CN108267755B - 一种导航信号的跟踪处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种导航信号的跟踪处理方法，该方法首先选择1ms预检积分时间对导航信号进行捕获跟踪，其次对导航信息数据位进行位同步确定出数据位翻转的位置，最后增加预检积分时间，对导航信号继续进行跟踪。工程实现的结果表明，本文采用的增加预检积分时间的跟踪处理方法，不仅不受电文数据位翻转的影响，还减少了环路执行时间和提高了硬件资源使用率。

Description

一种导航信号的跟踪处理方法

技术领域

本发明涉及卫星导航定位技术领域，特别涉及一种导航信号的跟踪处理方 法。

背景技术

随着全球卫星导航定位系统的不断发展，导航接收机需要接收处理的信号 从单系统增加到多系统，接收处理的卫星数由4颗增加到8颗甚至所有可视卫 星，接收处理的频点从单频到双频甚至多频；同时一个系统的一个频点的信号 分量有1-4个。可见，如今对导航接收机要求接收处理的系统数、卫星数、频 点数和信号分量越来越多，由于每个系统内每颗卫星的每个频点内的每个信号 分量均需要独立的跟踪通道，则在设计多系统多频点导航接收机时必然需要接 收机所允许支持的最大的信号通道数目。

不同的信号通道之间相同并独立地运行，其中每个通道均包括FPGA实现 的数字信号处理和DSP实现的信号跟踪环路控制两部分，并且他们对卫星信号 的处理过程也相同。由于FPGA芯片具有并行处理的特点，每一个通道进行载 波解调和C/A码解扩都需要一定的乘法器、相关器和积分器等硬件资源，从而 不同通道可以同时进行高速运算。可见，FPGA芯片的硬件资源限制了信号通 道数。

DSP芯片数学运算能力强，但只能串行处理，各个通道依次利用同一段软 件程序对相应通道跟踪环路的硬件空间进行读写、计算和控制，同时各个通道 需要独立的内存空间来存储相应的硬件参数。可见，DSP芯片的软件存储资源 限制了信号通道数。同时DSP软件部分包含多个功能模块，分别通过中断和线 程来实现，其中捕获、跟踪和观测量提取的实时性要求高，通过执行优先权最 高的中断中进行。由于中断执行周期是固定的，所以在执行周期内的处理能力 就限制了信号通道数。

由上述分析可见，限制信号通道数的因素有FPGA、DSP芯片硬件存储资 源和DSP中断执行时间等。对实例工程中每一个信号通道的FPGA硬件资源和 DSP硬件存储资源以及执行时间进行分析和统计，结果如表1所示：

表1 接收机软硬件资源分析

备注：单通道的FGPA和DSP资源占用量是根据已经研制的接收机工程 进行分析得到的，且已经将通道之外的资源平摊到各个通道中。DSP执行资源 主要指优先权最高的中断执行时间资源，主要包括通道执行时间9us和其他软 件的执行时间3us。从表1可以看出，限制最大通道数M的主要因素是DSP芯 片的执行时间。故需要采用增加预检积分时间的方法来解决这个问题。

可是在现实中，闻长远等《高轨环境下BDS弱信号跟踪技术研究》提到针 对北斗系统的GEO卫星数据率500bps的情况下，限制预检积分时间只能为 2ms，同时陈坡的《GNSS/INS深组合导航理论与方法研究》也提到增加预检积 分时间的技术受到导航电文数据位翻转的限制。故本文针对该问题进行研究并 提供了一种不受导航电文数据位翻转影响的增加预检积分时间方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种导航信号的跟 踪处理方法，解决了增加预检积分时间受导航电文数据位翻转影响的问题。

本发明的技术方案是：

一种导航信号的跟踪处理方法，包括以下步骤：

1)根据环路对动态应力的需求，选择环路预检积分时间，捕获跟踪导航 信号，获得环路积分值；

2)当环路跟踪锁定后，对环路积分值中的导航电文数据位进行位同步， 若位同步不锁定则进入步骤1)重新捕获跟踪导航信号，若位同步锁定，则确 定导航电文数据位的起始位置，根据导航电文数据位的起始位置获得导航电文 数据位信号电平；

