CN106019343B - 一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统及方法，该系统包括：Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块、导航数据生成模块、两个乘法器和时钟模块，通过两个乘法器，分别将导航数据生成模块生成的卫星导航数据信号与伪随机码生成模块生成的伪随机序列扩频码信号相乘后得到数字扩频信号，将数字扩频信号与Chirp信号生成模块生成的Chirp信号相乘后调制为卫星导航信号；所述的时钟模块，用于生成驱动Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块和导航数据生成模块工作的时钟信号。基于上述系统及本发明提供的方法，利用Chirp信号波长和频率有规律变化的特点，解决载波相位测量整周模糊的问题，利用Chirp信号具有很强自相关性的特点，提高测距精度和信号接收信噪比。

Description

一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统及方法。

背景技术

目前，在卫星导航领域普遍采用BPSK(Binary Phase Shift Keying，二相相移键控)调制，使用频率固定的载波信号。在载波相位测量中，由于载波的波长相同，无法区分，存在整周模糊度的问题。

在卫星导航系统的载波相位测量中为解算整周模糊度，需要进行多频测量和长时间观测。在现有的卫星导航技术中提高测距精度的方法包括：1.提高测距码的码速率，但使用这种方法会占用更多信号带宽，卫星导航频段受带宽限制能提高的测距精度有限。2.采用载波相位测量，该方法存在整周模糊度解算的问题，需要多频或长时间解算得到整周模糊度。3.使用外部增强或辅助来修正测距误差，这种方法依赖外部辅助，无法独立运行。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决上述现有的卫星导航技术中信号载波相位测量整周模糊度的问题和提高测距精度的问题，本发明以Chirp信号作为卫星导航信号的载波，利用Chirp信号的波长和频率有规律的变化区分各个载波波长，从而解决了整周模糊度的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统，该系统包括：Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块、导航数据生成模块、两个乘法器和时钟模块，其中：

所述的Chirp信号生成模块，用于产生频率线性连续变化的周期性Chirp信号，作为卫星导航信号的载波信号；

所述的伪随机码生成模块，用于产生卫星导航的伪随机序列扩频码信号；

所述的导航数据生成模块，用于生成卫星导航数据信号；

所述的两个乘法器，分别用于将卫星导航数据信号与伪随机序列扩频码信号相乘后生成数字扩频信号，和用于将数字扩频信号与Chirp信号相乘后调制为卫星导航信号；

所述的时钟模块，用于生成驱动Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块和导航数据生成模块工作的时钟信号，以保持各模块同步工作。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的伪随机码生成模块根据卫星导航信号用途，生成满足码周期和码速率设计要求的伪随机序列扩频码信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的导航数据生成模块生成包含卫星星历和历书的卫星导航电文数据信息。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的Chirp信号的频率变化周期与扩频码周期或数据bit周期相同。

基于上述一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统，本发明还提供了一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，所述的Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块和导航数据生成模块在时钟模块生成的各时钟信号的驱动下同步工作；

步骤2，将导航数据生成模块生成的卫星导航数据信号与伪随机码生成模块产生的伪随机序列扩频码信号相乘，生成数字扩频信号；

步骤3，将步骤2中生成的数字扩频信号与Chirp信号生成模块产生的Chirp载波信号相乘，调制得到卫星导航信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的时钟模块通过对星载原子钟产生的时钟做倍频和分频处理实现。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的卫星导航数据信号中包含卫星播发的星历数据、历书数据和星基增强信息。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的数字扩频信号通过伪随机序列采用直接序列扩频产生。

本发明的一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的方法优点在于：

本发明中的系统及方法利用了Chirp信号波长和频率有规律变化的特点，解决载波相位测量整周模糊的问题，利用Chirp信号具有很强自相关性的特点，提高测距精度和信号接收信噪比，利用Chirp信号频谱均匀的特点，提高了频谱利用率，特别适合于卫星导航定位中，以进一步实现高精度导航定位。

附图说明

图1为本发明中的一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统结构组成框图。

图2为本发明中以Chirp信号作载波的卫星导航信号在基带频率的时域图。

图3为本发明中以Chirp信号作载波的卫星导航信号在基带频率的频域图。

图4为本发明中以Chirp信号作载波的卫星导航信号在基带频率的自相关图。

图5为本发明中以Chirp信号作载波的卫星导航信号与GPS系统的C/A码信号的自相关性对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统及其实现方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统包括：Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块、导航数据生成模块、两个乘法器和时钟模块，信号沿着图1所示的箭头方向流动。

