CN106199651B - 一种基于导航信号的极小值位同步法 - Google Patents

一种基于导航信号的极小值位同步法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于GPS导航信号的极小值位同步方法，该方法其包括以下步骤：(1)通过GPS接收机进入捕获状态并捕获GPS卫星信号数据；(2)对捕获的卫星信号跟踪并获得I支路的导航电文数据；(3)对I支路的导航信号采用能量累加法；(4)其能量极小值点位置为其位同步点，重复(3)并检验。

Description

一种基于导航信号的极小值位同步法
技术领域
本发明涉及信号与信息处理领域，特别涉及一种基于导航信号的极小值位同步方法。
背景技术
GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，被地面上用户接收机实时地连续接收，由此计算出接收机天线所在的位置。GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。而要确定一个人的位置，至少需要同时检测到四颗卫星。卫星星座的分布设置要保证地球上任何地点在任何时刻至少可以同时观测到四颗卫星。
已有的关于GPS导航电文数据位同步的方法中，通常采用的是直方图法，在无线设备定位、室内、隧道、高轨卫星等应用领域,由于特殊的应用环境,载噪比C/N 0低于35dB/Hz的微弱全球定位系统(GPS)信号十分常见[1],对其进行信号处理一直是近年来接收机技术研究的热点和难点。极弱信号的跟踪要求环路增加相关积分时间以尽可能地提高信噪比(SNR),同时采取一定的措施减小跟踪误差。对于采用扩频调制的GPS L1信号,积分上限为导航电文周期———20m s[2],在电文数据位边缘未知的情况下,弱信号的顺利跟踪需要通过位同步来避免环路积分时间跨越电文数据位边缘。比较常见的位同步方法是B.Parkinso n等提出的直方图法(Histo gram Metho d,H M)，它通过统计相关器输出数据的符号变化来进行检测,相关器的累加时间为C/A码周期1ms,共20个候选位边缘,经过一段时间的统计,如果某个候选位置的符号变化次数明显多于其他候选位置,则认为该位置为数据位边缘。2002年M.Kokkonen和S.Pietila提出了一种新的位同步方法—K-P法[4],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若信号下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很关键的一块，因为跟踪获得的I支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。然解调过程相当重要，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支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。
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
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，通过采用能量累加计算极小值找出位同步点，实现弱信号下的GPS导航信号极小值位同步方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于导航信号的极小值位同步法，其包括以下步骤：
(1)通过GPS接收机进入捕获状态并捕获GPS卫星信号数据；
(2)对捕获的卫星信号跟踪并获得I支路的导航电文数据；
(3)对I支路的导航信号采用能量累加法；
(4)其能量极小值点位置为其位同步点，重复(3)并检验。
进一步的，步骤(1)具体包括以下步骤：
11)采用并行码相位搜SΙ索捕获算法，将输入的数字中频信号SIF(n)分别与载波NCO所复制的正弦和余弦载波信号混频；
12)将复数形式的混频结果i+jq进行傅里叶变换；
13)将C/A码发生器进行傅里叶变换然后进行对其复数共轭；
14)将上述12)结果和13)通过乘法器相乘，并将结果进行傅里叶反变换，取模输出；
15)让载波数控振荡器复制另一频率值得正弦和余弦载波，重复上述操作。
进一步的，步骤(2)具体包括以下步骤：
21)将输入的数字中频信号SIF(n)与载波环复制的载波混频相乘，其中在I支路上与正弦复制载波相乘，Q支路上与余弦复制载波相乘；
22)I支路和Q支路上的混频结果信号i和q分别与码环所复制的超前、即时和滞后三分C/A码做相关运算，相关结果iE,iP,iL,qE,qP和qL经积分-清除器后输出相干积分值IE,IP,IL,QE,QP和QL。
进一步的，即时支路上的相干积分值IP和QP作为载波环鉴别器的输入，其他两条相关支路上的相干积分值作为玛环鉴别器的输入，载波环对步骤(1)输出值进行滤波，码环对步骤(2)输出值进行滤波，并将滤波结果用来调节各自的载波数控振荡器和C/A码数控振荡器的输出相位和频率等状态，使载波环所复制的载波与接收载波保持一致，同时又使码环所复制的C/A即时码与接收C/A码保持一致，以保证下一时刻接收信号中的载波和C/A码在跟踪环路中仍被彻底剥离。
进一步的，步骤(3)具体包括以下步骤：
31)将上述22)所输出的导航电文数据选取可能的数据位边缘形成观测序列，将选取的数据位边缘位置开始累加其前20个数据位获得相应的能量值n为数据位长度；
32)将能量值bi取模取绝对值获得Ci＝|bi|,i＝0,1,2……,Ci为相应观测点的能量累加绝对值。
进一步的，步骤(4)具体包括以下步骤：
取值k＝n/20向下取整，di为观测点累加的能量值，找出能量极小值Lmin＝min(di),其为位同步点。
进一步的，步骤(3)所述的能量累加法采用每连续20个点的能量取模并累加。
附图说明
图1为本发明方法的结构框图；
图2-图4为本发明方法算法流程图；
