环性，其前一个相干积分值为上一个处理周期的第20个编号的相干积分值。
优选的，假设当前1ms相干积分值为 ，前一个1ms的相干积分值为，后一个1ms的相干积分值为，将当前1ms积分值与前1ms积分值求差，然后取绝对值，按照当前1ms编号进行分组累加，然后待下一个1ms的到来，以此循环，当前编号上的积分累加值如公式1所示：
式中，N表示处理周期，K表示当前积分值编号，表示当前编号上的积分累加值。
优选的，首先连续处理多个20ms的比特周期，然后得到积分差值累加和的最大值max（），其对应编号g。然后将剩下的19个ms位置的积分累加和按照公式2取平均，平均噪声累加值计算如所示：
得到一个平均噪声累加值。
优选的，在保证通道连续输出的至少有1ms相干积分值99%概率发生跳变的条件下，首次处理时连续处理至少 6个20ms的比特周期，然后得到积分差值累加和的最大值max（）。
进一步优选的，比较所述的积分差值累加和的最大值max（）与平均噪声累加值的值，如果max（）/，则认为位同步已经成功，记录max（）对应的编号g，即为比特跳变边缘；如果max（）/，则认为位同步成功条件未达到，重新再处理一个比特周期，再比较max（）与的值，如果仍不满足max（）/，则再处理一个比特周期，直到条件满足，位同步才完成。
本发明的有益效果：
本发明提供一种弱信号卫星导航系统位同步方法，首先统计跳变位置的幅度差值，再通过查找幅度差值最大的位置快速有效地判断出真实的比特边沿。该方法在发生符号跳变的位置对相邻两ms的积分值求差得到其幅度差值，相比于传统直方图只用符号信息进行统计，在信号强度变化较快，整体强度比较弱的情况下该方法能更有效和准确判别比特边沿位置。
附图说明
图 1 是本发明卫星导航系统位同步方法实现流程示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想是通过累积符号跳变位置的能量差来判断真实的比特边沿位置。下面结合附图对该方法的具体实施方式进行详细说明。
图 1 是本发明提出的卫星导航系统位同步方法实现流程示意图，详细说明如下：
卫星导航接收机完成对卫星信号的捕获后，得到粗略的码相位和频偏，然后转入跟踪状态对卫星信号进行更进一步的精确跟踪。接收机对卫星信号的跟踪过程实质上是对卫星信号进行同步以及解调的一个过程，通过PLL以及DLL的相互作用，卫星信号的载波以及CA码得到比较完全的剥离，只剩下导航电文。伪随机码的周期为1ms，而导航电文的比特速率为50bps，因此在接收机中通常按照一个伪随机码周期作为相干积分时间的单位，而20个1ms的积分值则代表导航电文的1个比特长度。
当跟踪稳定后，本地码与接收码完全对齐，此时1ms相干积分值包含了导航电文以及噪声的能量。根据图 1 ，在开始进行位同步之前，首先对每个输出的1ms相干积分值进行连续编号。设跟踪通道I支路输出的1ms相干积分值为，k为当前相干积分值的编号，按照1～20循环编号；而N表示当前处于第N次循环。
第一个循环周期内的第一个1ms相干积分值不做任何处理，直到下一个1ms积分值到来。假设当前1ms积分值为。然后进行图1中步骤二的操作，将当前ms积分值与前1ms积分值求差然后取绝对值，按照当前ms编号进行分组累加。假设当前编号上的能量累加值为，可以由公式1表示：
当前积分值编号k = 1的时候，由于循环性，其前一个积分值为上一个处理周期的第20个编号积分值，也就是当k = 1时，；而当前积分值编号k = 2～19的时候，直接按照上述步骤，对每个1ms积分值进行处理。
在弱信号情况下，卫星信号幅值变化比较快，一般位同步方法需要经过多个20ms周期才能提高位同步的准确率，但比特之间的跳变并不固定，因此处理的周期数N将是一个比较难确定的值。本发明同时提出一种自动调节比特周期数N的方法，可以根据信号强度自动调节处理周期数，以达到在不同信号强度条件下都能快速、准确位同步的目的。
假设比特发生跳变的概率为0.5，在保证99%概率发生跳变的条件下，至少要连续处理6个比特周期，因此本发明的位同步方法为了提高位同步成功率，选取首先连续处理6个20ms的比特周期，然后得到积分差值累加和的最大值max（），其对应编号g。然后将剩下的19个ms位置的积分累加和按照下式取平均，得到一个平均噪声累加值：
