CN105510938B - 一种兼容gps/bd双系统卫星导航接收机相干积分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼容GPS/BD双系统卫星导航接收机相干积分方法，属于多系统卫星导航接收机基带处理技术领域。本发明首先是采用改进直方图的思想，首先找到GPS/BD导航电文的翻转边沿即位同步，在位同步的基础上消除比特翻转的影响，实现更长时间的相干积分。此方法兼容GPS/BD双系统，可以完全规避北斗卫星信号调制NH码的影响，将有效提高信号信噪比，提高GPS/BD卫星导航接收机跟踪弱信号的能力。

Description

一种兼容GPS/BD双系统卫星导航接收机相干积分方法

技术领域

本发明涉及一种兼容GPS/BD(全球定位系统/北斗卫星导航系统)双系统卫星导航接收机相干积分方法，属于多系统卫星导航接收机信号基带处理方法的技术领域。

背景技术

卫星导航在国民经济建设、国防安全建设以及社会发展等各个领域都起到重大作用，卫星导航产业已成为全球性的高新技术型朝阳产业。随着需求激增和导航产业进入快车道发展，传统单一的导航接收机已不能满足人们的需求。目前，导航接收机正在向导航一体化、高精度高灵敏度、室内室外无缝连接、低功耗低成本等方向发展。

在山川峡谷、森林隧道等类似复杂环境时，GNSS(全球卫星导航系统)卫星信号衰减严重，传统的民用GNSS接收机难以持续提供定位定速服务。针对这种环境下弱信号的跟踪已成为国内外研究的热点，具有十分重要的意义和广阔的前景。

加长相干积分时间是目前比较普遍的一种方法，但是针对目前的多个卫星导航系统如美国的GPS、中国的北斗、欧盟的伽利略等卫星导航系统，如果能找出一种兼容各系统的方法则可以节约很多设计成本和计算成本。

GPS导航电文速率是50bps，每20ms可能出现一次比特跳变，对于不超过20ms的相干积分例如10ms相干积分，相邻两个10ms积分至少有一个不存在比特跳变。而北斗MEO(中圆地球轨道)和IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星B1I信号虽然速率是50bps，但是其电文调制了周期20ms，码元宽1ms的NH(纽霍夫曼)码，对于超过1ms的相干积分时刻存在着比特翻转，相干积分成败的关键因素就是能否消除比特跳变的影响。

所以，为了加长相干积分时间提高弱信号的跟踪能力，必须消除由导航电文和NH码带来的比特翻转，而消除比特翻转最有效的方法就是先位同步后剥离NH码。

发明内容

为了提高弱信号的跟踪能力，采用加长相干积分时间的方法。为了兼容GPS/BD双卫星导航系统，消除比特跳变给相干积分带来的影响，发明了一种兼容GPS/BD系统的位同步方法，在位同步的基础上剥离NH码，然后在进行长时间的相干积分。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种兼容GPS/BD双系统卫星导航接收机相干积分方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对GPS/BD双系统接收机初始化，包括硬件上电复位、软件全局变量和控制字初始化，设置初始相干积分时间1ms；

步骤2、连接GPS/BD双频天线，采用二维搜索先粗捕后精捕的方式对可能的可见星进行搜索，获得可见星的粗略相位和频率信息；

步骤3、在步骤2获得可见星粗略相位和频率信息的基础上，采用延迟锁定环(DLL)和科斯塔斯锁相环(PLL)对码相位和载波频率进行跟踪，使得本地复制信号和接收到的卫星信号保持一致；

步骤4、在步骤3稳定跟踪的基础上彻底剥离载波和码，得到1ms相干积分结果；

步骤5、对步骤4得到的1ms积分结果采用改进直方图的方式实现位同步，找到比特翻转的边沿，若找不到比特翻转的边沿，则返回步骤4；

步骤6、在步骤5找到比特翻转的边沿之后剥离北斗导航电文中的NH码，若未剥离北斗导航电文中的NH码，则返回步骤5；

步骤7、在步骤6完成NH码剥离后，将GPS/BD双系统接收机环路中相干积分时间加长到20ms，输出50bps的信息即是原始二进制导航电文，若不能输出原始二进制导航电文，则返回步骤6；

步骤8、对步骤7中的二进制导航电文按照导航电文播发格式进行卫星星历参数解调，利用三球交汇原理进行定位解算。

所述步骤5中对得到的1ms积分结果采用改进直方图的方式实现位同步，具体步骤为：

[1]在FPGA中设计基于RAM的深度60宽度20的移位寄存器REG_IP1，用于缓存1ms相干积分的结果共1.2秒，输入信号是1ms积分结果符号位，使能时钟是1ms；

[2]在FPGA中设计4个基于RAM的深度60宽度1的移位寄存器REG_IP2、REG_IP3、REG_IP4、REG_IP5，用于移位缓存REG_IP1的输出；

