CN106019335B

CN106019335B - 一种卫星导航信号的斜率位同步法

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Publication number: CN106019335B
Application number: CN201610519891.0A
Authority: CN
Inventors: 刘怡俊; 叶剑科
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: CN106019335A

Abstract

本发明涉及一种卫星导航信号的位同步法，本发明的方法包括，捕获GPS信号；对GPS信号跟踪，解调出导航电文数据；计算导航电文数据每个点的能量并取模；逐个累加每个位置的能量值；利用曲线拟合，对某一位置的前5个点和后5个点直线拟合，然后求两条直线的交点，此点就是位同步的比特位。利用本发明的曲线拟合求求斜率来实现位同步方法，在强信号或者弱信号下，利用斜率都能实现位同步，并且利用斜率能实现同步正确概率比直方图更高，在更弱信号下，利用斜率也能实现位同步。

Description

一种卫星导航信号的斜率位同步法

本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及卫星导航信号的斜率位同步方法。

背景技术

位同步技术是GNSS接收机技术的重要组成部分，正确实现位同步是GNSS接收机实现解调电文、伪距计算以及利用相干累加实现高灵敏跟踪的基础。

传统的直方图方法是一种被广泛使用的统计估计方法，它通过统计相关器或者锁相环输出的前后数据的符号变化来进行检测。以GPS为例，输出数据的周期是1ms，一共有20个比特翻转候选位置，经过一段时间的统计，如果其中一个候选位置的符号变化明显多于其它位置，那么就判定该候选位置是比特边界。2002年M.Kokkonen和S.Pietila提出了一种新的位同步方法—K-P法,这种方法将每个候选位置之后的20个数据进行累加,求包络得到相应的数据位能量,再将数据位能量通过一段时间的累积，获得对应20个位置中数据位能量最大的位置，即数据位边缘位置。

例如，在专利文献1(CN 101614804A，弱信号下GPS导航电文数据位同步的方法及装置)中，记载GPS接收机捕获GPS卫星信号数据，然后计算单导航电文数据位内的位边界的最大似然率，然后根据最大似然率判断导航电文数据位的边界的数据值。

目前的GPS导航定位，位同步也是很重要且关键的一块，因为跟踪获得的I之路虽然是导航电文数据，但是收获的导航电文数据是比特数据，必须对其进行位同步帧同步解调。对GPS接收机主要通过四个主要的功能来实现导航定位功能，对卫星的捕获，捕获后获得的GPS卫星信号进行跟踪，然后是获取GPS卫星信号中调制的导航电文信息，根据解调后的导航电文获取星历进行用户接收机所在的位置来计算，最终确定导航和定位功能。解调过程相当重要，无论GPS接收机的基带处理多么好，GPS接收机的捕获和跟踪灵敏度多么高，当我们无法正确的解调处理GPS卫星的导航电文数据时，我们都不可能输出定位信息或者输出错误的定位信息。而正确的解调导航电文信息的关键就是实现跟踪的I之路的导航电文数据的位同步过程，怎么样快速并且准确的定位导航电文数据的数据边界使研究重点。

直方图法是一种常用的比特同步算法，它只利用相关器输出的符号信息进行统计判决，实现简单，计算量小，但其在低信噪比下的同步错误概率较大。直方图优化算法在直方图法的基础上增加了对前后两次相关值能量的利用，计算量稍大，但同时在低信噪比下的正确同步概率也得到了一定的提高。K-P算法基于最大似然估计，它通过对相关值能量做相干累加和非相干累加进行判决，运算量相对来说较大，但在低信噪比下的正确同步概率得到了较大的提高。专利文献1针对研究GPS导航信号电文数据位同步采用计算导航电文数据位内的位边界的最大似然率，通过计算的最大似然率来判断导航电文的边界和数据值。但是此方法在数据加入高斯噪声的干扰下准确率有待提高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于斜率的位同步方法，在强信号与弱信号下都能对GPS导航电文数据实现位同步。