Chirp信号是一种频率随时间逐渐增加或减小的信号，Chirp信号的幅度保持恒定，Chirp信号的带宽为频率的变化范围。Chirp信号具有很强的自相关性，常用在雷达中，实现脉冲压缩技术，以获得更高的时空分辨率，并且提高信号接收的信噪比。线性Chirp信号运用于扩频技术中，其频谱大致为均匀分布。Chirp信号在时域波形上，其波长和频率随时间按设定的规律变化，如频率随时间而线性变大或减小，频率随时间而指数变大或减小。

所述的Chirp信号生成模块，用于生成Chirp信号，作为卫星导航信号的载波信号，Chirp信号的频率周期性变化，周期为一个数据bit，或者为一个扩频码周期，或者为几个数据bit，或者为一帧数据。Chirp信号的频率可以由小到大，也可以由大到小变化。

所述的伪随机序列扩频码具有周期性，一个周期的伪随机序列扩频码如GPS系统所使用的C/A码，包含1023个码片，每个码片符号按BPSK调制到载波上。GPS系统的L1频率上的C/A码信号，其一个数据bit上调制了20个周期的伪随机序列扩频码。

所述的伪随机码生成模块可生成全球卫星定位系统(GNSS)常用的扩频码信号，如GPS系统的C/A码扩频信号或北斗卫星导航系统的扩频码信号。该伪随机码生成模块可通过生成GNSS使用的Gold码扩频码作为伪随机序列扩频码信号。采用Gold码的好处在于，其码长经过折衷选择，便于性能不高的民用接收机使用；具有优良的自相关性和互相关性。该伪随机序列扩频码还可以采用如混沌码等其他格式的扩频码。

伪随机序列用于直接序列扩频和测距，是卫星导航中的通用技术。用伪随机序列做直接序列扩频产生数字扩频信号，其优点在于：功率谱密度低，抗干扰，为无线电测距提供手段。伪随机序列用作直接序列扩频码，各颗卫星的测距信号通过使用不同伪随机序列扩频码来区分。伪随机序列用于无线电测距，卫星信号与本地接收机信号的伪随机序列对齐时，会产生一个自相关峰，根据自相关峰出现的时延，测量卫星信号到接收机的传播时间，从而测得距离。

所述的导航数据生成模块可生成为GNSS的卫星播放的导航数据信号。该导航数据信号中可包含卫星播发的星历数据、历书数据和星基增强信息。

所述的两个乘法器，分别用于将卫星导航数据信号与伪随机序列扩频码信号相乘后生成数字扩频信号，和用于将数字扩频信号与Chirp信号相乘后调制为卫星导航信号。

所述的时钟模块用于生成时钟信号，作为时间标准驱动Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块和导航数据生成模块工作，保持各模块同步工作。时钟模块通过对星载原子钟提供的基准时钟信号做倍频和分频处理实现。倍频和分频是把基准时钟频率进行倍增或分数除，其在硬件上通过倍频器、分频器、锁相环、计数器和乘法器等元件来实现。原子钟是一种基于原子的光子跃迁时间为基准的计时器，其时间基准精度高，目前，最精确的授时时钟采用原子钟。卫星导航系统对时钟准确度要求高，因此本发明采用了原子钟。

其中调制的原理是：利用卫星导航数据信号和伪随机序列扩频码信号对齐、相乘得到+/-1序列信号，然后将生成的数字扩频信号与Chirp信号相乘，改变Chirp信号的相位，最终获得卫星导航信号。信号对齐通过各模块的时钟同步控制。上述调制过程的目的是把信息加载到适合于在卫星信道中传播的载波上。

基于上述的利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统，本发明还提供了一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，所述的Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块和导航数据生成模块在时钟模块生成的各时钟信号的驱动下同步工作；