比较所述的积分差值累加和的最大值max（）与平均噪声累加值的值，则认为位同步已经成功，记录max（）对应的编号g，即为比特跳变边缘；如果max（）/，则认为位同步成功条件未达到，重新再处理一个比特周期，得到一个新的积分累加和最大值和新的平均噪声累加值，再比较max（）与的值，如果仍不满足max（）/，则再处理一个比特周期，直到条件满足，位同步才完成。
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。在本发明揭露的技术范围内，任意的变化和替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。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)
1.一种弱信号卫星导航系统的位同步方法，用于卫星导航定位接收机上的位同步，其特征在于，包括以下步骤：
(1)待导航定位接收机跟踪稳定后，以20ms为周期，连续读取跟踪通道I支路输出的每1ms的相干积分值，然后按照1～20的顺序进行循环编号；
(2)对于每个相干积分值，用当前1ms相干积分值减去前1ms相干积分值，将结果取绝对值后，按照当前1ms的编号进行分组累加；
(3)以20ms为周期，对每个输入的1ms相干积分值进行步骤（2）的操作，完成多个比特周期，使得比特位连续不变化的概率降到设定的可接受的水平后，得到对应编号1～20的20个积分累加值；
(4)从20个积分累加值中找出最大的积分累加值和相应的信号强度，并记录其对应的编号；把其余的19个积分累加值求平均，得到一个平均噪声累加值和噪声强度；
(5)根据步骤（4）所得到的信号强度和噪声强度的比值判断同步是否成功，如果所得比值满足条件，则认为位同步成功，输出当前最大积分值位置对应的编号即为比特跳变边沿；若条件不满足，则按照（2）～（3）的步骤再处理一个20ms的比特周期，然后按照步骤（4）求出一个新的最大积分累加值和平均噪声累加值，重复步骤（5），直到条件满足，位同步完成。
2.根据权利要求1所述的一种弱信号卫星导航系统的位同步方法，其特征在于：在对相干积分值编号为1与前1ms相干积分值的处理为：当前编号为1的时候，由于循环性，其前一个相干积分值为上一个处理周期的第20个编号的相干积分值。
3.根据权利要求2所述的一种弱信号卫星导航系统的位同步方法，其特征在于：假设当前1ms相干积分值为 ，前一个1ms的相干积分值为，后一个1ms的相干积分值为，将当前1ms积分值与前1ms积分值求差，然后取绝对值，按照当前1ms编号进行分组累加，然后待下一个1ms的到来，以此循环，当前编号上的积分累加值如公式1所示：
式中，N表示处理周期，K表示当前积分值编号，表示当前编号上的积分累加值。
4.根据权利要求3所述的一种弱信号卫星导航系统的位同步方法，其特征在于：首先连续处理多个20ms的比特周期，然后得到积分差值累加和的最大值max（），其对应编号g;然后将剩下的19个ms位置的积分累加和按照公式2取平均，平均噪声累加值计算如所示：
得到一个平均噪声累加值。
5.根据权利要求4所述的一种弱信号卫星导航系统的位同步方法，其特征在于：在保证通道连续输出的至少有1ms相干积分值99%概率发生跳变的条件下，首次处理时连续处理至少 6个20ms的比特周期，然后得到积分差值累加和的最大值max（）。
6.根据权利要求5所述的一种弱信号卫星导航系统的位同步方法，其特征在于：比较所述的积分差值累加和的最大值max（）与平均噪声累加值的值，如果max（）/，则认为位同步已经成功，记录max（）对应的编号g，即为比特跳变边缘；如果max（）/，则认为位同步成功条件未达到，重新再处理一个比特周期，再比较max（）与的值，如果仍不满足max（）/，则再处理一个比特周期，直到条件满足，位同步才完成。
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