为实现上述目的，所提出的斜率位同步方法，包括如下步骤：

(1)捕获GPS信号。

(2)对GPS信号跟踪，解调出导航电文数据。

(3)计算导航电文数据每个点的能量并取模。

(4)逐个累加每个位置(20个)的能量值。

(5)利用曲线拟合，对某一位置的前5个点和后5个点直线拟合，然后求两条直线的交点，此点就是位同步的比特位。

进一步的，上述步骤(1)捕获GPS信号，优选采用并行码相位捕获方法。

所述并行码相位捕获方法具体包括以下步骤：

11)对输入的数字中频信号S_IF(n)分别与本地复制的正弦与余弦载波信号进行混频，对复数形式的混频结果i+jq进行傅里叶变换。

12)将C/A码发生器生成本地相应的C/A码进行傅里叶变换，然后取其共轭值。

13)将上述11)的结果和12)的结果进行相乘，将所得的乘积再进行反傅里叶变换得到在时域内的相关结果，对这些相关值进行检测来判断信号是否存在。

14)在完成当前频带的搜索与检测后，复制另一个频率值的载波，然后重复上述步骤11)和步骤13)，完成下一个频带的搜索与检测。当搜索另一个信号时，然后重复上述步骤11)，步骤12),步骤13)。

15)重复14)，直到32个卫星都搜索与检测完。

进一步的，上述步骤(2)对GPS信号跟踪，解调出导航电文数据，优选包括以下步骤：

21)载波环复制本地载波与中频信号混频相乘，其中I支路是与正弦复制载波相乘，Q支路是与余弦复制载波相乘。

22)I,Q支路上的混频结果分别与CA码发生器产生的超前码、滞后码、即时码相关。

23)相关结果再经积分-清除器后分别输出相干积分值。

24)即时支路上的I、Q的积分值作为载波环鉴别器的输入，其他支路作为码环鉴别器输入。

25)载波环和码环各自根据其鉴别器输出的结果来调节载波NCO和CA码NCO的输出，使载波环复制的本地载波与接收载波一致，码环所复制的CA码即时码与接收CA码一致

26)运行过程中，载波环根据复制的载波以信号状态输出多普勒频移、积分多普勒和载波相位测量值，同时码环根据其所复制的C/A码信号状态输出码相位和伪距测量值，载波环鉴别器解调出导航电文数据。

进一步的，上述步骤(3)计算导航数据每个点的能量并取模，优选包括以下步骤：

由上述2)步骤得到导航电文数据，每个候选位置之前的20个数据进行累加,求包络得到相应的数据位能量，取它代表每个候选位置的能量值,n为数据长度。取c_i＝|b_i|,i＝0,1,2...,它代表每个数据位能量取绝对值。

进一步的，上述步骤(4)逐个累加每位置上的能量值，优选包括以下步骤：

取它代表逐个累加每个位置的能量值，k＝n/20向下取整。

进一步的，上述步骤(5)对某一位置的前5个点和后5个点直线拟合，然后求两条直线的交点，循环取点求最大交点，该点是位同步的比特位。优选具体包括以下步骤：

对某一点的前5个点和后5个点直线拟合(例如第8个点，前5个点为3，4，5，6，7，后5个点为9，10，11，12，13)，然后求两条直线的交点，循环取点，求出最大的交点，对最大交点四舍五入取整，此点就是位同步的比特位。

本发明的有益效果：

本发明提出是一种利用曲线拟合求斜率来实现位同步方法，这种方法没有出现在已有的专利或者论文中。

利用本发明的曲线拟合求求斜率来实现位同步方法，具有以下优点：

(1)在强信号或者弱信号下，利用斜率都能实现位同步；

(2)在强信号或者弱信号下，在完成捕获与跟踪后，利用斜率能实现正确同步概率比直方图要高得多；

在更弱信号下，利用斜率也能实现位同步。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是需要注意的是，附图仅示出了本发明的若干实施方案，因此不能认为附图是对本发明范围的限制，因为本发明的范围还承认其他的等同实施方案。

图1为本发明方法的结构框图。

图2为本发明一个实施方式的流程图第一部分。

图3为本发明一个实施方式的流程图第二部分。

图4为本发明一个实施方式的流程图第三部分。

图5为编号能量值图。

图6为斜率位同步图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员将理解对本文所述的装置和方法做出的许多实施例、改变和替换都在本发明的范围和主旨之内。