步骤2，将导航数据生成模块生成的卫星导航数据信号与伪随机码生成模块产生的伪随机序列扩频码信号相乘，生成数字扩频信号；

步骤3，将步骤2中生成的数字扩频信号与Chirp信号生成模块产生的Chirp载波信号相乘，调制得到卫星导航信号。

如图2、图3和图4展示了基于Chirp信号作为载波的卫星导航信号在基带频率的时域图、频域图和自相关特性图。该信号在基带的中心频率为4MHz，频率变化率为2GHz/s，Chirp信号的周期为1ms，即Chirp信号的带宽为2MHz。所使用扩频码为GPS系统的C/A码信号所采用的1号Gold码。

如图2所示的时域波形图，使用Chirp信号做载波的卫星导航信号的幅度值为1，信号的频率为由小到大线性增加，变化率为2GHz/s，信号的相位翻转由卫星导航信号的扩频码调制产生。信号载波的频率线性增加意味着波长的线性减小，变化中的波长在载波相位测量中可用于区分每一个波长，解决了载波相位测量中整周模糊的问题。

如图3所示的频域图，使用2MHz带宽的Chirp信号做载波，使用2MHz带宽的GPS系统的C/A码实现扩频调制，总的带宽为4MHz。

如图4所示的信号自相关图，使用Chirp信号做载波的卫星导航信号的自相关图包络为sinc函数形状，第一过零点时延值为0.005ms。

如图5所示，基于Chirp作为载波的卫星导航信号和GPS系统的C/A码信号自相关性的对比图，说明了其更好的自相关特性。基于Chirp信号作载波的卫星导航信号的自相关峰形状更窄，因而具有更高的测距精度。

综上所述，本发明所提供的生成卫星导航信号的系统及方法中，通过利用Chirp信号作为卫星信号的载波，这样可以提高信号的自相关性，进而改善测距精度和接收信噪比，同时利用Chirp信号载波的频率和波长变化规律，可以解决载波相位测量中整周模糊的问题。使用Chirp载波调制的卫星导航信号具有更均匀的频谱，但会占用更多信号带宽，增加的带宽为Chirp信号的频率变化范围。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统，其特征在于，该系统包括：Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块、导航数据生成模块、两个乘法器和时钟模块，

所述的Chirp信号生成模块，用于产生频率线性连续变化的周期性Chirp信号，作为卫星导航信号的载波信号；

所述的伪随机码生成模块，用于产生卫星导航的伪随机序列扩频码信号；

所述的导航数据生成模块，用于生成卫星导航数据信号；

所述的两个乘法器，分别用于将卫星导航数据信号与伪随机序列扩频码信号相乘后生成数字扩频信号，和用于将数字扩频信号与Chirp信号相乘后调制为卫星导航信号；

所述的时钟模块，用于生成驱动Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块和导航数据生成模块工作的时钟信号，以保持各模块同步工作。

2.根据权利要求1所述的利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统，其特征在于，所述的伪随机码生成模块根据卫星导航信号用途，生成满足码周期和码速率设计要求的伪随机序列扩频码信号。

3.根据权利要求1所述的利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统，其特征在于，所述的导航数据生成模块生成包含卫星星历和历书的卫星导航电文数据信息。

4.根据权利要求1所述的利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统，其特征在于，所述的Chirp信号的频率变化周期与扩频码周期或数据bit周期相同。

5.一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，所述的Chirp信号生成模块、伪随机码生成模块和导航数据生成模块在时钟模块生成的各时钟信号的驱动下同步工作；

步骤2，将导航数据生成模块生成的卫星导航数据信号与伪随机码生成模块产生的伪随机序列扩频码信号相乘，生成数字扩频信号；

步骤3，将步骤2中生成的数字扩频信号与Chirp信号生成模块产生的Chirp载波信号相乘，调制得到卫星导航信号。

6.根据权利要求5所述的利用Chirp信号生成卫星导航信号的方法，其特征在于，所述的时钟模块通过对星载原子钟产生的时钟做倍频和分频处理实现。

7.根据权利要求5所述的利用Chirp信号生成卫星导航信号的方法，其特征在于，所述的卫星导航数据信号中包含卫星播发的星历数据、历书数据和星基增强信息。

8.根据权利要求5所述的利用Chirp信号生成卫星导航信号的方法，其特征在于，所述的数字扩频信号通过伪随机序列采用直接序列扩频产生。