CN108169773B - 一种基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法，在卫星导航信号跟踪阶段的载波跟踪环路中，在同一个数据码比特时间内的相干积分结果相加后，按照最大似然原理，依次递推随后的各个数据码比特时间内的相干积分结果相加值的极性，确定出最合理的数据极性通路，获得不同数据码比特时间相干积分结果相加的最大值，将总的相干积分时间加长到N个完整的数据码比特时间。本发明的方法能够加长跟踪中的相干积分时间，提高信号跟踪的灵敏度、稳定性及观测量的精度，同时运算量保持线性稳定。

Description

一种基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，特别是涉及一种基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)是由空间部分、地面监控部分、用户接收机三大部分组成的具备定位、导航、授时功能的系统，应用于航海、航空、测量测绘、精密定位等民用领域、行业领域以及军事领域。卫星导航系统空间部分由分布在不同轨道平面上的多颗卫星组成，以保证地面接收机在任何时间、覆盖范围内的任何地点都可以接收到足够多卫星的信号，并通过运算得到准确的位置、时间、速度等信息。

目前，全球卫星导航系统主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS，中国的北斗卫星导航系统，以及欧洲正在建设部署中的GALILEO系统。其中中国的北斗卫星导航系统简称北斗系统，英文缩写为BDS，其空间星座将由5颗地球静止轨道(GEO)卫星、27颗中圆地球轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。

卫星导航系统接收机的工作原理是：由天线部分将空间中的导航卫星电磁波转换为电信号；然后由射频部分将导航卫星信号放大、下变频、滤波、数模转换，最后输出数字中频信号；接着由基带处理部分通过信号相关、中频载波生成、码时钟生成等部分完成对数字中频信号的处理；接收机的软件部分包含信号处理和解算两部分，根据基带处理部分的结果进行运算，同时将控制参数写入基带处理部分。卫星导航信号的跟踪部分是在基带处理和信号处理及解算完成。

接收机对卫星信号的处理过程可以分为捕获、跟踪、失锁、重捕四个阶段。在卫星信号跟踪阶段，信号通道从捕获阶段获得的对当前这个卫星信号载波频率和码相位的粗略估计值出发，通过跟踪环路逐步精细对这两个信号参量的估计，同时输出对信号的各种观测量，再解调出信号中的导航电文数据比特。简单地讲，接收机对卫星信号的跟踪是一个与该接收信号同步的二维信号的复制过程。

相干积分是信号跟踪中不可缺少的重要组成部分。相干积分的时间越长，其滤波带宽越窄，所以加长相干积分时间可以提高信噪比，从而增加信号跟踪的灵敏度。越长的相干积分时间意味着越高的相干积分增益。但是一般跟踪算法的相干积分时间会被卫星信号导航电文的速率和结构所限制，一旦相干积分时间超过出这些限制，积分增益便会因为极性反转数据跳变而产生损耗。而采用遍历所有可能极性的信号跟踪算法能够加长相干积分时间，该算法是指以第一个数据码比特为基准，遍历以后所有比特的可能极性后，再分别进行积分累加，并以最强能量路径进行解调运算。但是这种算法的数据运算量会随着积分时间的加长而成指数方式增长，从而导致相干积分时间不可能做得很长，得不到理想的增益。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，提出一种新的卫星导航信号跟踪方法，即一种基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法，能够加长跟踪中的相干积分时间，提高信号跟踪的灵敏度、稳定性及观测量的精度，同时运算量保持线性稳定。

本发明的技术方案是：

1.一种基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法，其特征在于，在卫星导航信号跟踪阶段的载波跟踪环路中，在同一个数据码比特时间内的相干积分结果相加后，按照最大似然原理，依次递推随后的各个数据码比特时间内的相干积分结果相加值的极性，确定出最合理的数据极性通路，获得不同数据码比特时间相干积分结果相加的最大值，将总的相干积分时间加长到N个完整的数据码比特时间。