实施例一：

参照附图1，本实施例的斜率位同步方法包括如下步骤：

(1)，捕获信号，即对GPS信号进行捕获。

(2)追踪信号，对GPS信号跟踪，解调出导航电文数据。

(3)计算能量值，计算解调出的导航电文数据每个点的能量并取模，逐个累积每个位置20个的能量值。

(4)计算位同步，利用曲线拟合，将某一位置的前5个点和后5个点直线拟合，然后求两条直线的交点，此点就是位同步的比特位。

实施例二：

参照附图2-6，本实施例的斜率位同步方法包括如下步骤：

步骤一、捕获信号：

开始，读取数据。

13)将上述11)的结果和12)的结果进行相乘，将所得的乘积再进行反傅里叶变换得到在时域内的相关结果，对这些相关值进行检测分析来判断信号是否存在。

15)重复14)，直到32个卫星都搜索与检测完。

步骤二、GPS信号跟踪，解调出导航电文数据：

23)相关结果再经积分-清除器后分别输出相干积分值。

步骤三、计算导航数据每个点的能量并取模：

由上述步骤二得到导航电文数据，每个候选位置之前的20个数据进行累加,求包络得到相应的数据位能量，取它代表每个候选位置的能量值,n为数据长度。取c_i＝|b_i|,i＝0,1,2...,它代表每个数据位能量取绝对值。

步骤四、逐个累加每位置上的能量值。

取它代表逐个累加每个位置的能量值，k＝n/20向下取整。

例如，附图5-6为能量值图。

步骤五、对某一位置的前5个点和后5个点直线拟合，然后求两条直线的交点，循环取点求最大交点，该点是位同步的比特位。

对某一点的前5个点和后5个点直线拟合，例如附图4中第8个点，前5个点为3，4，5，6，7，后5个点为9，10，11，12，13)，然后求两条直线的交点，循环取点，求出最大的交点，对最大交点四舍五入取整，此点就是位同步的比特位。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种卫星导航信号的斜率位同步法，其特征在于包括如下步骤：

(1)捕获GPS信号；

(2)对GPS信号跟踪，解调出导航电文数据；

(3)计算导航电文数据每个点的能量并取模；

(4)逐个累加每个位置(20个)的能量值；

(5)利用曲线拟合，对某一位置的前5个点和后5个点直线拟合，然后求两条直线的交点，此点就是位同步的比特位；

所述步骤(3)计算导航数据每个点的能量并取模包括以下步骤：

由上述步骤(1)(2)得到导航电文数据，每个候选位置之前的20个数据进行累加,求包络得到相应的数据位能量，取它代表每个候选位置的能量值,n为数据长度，取c_i＝|b_i|,i＝0,1,2...,它代表每个数据位能量取绝对值。

2.根据权利要求1所述的斜率位同步法，所述步骤(1)捕获GPS信号采用并行码相位捕获方法。

3.根据权利要求2所述的斜率位同步法，所述并行码相位捕获方法具体包括以下步骤：

11)对输入的数字中频信号S_IF(n)分别与本地复制的正弦与余弦载波信号进行混频，对复数形式的混频结果i+jq进行傅里叶变换；

12)将C/A码发生器生成本地相应的C/A码进行傅里叶变换，然后取其共轭值；

13)将上述11)的结果和12)的结果进行相乘，将所得的乘积再进行反傅里叶变换得到在时域内的相关结果，对这些相关值进行检测来判断信号是否存在；

14)在完成当前频带的搜索与检测后，复制另一个频率值的载波，然后重复上述步骤11)和步骤13)，完成下一个频带的搜索与检测，当搜索另一个信号时，然后重复上述步骤11)，步骤12),步骤13)；

15)重复14)，直到32个卫星都搜索与检测完。

4.根据权利要求3所述的斜率位同步法，所述步骤(2)对GPS信号跟踪，解调出导航电文数据包括以下步骤：

21)载波环复制本地载波与中频信号混频相乘，其中I支路是与正弦复制载波相乘，Q支路是与余弦复制载波相乘；

22)I,Q支路上的混频结果分别与CA码发生器产生的超前码、滞后码、即时码相关；

23)相关结果再经积分-清除器后分别输出相干积分值；

24)即时支路上的I、Q的积分值作为载波环鉴别器的输入，其他支路作为码环鉴别器输入；

25)载波环和码环各自根据其鉴别器输出的结果来调节载波NCO和CA码NCO的输出，使载波环复制的本地载波与接收载波一致，码环所复制的CA码即时码与接收CA码一致；

5.根据权利要求1所述的斜率位同步法，所述步骤(4)逐个累加每位置上的能量值包括以下步骤：

取它代表逐个累加每个位置的能量值，k＝n/20向下取整。

6.根据权利要求1所述的斜率位同步法，所述步骤(5)利用曲线拟合，对某一位置的前5个点和后5个点直线拟合，然后求两条直线的交点，此点就是位同步的比特位，具体包括以下步骤：

对某一点的前5个点和后5个点直线拟合，然后求两条直线的交点，循环取点，求出最大的交点，对最大交点四舍五入取整，此点就是位同步的比特位。