[3]对上述5个寄存器依次两两进行相关，相关结果记为result1、result2、result3和result4；

[4]对相关结果进行判断，如果result1大于30，且result2、result3和result4等于0，则判定实现位同步，否则判定没有实现位同步。

所述步骤6中剥离北斗导航电文中的NH码，具体步骤为：

a、在FPGA中定义参数变量等于NH码即0000_0100_1101_0100_1110；

b、从比特边沿开始，取当前1ms积分结果一次与NH码相异或，剥离NH码，所得1ms积分结果用于下一步长时间相干积分。

所述步骤7中相干积分时间加长到20ms，具体步骤为：

a、步骤5实现位同步，找到比特翻转的边沿；

b、从比特翻转的边沿开始，取步骤6剥离NH码之后的1ms积分结果再次进行积分累加，当不超过20ms时则不存在比特翻转，超过20ms时则存在比特翻转，能够完全消除比特跳变的影响。

本发明的有益效果如下：

本发明方法针对GPS/BD不同导航系统的卫星信号，采用改进直方图的思想设定门限上限和门限下限找到比特跳变的边沿即位同步，位同步之后剥离北斗电文上的NH码，然后在进行长时间相干积分提高弱信号的跟踪能力。此方法兼容GPS和BD系统，能够有效的消除导航电文跳变和NH码跳变带来的比特翻转的影响。

附图说明

图1是本发明北斗二次编码示意图。

图2是本发明的相干积分方法步骤流程图。

图3是本发明实施例的结构框图。

图4是本发明位同步检测原理图。

图5是本发明中位同步Modelsim仿真结果示意图。

图6是本发明相干积分实现结构图。

图7是本发明相干积分结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

本发明提供一种兼容GPS/BD双系统卫星导航接收机相干积分方法如图2所示，采用改进直方图的方式，通过设定直方图统计结果门限上限和门限下限，找到比特跳变的边沿；通过与NH码相关操作剥离NH码；知道比特跳变的边沿和剥离NH码之后可以很好地消除导航电文跳变和NH码跳变带来的电文翻转，最后进行相干累积加长积分时间。

图1为北斗导航电文的二次编码，与GPS最大的一个区别就是调制有NH码，使得每1ms积分结果的电文都可能存在跳变，如果不剥离NH码，相干积分累加结果相互抵消，达不到提高信号信噪比的效果。要剥离NH码，必须首先找到比特翻转的的边沿，然后与NH码相关进行剥离，研究NH码发现，NH码开始5个码元是连续5个0不存在跳变，这与GPS电文1比特中20ms不存在跳变是相似的，利用这种相似性，设计改进直方图的方法，可以同时找到GPS/BD电文跳变的边沿。

图3是本发明实施例的装置结构示意图。图中所示主要是中频后续算法结构示意图，整个发明装置还包括外围设备：双频天线、射频单元、电源、数据传输模块等。

图4和图6是位同步、剥离NH码和相干积分原理图，也是本发明的核心部分，图5是在Modelsim仿真平台上对图4中位同步的仿真。

具体的步骤如下：

步骤1、对GPS/BD双系统接收机初始化，包括硬件上电复位、软件全局变量和控制字初始化，设置初始相干积分时间1ms；

步骤2、连接GPS/BD双频天线，采用二维搜索先粗捕后精捕的方式对可能的可见星进行搜索，获得可见星的粗略相位和频率信息；

步骤3、在步骤2获得可见星粗略相位和频率信息的基础上，采用延迟锁定环(DLL)和科斯塔斯锁相环(PLL)对码相位和载波频率进行跟踪，使得本地复制信号和接收到的卫星信号保持一致；

步骤4、在步骤3稳定跟踪的基础上彻底剥离载波和码，得到1ms相干积分结果；

步骤5、对步骤4得到的1ms积分结果采用改进直方图的方式实现位同步，找到比特翻转的边沿，图4是位同步结构图，具体步骤为：

[1]在FPGA中设计基于RAM的深度60宽度20的移位寄存器REG_IP1，用于缓存1ms相干积分的结果共1.2秒，输入信号是1ms积分结果符号位，使能时钟是1ms；

[2]在FPGA中设计4个基于RAM的深度60宽度1的移位寄存器REG_IP2、REG_IP3、REG_IP4、REG_IP5，用于移位缓存REG_IP1的输出；

[3]对上述5个寄存器依次两两进行相关，相关结果记为result1、result2、result3和result4；

[4]对相关结果进行判断，如果result1大于30，且result2、result3和result4等于0，则判定实现位同步，否则判定没有实现位同步；

步骤6、在步骤5找到比特翻转的边沿之后剥离北斗导航电文中的NH码，具体步骤为：

a、在FPGA中定义参数变量等于NH码即0000_0100_1101_0100_1110；

b、从比特边沿开始，取当前1ms积分结果一次与NH码相异或，剥离NH码，所得1ms积分结果用于下一步长时间相干积分；

步骤7、在步骤6完成NH码剥离后，将GPS/BD双系统接收机环路中相干积分时间加长到20ms，输出50bps的信息即是原始二进制导航电文，具体步骤为：

a、在FPGA中申请如图6所示的移位寄存器；

b、在步骤5中已经找到比特翻转的边沿、步骤6中已经剥离NH码，如果跳变处在P1处，则P1到P20直接累加即可，如果跳变在P2处且存在比特翻转，则P1-P2-P3……-P20进行累加积分，如果跳变在P3处且存在比特翻转，则P1+P2-P3……-P20进行累加积分，如果跳变在P4处且存在比特翻转，则P1+P2+P3……-P20进行累加积分，依次类推。