2.所述方法包括以下步骤：

1)总相干积分时间T_coherent包括N个完整的数据码比特时间，即把总的相干积分时间T_coherent等分为若干段，T_coherent/T_D＝N，N为正整数，T_D为数据码码宽；

2)同一个数据码比特时间T_D划分为M段，每一段时间长度为T_segment，T_D/T_segment＝M，M为正整数，即每一段的相干积分时间为T_segment，每一段T_segment的相干积分的结果为V_seg；

3)将同一个数据码比特时间T_D的各个T_segment的相干积分结果V_seg直接相加，得到各数据码比特时间相干积分结果相加值为V_bit；

4)假定第一个V_bit的极性，然后以此假定极性，按照最大似然原理，随后的第二个V_bit的极性按照同相和反相分别计算两数据比特总的相干积分结果，取最大值作为真正的两数据比特总的相干积分结果V_sum，并取得第二个数据比特相对第一个数据比特的极性；

5)后续V_bit按照同样方式处理，极性确定后继续累加到V_sum，最终确定一条能够获得V_sum最大值的通路，取得总相干积分时间T_coherent内的总相干积分结果V_sum。

3.其中，步骤2)中，取T_C≤T_segment≤T_D，T_C为测距码码宽；即同一个数据码比特时间T_D内的每一段的相干积分时间T_segmen不小于测距码码宽T_C。

4.所述总相干积分时间由获得的相干积分的增益G_coh定义为：

G_coh＝10lg(B_pdT_coh)

式中B_pd为相关积分之前的噪声带宽，T_coh为总相干积分时间。

5.所述方法可依据具体的导航信号数据结构，支持位同步完成或未完成即导航电文数据边界确定或未确定时的卫星信号跟踪。

6.所述方法可以应用于各种卫星导航体制，包括美国的GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，欧洲的伽利略系统，中国的北斗系统，以及以后可能出现的新的卫星导航体制和新的导航卫星信号。

7.所述方法也可以处理广域增强卫星信号，包括现有的北美的WAAS系统、欧洲的EGNOS系统，以及以后可能出现的新的广域增强卫星系统。

8.所述方法可以加长相干积分时间，不涉及非相干积分，但可以通过非相干积分进一步提高信噪比。

9.所述方法可应用于各种相位锁定环路PLL、频率锁定环路FLL和/或延迟锁定环路中。

本发明的技术效果：

本发明提出的一种基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法，依据最大似然原理，避开卫星信号导航电文速率和结构的限制，在不确定数据极性的情况，加长跟踪算法的相干积分运算时间，判决出最合理的导航电文数据位的极性通路，可以使各种模式的卫星信号跟踪避开其导航电文速率和结构的限制，加长相干积分时间，提高卫星信号跟踪的灵敏度、稳定性及观测量的精度，同时保持数据运算量线性，从而提升单模和多模卫星导航接收机的性能。

附图说明

图1为GPS L1载波、C/A码和数据码三者之间的层级结构图。

图2是一种典型的载波锁相环实现方式示意图。

图3是本发明的方法原理图。

图4是北斗系统B1I支路信号D1导航电文二次编码示意图。

图5是相干积分时间与相干积分增益关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

卫星导航接收机可以同时收到n颗导航卫星发射的信号，这n颗导航卫星信号之和我们称之为导航卫星射频信号S_RF：

式中：上角标j表示卫星编号；A表示信号振幅；C表示扩频码，即测距码或者经过BOC副载波调制后的测距码，包括各种导航卫星体制中的所有码，如美国GPS系统中的C/A码、P码，中国北斗系统和欧洲伽利略系统中的各种码等，测距码码宽为T_C；D表示测距码上调制的数据码和有可能的二次编码，数据码码宽为T_D；f表示载波频率；

表示载波初相。测距码是周期性的，其周期内码片数为L，一个数据码码宽内含有M个测距码周期，即T_D/(L×T_C)＝M。图1为GPS L1载波、C/A码和数据码三者之间的层级结构图。以GPS L1C/A信号为例说明了信号调制的层次结构，数据码每比特20周期C/A码，C/A码每码片1540周载波。