3)根据导航电文数据位位同步锁定状态持续时间，增加环路预检积分时 间，在环路预检积分时间内，根据导航电文数据位信号电平，累加环路积分值， 获得环路积分累加值；

4)若环路锁定，则对环路积分累加值进行鉴相和滤波，获得载波和伪码 的相位差；若环路不锁定，则进入步骤1)重新捕获跟踪导航信号；

5)修正和收敛载波、伪码的相位差，直至环路输出的载波、伪码频率和 导航信号载波、伪码相一致，完成环路跟踪工作。

所述环路包括载波环路和伪码环路。

所述步骤3)中根据导航电文数据位位同步锁定状态，增加预检积分时间 的具体方法如下：

31)在导航电文数据位首次实现位同步后，记录导航电文数据位位同步锁 定状态持续时间；

32)若导航电文数据位位同步锁定状态持续一定时间，则增加环路预检积 分时间；若导航电文数据位位同步锁定状态不能持续一定时间，则进入步骤2)。

所述一定时间范围为5-15s。

所述环路积分值为环路中同相支路的超前、即时和滞后的三路环路积分值 和正交支路的超前、即时和滞后的三路环路积分值；

所述导航电文数据位为环路积分值中同相支路的即时路积分值。

所述累加环路积分值的具体方法为：当导航电文数据位信号电平为1时， 分别对六路环路积分值进行累加，当导航电文数据位信号电平为-1时，六路环 路积分值先乘以-1后再分别进行累加。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)采用先确定导航电文数据位信号电平为1或者-1的时刻后再增加预检 积分时间的处理方法，解决了预检积分时间受导航电文数据位翻转影响的问题；

(2)采用增加预检积分时间的方法，延长了环路闭环周期，提高了环路执 行时间的利用率，从而提高了多系统多频点导航接收机跟踪通道数。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：

《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1C和B2a(测 试版)》指出北斗三号新增的导航信号B2a的信息速率为200bps，即其每导航 电文数据位周期为5ms。为了证明本文设计的增加预检积分时间不受电文数据 位翻转的影响，本文将基于北斗三号B2a信号进行10ms预检积分时间的典型 应用。B2a信号经过接收天线和低噪声放大器处理后，得到的射频信号首先进 入射频处理模块，完成模拟下变频处理，得到模拟中频信号，其次经过AD采 集后，进入中频和信息处理模块，完成信号的中频处理和抗干扰功能，得到数 字中频信号，再次进入基带处理模块，完成信号的解扩解调，得到需要的观测 数据。

本发明提供了一种导航信号的跟踪处理方法，该方法采用增加预检积分时 间的方式来实现，且在实现过程中不受导航电文数据位翻转的影响。本方面的 具体实现流程图如图1所示，具体步骤如下：

(一)增加预检积分时间

11)在B2a信号跟踪阶段，环路预检积分时间选择1ms，获得环路中同相 和正交支路的超前、即时和滞后的六路环路积分值，分别是IE和QE、IP和 QP、IL和QL；其中同相支路的即时路积分值IP又为导航电文数据位，环路每 1ms均需要按流程完成闭环周期内所有工作；

12)对导航电文数据位进行位同步，若位同步不锁定则进入步骤11)，若 位同步锁定，则确定出导航电文数据位的起始位置，明确出导航电文数据位信 号电平为1或者-1的时刻；

13)当位同步锁定后，用位同步锁定时间计数器lock_time_Nms来记录位 同步锁定状态；当位同步锁定时间计数器lock_time_Nms的计数值持续到10s 后，预检积分时间切换标志pll_Nmsmode置为有效，令环路进入10ms预检积 分时间的阶段，并将lock_time_Nms清零；如果位同步锁定时间计数器 lock_time_Nms持续不到10s，将时间切换标志pll_Nmsmode置为无效和 lock_time_Nms清零，同时回到步骤12)；

14)当进入10ms预检积分时间的阶段后，根据导航电文数据位信号电平 为1或者-1的时刻，当导航电文数据位信号电平为1时，对六个环路积分值分 别进行累加，当导航电文数据位信号电平为-1时，对六个环路积分值先乘以-1 后再分别进行累加，连续累加10次后获得对应的六个环路积分累加值，分别是 IE_Nms和QE_Nms、IP_Nms和QP_Nms、IL_Nms和QL_Nms；

15)判断环路进入10ms预检积分时间的阶段后是否锁定，若锁定则对六 个环路积分累加值进行鉴相和滤波，获得载波和伪码的相位差，若不锁定则将 时间切换标志pll_Nmsmode置为无效和lock_time_Nms清零，同时回到步骤11) 重新进行1ms预检积分时间的跟踪；