步骤8、对步骤7中的二进制导航电文按照导航电文播发格式进行卫星星历参数解调，利用三球交汇原理进行定位解算。

GPS/BD相干积分提高信号信噪比效果：

基于以上方法和步骤，首先利用FPGA仿真软件Modelsim进行仿真，与MATLAB仿真对比结果如图5所示，从图中可以看出结果正确。在位同步、剥离NH码的基础上进行相干积分，相干积分实验结果如图7所示，从图中可以看出相干积分可以提高弱信号的跟踪能力。

综上，本发明针对GPS/BD不同的卫星导航系统，从信号的调制方式入手，研究设计了一种兼容GPS和BD的相干积分方法。采用改进直方图的思想，设定直方图统计结果的门限上限和门限下限，首先找到比特跳变的边沿即位同步，在位同步的基础上剥离MH码，在位同步和NH码剥离后进行长时间的相干积分，提高弱信号的跟踪能力。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种兼容GPS/BD双系统卫星导航接收机相干积分方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对GPS/BD双系统接收机初始化，包括硬件上电复位、软件全局变量和控制字初始化，设置初始相干积分时间1ms；

步骤2、连接GPS/BD双频天线，采用二维搜索先粗捕后精捕的方式对可能的可见星进行搜索，获得可见星的粗略相位和频率信息；

步骤3、在步骤2获得可见星粗略相位和频率信息的基础上，采用延迟锁定环和科斯塔斯锁相环对码相位和载波频率进行跟踪，使得本地复制信号和接收到的卫星信号保持一致；

步骤4、在步骤3稳定跟踪的基础上彻底剥离载波和码，得到1ms相干积分结果；

步骤5、对步骤4得到的1ms积分结果采用改进直方图的方式实现位同步，找到比特翻转的边沿，若找不到比特翻转的边沿，则返回步骤4；对得到的1ms积分结果采用改进直方图的方式实现位同步的具体步骤为：

a、定义移位寄存器用于存储1ms相干积分结果，定义一组寄存器变量用于寄存数据相关结果；

b、如果第一个寄存器变量大于门限上限，并且其余的寄存器变量小于门限的下限，则认为实现位同步；

步骤6、在步骤5找到比特翻转的边沿之后剥离北斗导航电文中的NH码，若未剥离北斗导航电文中的NH码，则返回步骤5；剥离北斗导航电文中的NH码的具体步骤为：

a、在FPGA中定义参数变量等于NH码即0000_0100_1101_0100_1110；

b、从比特边沿开始，取当前1ms积分结果一次与NH码相异或，剥离NH码，所得1ms积分结果用于下一步长时间相干积分；

步骤7、在步骤6完成NH码剥离后，将GPS/BD双系统接收机环路中相干积分时间加长到20ms，输出50bps的信息即是原始二进制导航电文，若不能输出原始二进制导航电文，则返回步骤6；

步骤8、对步骤7中的二进制导航电文按照导航电文播发格式进行卫星星历参数解调，利用三球交汇原理进行定位解算。

2.根据权利要求1所述的一种兼容GPS/BD双系统卫星导航接收机相干积分方法，其特征在于，所述步骤5中对得到的1ms积分结果采用改进直方图的方式实现位同步，具体步骤为：

[1]在FPGA中设计基于RAM的深度60宽度20的移位寄存器REG_IP1，用于缓存1ms相干积分的结果共1.2秒，输入信号是1ms积分结果符号位，使能时钟是1ms；

[2]在FPGA中设计4个基于RAM的深度60宽度1的移位寄存器REG_IP2、REG_IP3、REG_IP4、REG_IP5，用于移位缓存REG_IP1的输出；

[3]对上述5个寄存器依次两两进行相关，相关结果记为result1、result2、result3和result4；

[4]对相关结果进行判断，如果result1大于30，且result2、result3和result4等于0，则判定实现位同步，否则判定没有实现位同步。

3.根据权利要求1所述的一种兼容GPS/BD双系统卫星导航接收机相干积分方法，其特征在于，所述步骤7中相干积分时间加长到20ms，具体步骤为：

a、步骤5实现位同步，找到比特翻转的边沿；

b、从比特翻转的边沿开始，取步骤6剥离NH码之后的1ms积分结果再次进行积分累加，当不超过20ms时则不存在比特翻转，超过20ms时则存在比特翻转，能够完全消除比特跳变的影响。