如公式(1)和公式(2)所示，卫星信号首先利用扩频码对所要播发的数据码进行扩频调制，再将扩频码与数据码的组合码通过特定的调制方式对载波进行调制。在信号接收端，如果接收机内部能同时复制出相应的载波和扩频码信号，并且两者又分别与接收到的该卫星信号中的载波和扩频码保持同步并一致，那么复制载波与接收信号进行混频可以实现载波剥离及将信号下变频到基带，而复制扩频码与接收信号相乘可以实现扩频伪码剥离与信号解扩，进而得到剩余的数据码。

由于卫星和接收机之间的相对运动以及卫星时钟与接收机晶体振荡器的频率漂移等原因，接收机接收到卫星信号的载波频率和码相位会随着时间的推移而变化，并且这些变化通常又是不可预测的，因而信号跟踪环路一般需要以闭环反馈的形式周期性的连续运行，以达到对卫星信号的持续锁定。信号跟踪环路实际上是由载波跟踪环路与码跟踪环路两部分组成，它们分别用来跟踪接收信号中的载波和伪码。码跟踪环路的目的是利用扩频伪码良好的自相关特性和互相关特性，检测其内部复制伪码与接收信号中的伪码的一致性程度，并调整内部复制伪码的相位，使两者相位保持一致。载波跟踪环的目的是使其所复制的载波信号与接收到的卫星载波信号保持一致，从而通过混频机制彻底地剥离卫星信号中的载波，将接收信号下变频到基带。

图2所示是一种典型的载波锁相环实现方式。载波锁相环通常采用I/Q解调法来帮助完成对输入信号的载波剥离、鉴相和数据解调等任务。将输入信号与正弦载波复制信号混频的支路称为同相支路(简称I支路)，将输入信号与余弦载波复制信号混频的另一条支路称为正交支路(简称Q支路)。I/Q两支路分别经过混频下变频到基带，再分别与扩频码做相关运算，实现信号解扩，最后通过积分清除电路实现低通滤波，至此两支路只剩下数据码信息，进而可以求得信号的相位误差，解调出数据码。同时，求得的相位误差经过环路滤波后反馈给载波复制信号生成电路，形成闭环，以使复制载波与接收到的信号保持相位一致。积分清除器通过积分低通滤波器来消除信号i_P(n)和q_P(n)中的高频信号成分和噪声，以提高载噪比。积分器对输入信号i_P(n)和q_P(n)经过一定时间的积分后，分别输出I_P(n)和Q_P(n)，然后清除器清除积分器中的各个寄存单元，接着再进行下一时段的积分，如此重复不断。因为这里的积分运算是将I支路和Q支路分开来进行，而不是将两者混合起来，所以称为相干积分，而相应的积分时间称为相干积分时间。

因为数据码的极性相当于随机信号，在任一时刻都可能是+1或者-1，当相干积分时间超过一个数据码的时间长度，如果这连续的两个数据码比特极性相同，此时确实能够带来更高的增益，但是如果这两个数据码比特极性相反，则此时积分累加后能量会相互抵消，甚至变成零。所以相干积分一般会在确定数据码比特边沿即比特同步后进行，并且相干积分时间不会超过数据码比特时间T_D。

本发明旨在解决一般卫星信号跟踪算法中的不足，提出一种新的卫星信号跟踪算法，即基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法，在卫星导航信号跟踪阶段的载波跟踪环路中，在同一个数据码比特时间内的相干积分结果相加后，按照最大似然原理，依次递推随后的各个数据码比特时间内的相干积分结果相加值的极性，确定出最合理的数据极性通路，获得不同数据码比特时间相干积分结果相加的最大值，将总的相干积分时间加长到N个完整的数据码比特时间。该方法能够加长跟踪中的相干积分时间，同时运算量保持线性稳定。