16)环路每10ms按流程完成闭环周期内所有工作，并将计算得到的相位 差CARRIER_DCO_INCR和CODE_DCO_INCR进行修正和收敛，而其他第 1-9ms只处理载波环和码环之外其他实时性更高的工作。

(二)对环路执行时间进行测量

由于增加预检积分时间主要影响跟踪环路的执行时间，为了便于分析，将 1ms预检积分时间的状态定义为原状态，将增加预检积分时间到10ms的状态定 义为新状态。

21)对原状态和新状态的环路执行时间进行测量，设置一个比特位，进入 任务模块时置高(置1)，退出时置低(置0)；

22)通过硬件测试脚将该比特位的状态引出，连接到示波器分析该比特位 对应的硬件引脚波形，信号的高电平持续时间即为该任务模块的执行时间；

23)同时由于任务模块被中断悬置后，电平依然为高，所以在测量任务模 块实际使用资源的情况时，需将比其优先级高的所有任务模块波形取反，与该 任务模块波形相与；

34)对测量结果进行分析得到在新状态情况下，第10ms的单接收通道跟 踪模块在中断闭环时间内占用的执行时间和原状态相等，而其他1-9ms的执行 时间是原状态的一半，经统计新状态所占的总执行时间是原状态的55％。具体 实测的数据如表2所示。

表2 不同情况下跟踪模块的执行时间

因此，采用增加预检积分时间的方法能提高环路执行时间效率，进而提高 硬件资源使用率。目前，本文提到的接收机一个基带处理模块的同时跟踪通道 数增加到140个通道。同时结合表1对通道占用硬件资源的分析，一个基带处 理模块的硬件资源和执行时间均满足140个通道的要求。

当接收机环路信号处理软件经过增加预检积分时间的处理后，能同时处理 更多的跟踪通道，便能同时接收处理更多系统更多频点的导航信号。综上所述， 在相同硬件资源下，增加预检积分时间的方法能提高多系统多频点导航接收机 同时跟踪通道数。

本文提出的一种导航信号的跟踪处理方法不仅适用于文中提到的B2a信 号，同时适用于GNSS内各个信号分量，且该方法已经在已研制的4系统多频 点导航接收机中得到很好的应用.

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想 到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。

Claims (6)

1.一种导航信号的跟踪处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据环路对动态应力的需求，选择环路预检积分时间，捕获跟踪导航信号，获得环路积分值；

2)当环路跟踪锁定后，对环路积分值中的导航电文数据位进行位同步，若位同步不锁定则进入步骤1)重新捕获跟踪导航信号，若位同步锁定，则确定导航电文数据位的起始位置，根据导航电文数据位的起始位置获得导航电文数据位信号电平；

3)根据导航电文数据位位同步锁定状态持续时间，增加环路预检积分时间，在环路预检积分时间内，根据导航电文数据位信号电平，累加环路积分值，获得环路积分累加值；

4)若环路锁定，则对环路积分累加值进行鉴相和滤波，获得载波和伪码的相位差；若环路不锁定，则进入步骤1)重新捕获跟踪导航信号；

5)修正和收敛载波、伪码的相位差，直至环路输出的载波、伪码频率和导航信号载波、伪码相一致，完成环路跟踪工作。

2.根据权利要求1所述的一种导航信号的跟踪处理方法，其特征在于：所述环路包括载波环路和伪码环路。

3.根据权利要求1所述的一种导航信号的跟踪处理方法，其特征在于，所述步骤3)中根据导航电文数据位位同步锁定状态，增加预检积分时间的具体方法如下：

31)在导航电文数据位首次实现位同步后，记录导航电文数据位位同步锁定状态持续时间；

32)若导航电文数据位位同步锁定状态持续一定时间，则增加环路预检积分时间；若导航电文数据位位同步锁定状态不能持续一定时间，则进入步骤2)。

4.根据权利要求3所述的一种导航信号的跟踪处理方法，其特征在于：所述一定时间范围为5-15s。

5.根据权利要求1-4任意之一所述的一种导航信号的跟踪处理方法，其特征在于：

所述环路积分值为环路中同相支路的超前、即时和滞后的三路环路积分值和正交支路的超前、即时和滞后的三路环路积分值；

所述导航电文数据位为环路积分值中同相支路的即时路环路积分值。

6.根据权利要求5所述的一种导航信号的跟踪处理方法，其特征在于，所述累加环路积分值的具体方法为：当导航电文数据位信号电平为1时，分别对六路环路积分值进行累加，当导航电文数据位信号电平为-1时，六路环路积分值先乘以-1后再分别进行累加。

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