图5为本发明I支路输出的导航电文数据图；
图6为本发明Q支路分离的噪声图；
图7为本发明能量累加位同步过程图；
图8为本发明能量累加极小值点为位同步点图。
具体实施方式
本发明提供了一种弱信号下GPS导航信号的极小值位同步方法如图1所示，其包括以下步骤：
(1)通过GPS接收机进入捕获状态并捕获GPS卫星信号数据；
(2)对捕获的卫星信号跟踪并获得I支路的导航电文数据；
(3)对I支路的导航信号采用能量累加法，即每连续20个点的能量取模并累加；
(4)其能量极小值点位置为其位同步点，重复(3)并检验。
图2-图4为本发明方法算法流程图，更进一步的：
上述步骤(1)通过GPS接收机进入捕获状态并捕获GPS卫星信号数据。具体包括以下骤：
11)采用并行码相位搜SΙ索捕获算法，将输入的数字中频信号SIF(n)分别与载波NCO所复制的正弦和余弦载波信号混频。
12)将复数形式的混频结果i+jq进行傅里叶变换。
13)将C/A码发生器进行傅里叶变换然后进行对其复数共轭。
14)将上述12)结果和13)通过乘法器相乘，并将结果进行傅里叶反变换，取模输出。
15)让载波数控振荡器复制另一频率值得正弦和余弦载波，重复上述操作。
上述步骤(2)对捕获的卫星信号跟踪并获得I支路的导航电文数据，图5为本发明I支路输出的导航电文数据图。具体包括以下步骤：
21)将输入的数字中频信号SIF(n)与载波环复制的载波混频相乘，其中在I支路上与正弦复制载波相乘，Q支路上与余弦复制载波相乘。
22)I支路和Q支路上的混频结果信号i和q分别与码环所复制的超前、即时和滞后三分C/A码做相关运算，相关结果iE,iP,iL,qE,qP和qL经积分-清除器后输出相干积分值IE,IP,IL,QE,QP和QL。
(1)即时支路上的相干积分值IP和QP作为载波环鉴别器的输入。
(2)其他两条相关支路上的相干积分值作为玛环鉴别器的输入。
(3)载波环对(1)输出值进行滤波，码环对(2)输出值进行滤波。并将滤波结果用来调节各自的载波数控振荡器和C/A码数控振荡器的输出相位和频率等状态。使载波环所复制的载波与接收载波保持一致，同时又使码环所复制的C/A即时码与接收C/A码保持一致。以保证下一时刻接收信号中的载波和C/A码在跟踪环路中仍被彻底剥离。
图6为本发明Q支路分离的噪声图。
上述步骤(3)对I支路的导航信号采用能量累加法，即每连续20个点的能量取模并累加，图7为本发明能量累加位同步过程图，具体包括以下步骤：
31)将上述22)所输出的导航电文数据选取可能的数据位边缘形成观测序列，将选取的数据位边缘位置开始累加其前20个数据位获得相应的能量值n为数据位长度。
32)将能量值bi取模取绝对值获得Ci＝|bi|,i＝0,1,2……,Ci为相应观测点的能量累加绝对值。
上述步骤(4)找出其能量极小值点，检验其是否为位同步点。图8为本发明能量累加极小值点为位同步点图，具体包括以下步骤：
取值k＝n/20向下取整，di为观测点累加的能量值，找出能量极小值Lmin＝min(di),其为位同步点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于导航信号的极小值位同步法，其包括以下步骤：
(1)通过GPS接收机进入捕获状态并捕获GPS卫星信号数据；
(2)对捕获的卫星信号跟踪并获得I支路的导航电文数据；
(3)对I支路的导航信号采用能量累加法；
(4)其能量极小值点位置为其位同步点，重复(3)并检验；
步骤(3)具体包括以下步骤：
31)将上述22)所输出的导航电文数据选取可能的数据位边缘形成观测序列，将选取的数据位边缘位置开始累加其前20个数据位获得相应的能量值n为数据长度；ai-j+1为能量值bi前20个数据位相应的能量值；
32)将能量值bi取模取绝对值获得Ci＝|bi|,i＝0,1,2……,Ci为相应观测点的能量累加绝对值。
2.根据权利要求1所述的基于导航信号的极小值位同步法，其特征在于步骤
(1)具体包括以下步骤：
11)采用并行码相位搜SI索捕获算法，将输入的数字中频信号SIF(n)分别与载波NCO所复制的正弦和余弦载波信号混频；
12)将复数形式的混频结果i+jq进行傅里叶变换；
13)将C/A码发生器进行傅里叶变换然后进行对其复数共轭；
14)将上述12)结果和13)通过乘法器相乘，并将结果进行傅里叶反变换，取模输出；
15)让载波数控振荡器复制另一频率值得正弦和余弦载波，重复上述操作。
3.根据权利要求1所述的基于导航信号的极小值位同步法，其特征在于步骤(2)具体包括以下步骤：
21)将输入的数字中频信号SIF(n)与载波环复制的载波混频相乘，其中在I支路上与正弦复制载波相乘，Q支路上与余弦复制载波相乘；
22)I支路和Q支路上的混频结果信号i和q分别与码环所复制的超前、即时和滞后三分C/A码做相关运算，相关结果iE,iP,iL,qE,qP和qL经积分-清除器后输出相干积分值IE,IP,IL,QE,QP和QL。
4.根据权利要求3所述的基于导航信号的极小值位同步法，其特征在于：
即时支路上的相干积分值IP和QP作为载波环鉴别器的输入，其他两条相关支路上的相干积分值作为玛环鉴别器的输入，载波环对步骤(1)输出值进行滤波，码环对步骤(2)输出值进行滤波，并将滤波结果用来调节各自的载波数控振荡器和C/A码数控振荡器的输出相位和频率等状态，使载波环所复制的载波与接收载波保持一致，同时又使码环所复制的C/A即时码与接收C/A码保持一致，以保证下一时刻接收信号中的载波和C/A码在跟踪环路中仍被彻底剥离。
5.根据权利要求1所述的基于导航信号的极小值位同步法，其特征在于步骤(4)具体包括以下步骤：
取值k＝n/20向下取整，di为观测点累加的能量值，找出能量极小值Lmin＝min(di),其为位同步点。
6.根据权利要求1所述的基于导航信号的极小值位同步法，其特征在于步骤(3)所述的能量累加法采用每连续20个点的能量取模并累加。
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