图3是本发明方法的原理示意图。本发明把总的相干积分时间T_coherent以数据码比特时间T_D为单位等分为N段，即T_coherent/T_D＝N(N为正整数)；再将同一个数据码比特时间T_D划分为M段，每一份时间长度为T_segment，满足T_C≤T_segment≤T_D，并且T_D/T_segment＝M(M为正整数)，所以每一段T_segment的相干积分结果V_seg不会存在跨越导航电文比特边界因数据跳变而损耗增益的情况，从而同一个数据码比特时间T_D内所有V_seg直接累加，累加值为V_bit。

T_segment越小，相当于数据采样率越高，频率分辨率越高，同时数据运算量会相应提高，该值可以根据实际需要灵活选择，一般情况取为一个扩频伪码周期。

可以假定T_coherent内的第一个V_bit的极性，然后以此假定极性，按照最大似然原理，后续的V_bit的极性按照同相和反相分别尝试，两者中功率大的一个作为该V_bit的极性，并与前面产生的V_bit相加或相减产生较大的V_sum，后续V_bit按照同样方式处理，极性确定后继续累加到V_sum，最终确定一条能够获得最大功率V_sum的通路，将该V_sum作为T_coherent的相干积分结果。可以看出加长T_coherent时，该算法依次递推随后各数据比特极性，确定之前各比特极性后仅考虑随后一个数据比特的极性，不统一考虑T_coherent内所有数据比特极性，数据运算量的增长是线性的，克服了遍历所有可能性时运算量的指数增长。

所述方法包括以下步骤：

1)总相干积分时间T_coherent包括N个完整的数据码比特时间，即把总的相干积分时间T_coherent等分为若干段，T_coherent/T_D＝N，N为正整数，T_D为数据码码宽；

2)同一个数据码比特时间T_D划分为M段，每一段时间长度为T_segment，T_D/T_segment＝M，M为正整数，即每一段的相干积分时间为T_segment，每一段T_segment的相干积分的结果为V_seg；

3)将同一个数据码比特时间T_D的各个T_segment的相干积分结果V_seg直接相加，得到各数据码比特时间相干积分结果相加值为V_bit；

4)假定第一个V_bit的极性，然后以此假定极性，按照最大似然原理，随后的第二个V_bit的极性按照同相和反相分别计算两数据比特总的相干积分结果，取最大值作为真正的两数据比特总的相干积分结果V_sum，并取得第二个数据比特相对第一个数据比特的极性；

5)后续V_bit按照同样方式处理，极性确定后继续累加到V_sum，最终确定一条能够获得V_sum最大值的通路，取得总相干积分时间T_coherent内的总相干积分结果V_sum。

其中，步骤2)中，取T_C≤T_segment≤T_D，T_C为测距码码宽；即同一个数据码比特时间T_D内的每一段的相干积分时间T_segmen不小于测距码码宽T_C。

当位同步未完成即导航电文数据边界未确定时，依据卫星信号的速率和结构，本发明的方法同样适用。如图4所示，以北斗系统B1I信号支路的D1导航电文和D2导航电文为例。D1导航电文速率为50bps，并调制有速率为1kbps的二次编码；D2导航电文速率为500bps。MEO/IGSO卫星的B1I信号播发D1导航电文，GEO卫星的B1I信号播发D2导航电文。D1导航电文上调制的二次编码是指在速率为50bps的D1导航电文上调制一个Neumann-Hoffman码(以下简称NH码)。该NH码周期为1个导航信息位的宽度，NH码1比特宽度则与扩频码周期相同。D1导航电文中一个信息位宽度为20毫秒，扩频码周期为1毫秒，因此采用20比特的NH码(0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0)，码速率为1kbps，码宽为1毫秒，与导航信息码和扩频码同步调制。

对于D1导航电文，可以以T_segment＝1ms采样T_D＝20ms的数据，然后在这些数据内根据NH码的确定性，依据最大似然原理，寻找到具有最大功率的NH码顺序移位通路，将原来的1ms相干积分时间扩展至20ms。

对于D2导航电文，其T_D＝2ms相对较短，根据这个特性，可以先随即选择T₀时刻并假定该时刻就为导航数据边界，开始利用本发明做长时间相干积分，然后在T₀+1ms时刻再做一遍相同时间的相干积分。最后再依据最大似然原理，选择二次中的较大值作为该次积分的结果。

对于其他导航信号结构，同样可以利用本发明的方法，即利用最大似然原理，在不确定数据极性的情况，确定出一条最合理的数据极性通路，达到加长相干积分时间的目的。

相干积分能提高信噪比，然而这并不表示信号跟踪可以任意地加长相干积分时间。相干积分的增益G_coh定义为：

G_coh＝10lg(B_pdT_coh) (3)

式中B_pd为相关器之前的噪声带宽，T_coh为相干积分时间。如图5所示，是相干积分时间与相干积分增益关系图。相干积分时间增长到一定程度，相干积分增益的变化不明显。本发明的相干积分算法可以加长相干积分时间，不涉及非相干积分，可以结合非相干积分，继续提升积分增益，进一步提高信噪比。

同时可以在寻找最大功率V_sum的通路的过程中，利用中间运算结果，运用各种相位锁定环路(PLL)、频率锁定环路(FLL)和延迟锁定环路(DLL)的鉴相和鉴频算法，维持跟踪环路的稳定。因为积分增益增加，所以跟踪环路的稳定性和精度也会得到提升。因此本发明的方法可应用于各种相位锁定环路PLL、频率锁定环路FLL和/或延迟锁定环路中。

本发明的方法可以应用于各种卫星导航体制，包括美国的GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，欧洲的伽利略系统，中国的北斗系统，以及以后可能出现的新的卫星导航体制和新的导航卫星信号。也可以处理广域增强卫星信号，包括现有的北美的WAAS系统、欧洲的EGNOS系统，以及以后可能出现的新的广域增强卫星系统。

通过以上分析可以看出，本发明的方法可以使各种模式的卫星信号跟踪避开其导航电文速率和结构的限制，加长相干积分时间，提高跟踪的灵敏度、稳定性及观测量的精度，同时保持数据运算量线性增长，从而提升单模和多模卫星导航接收机的性能。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于最大似然相干积分的卫星导航信号跟踪方法，其特征在于，在卫星导航信号跟踪阶段的载波跟踪环路中，在同一个数据码比特时间内的相干积分结果相加后，按照最大似然原理，依次递推随后的各个数据码比特时间内的相干积分结果相加值的极性，确定出最合理的数据极性通路，获得不同数据码比特时间相干积分结果相加的最大值，将总的相干积分时间加长到N个完整的数据码比特时间；

所述方法包括以下步骤：

1)总相干积分时间T_coherent包括N个完整的数据码比特时间，即把总的相干积分时间T_coherent等分为若干段，T_coherent/T_D＝N，N为正整数，T_D为数据码码宽；

2)同一个数据码比特时间T_D划分为M段，每一段时间长度为T_segment，T_D/T_segment＝M，M为正整数，即每一段的相干积分时间为T_segment，每一段T_segment的相干积分的结果为V_seg；

3)将同一个数据码比特时间T_D的各个T_segment的相干积分结果V_seg直接相加，得到各数据码比特时间相干积分结果相加值为V_bit；

4)假定第一个V_bit的极性，然后以此假定极性，按照最大似然原理，随后的第二个V_bit的极性按照同相和反相分别计算两数据比特总的相干积分结果，取最大值作为真正的两数据比特总的相干积分结果V_sum，并取得第二个数据比特相对第一个数据比特的极性；

5)后续V_bit按照同样方式处理，极性确定后继续累加到V_sum，最终确定一条能够获得V_sum最大值的通路，取得总相干积分时间T_coherent内的总相干积分结果V_sum。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，取T_C≤T_segment≤T_D，T_C为测距码码宽；即同一个数据码比特时间T_D内的每一段的相干积分时间T_segmen不小于测距码码宽T_C。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总相干积分时间由获得的相干积分的增益G_coh定义为：

G_coh＝10lg(B_pdT_coh)

式中B_pd为相关积分之前的噪声带宽，T_coh为总相干积分时间。

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