CN109425877B - 基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收机处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数据处理方法，具体涉及一种基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收机处理方法。它包括：步骤1、卫星信号捕获，卫星信号捕获可能从下述三个状态中的任意一个开始：冷启动、热启动、失锁重定位；步骤2、卫星信号跟踪，(2.1)缩小跟踪环路等效噪声带宽，采用芯片级原子钟，以减小误差，提高精度；(2.2)增长跟踪环路相干积分时间，采用芯片级原子钟，积分时间从1ms增加到1s；步骤3、导航定位。本发明的有益效果是：在卫星接收机设计中采用芯片级原子钟代替传统晶振，如温补晶振或者恒温晶振，芯片级原子钟具有体积小、功耗低的特性，可作为板级时钟为便携设备配备高精度时钟。

Description

基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收机处理方法

技术领域

本发明属于数据处理方法，具体涉及一种基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收机处理方法。

背景技术

我国“北斗二号”卫星导航系统(简称BD2)已投入使用，BD2卫星接收机在国内民用市场广泛应用是大势所趋。同时由于BD2信号某些频段伪随机码设计为长码，并且加密，这为军方提供了另一种高精度导航定位手段，摆脱了对GPS、GLONASS等卫星导航系统的依赖，实现了卫星导航的独立自主，提高了在战场环境下系统的可用性与可靠性。

由于BD2卫星导航系统的军码信号相比民码信号在抗干扰能力和保密性方面的优势，武器系统需要优先使用军码信号。考虑在战时民码信号不可用的情况下，在提供本地时间±1s的精度下对军码进行直接捕获，以BD2B3频点为例，码速率为10.23MHz，需要搜索40920000个半码片，大大多于民码20460的码周期。这为军码信号的应用上带来困难，尤其是捕获时间长、定位时间长、失锁重定位慢、捕获灵敏度不高等诸多不便。

以原子振动频率为基础的时间(或频率)已经进入10^-18量级，1967年召开的第13届国际计量大会标志着时间计量逐步进入原子时(AT)时代。近几年来,原子钟的发展迅速,稳定度在不断的提高。根据不同领域的要求,目前原子钟的稳定度可以分为几个级别,用于人类生活的原子钟稳定度为10^-5量级,用于实验室电子仪器的原子钟稳定度为10^-8量级,用于精密科学领域的原子钟稳定度为10^-11量级,用于潜艇导航、精密观测的原子钟稳定度为10^-13量级。原子钟自出现以来,以其极高的时间准确度和频率稳定度在国际基准时间发布、全球定位与导航、高速数字通信、保密通信、精密计量等方面获得了成功的应用。氢钟、铯钟和铷钟等传统原子钟由于体积、功耗偏大，价格昂贵等因素大大限制了它的应用范围，其应用形式为单独设备或内置于设备的部件，应用范围也基本上局限在高端设备或系统。原子钟的微型化和低成本化将极大拓展原子钟的应用,是原子钟技术发展的趋势之一。

美国国家标准局NIST采用MEMS工艺于2002年研制出了体积仅lcm³的CPT钟量子物理部分，并将这种制造工艺与体积、功耗与芯片相似的CPT钟命名为芯片原子钟(ChipScaleAtomicClock，CSAC)。芯片级原子钟的发展目标是保持较高频率长期稳定度的条件下实现微型化和极低功耗,用于需要高精度频标的便携式设备,如高精度GPS定位和导航接收机、带宽保密通信系统等。基于微电子机械系统(MEMS)批量制造工艺的CPTCSAC技术,具有体积小、功耗低、可批量化制造等优点,是目前原子钟技术研究的热点方向。美国国家标准与技术研究所(NIST)于2004年研制出了CSAC样机,其物理系统体积仅为9.5mm³,秒级频率稳定度为2.5×10^-10,总功耗小于75mW；美国Symmetricom、DraperLab和Sandia国家实验室于2005年联合研制出的CSAC,包含外围电路总体积10cm³,总功耗小于200mW,短期频率稳定度为4×10^-10；美国Honeywell公司2007年研制出总体积1.7cm³,总功率预算57mW,1h阿伦偏差为5×10^-12的CSAC。

高精度原子钟在卫星接收机上的应用，可以辅助接收机缩小信号伪随机码相位捕获范围，有助于提升卫星接收机性能，特别是大幅缩短接收机首次定位时间和失锁重定位时间，尤其是对于BD2军码接收机。随着芯片级原子钟逐步成熟应用，使得BD2军码接收机的性能提升成为可能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号处理方法。

本发明是这样实现的：一种基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收方法，其中，包括下述步骤

步骤1、卫星信号捕获

卫星信号捕获从下述三个状态中的任意一个开始：冷启动、热启动、失锁重定位；

步骤2、卫星信号跟踪

(2.1)缩小跟踪环路等效噪声带宽

采用芯片级原子钟，以减小误差，提高精度；

(2.2)增长跟踪环路相干积分时间

采用芯片级原子钟，积分时间从1ms增加到1s；

步骤3、导航定位

(3.1)卫星导航定位过程，除可以确定接收机的位置和速度外，还可以确定本地时钟与卫星上时间系统的钟差，通过修正本地时钟的钟差来到达与卫星上标准时间系统同步的目的，该时间信息可以对外输出用于外部设备时间的同步，也可以在接收机断电时，精确维持时间的更新，

(3.2)接收机定位解算的过程，把本地时间钟差作为一项未知数，采用最小二乘法进行求解，通过判定芯片级原子钟时间与卫星上时间之间的差确定卫星信息是否错误；若时钟差在毫秒级，判定为正常卫星，大于毫秒级判定为故障卫星。

如上所述的一种基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收方法，其中，所述的步骤1中的冷启动、热启动、失锁重定位分别是指：

(1.1)冷启动，

卫星接收机通电后开始工作，首先进行捕获卫星信号的操作，卫星信号捕获是一个三维搜索过程，即要进行不同卫星号的搜索，也要进行卫星信号载波频率的搜索，同时也要进行伪随机码相位的搜索，

卫星导航信号一般至少有超过10颗卫星分布在太空中，只针对接收机天线视野中的卫星号进行搜索，而不是漫天搜索卫星，可以节省不少搜索时间，芯片级原子钟在接收机通电时提供精确的时间信息t1，利用通电时接收机大致的位置估计，以及t1信息，结合卫星历书按ICD文件提供的卫星位置算法可以估计接收机天线视野内的卫星号，则接收机不用对所有卫星进行搜索，只针对可见卫星搜索即可，

载波频率搜索的步进根据搜索数据的长度来确定，利用1ms数据进行搜索，则频率搜索步进一般设置为1KHz，所以搜索±10KHz的频率范围，需要搜索20次；

伪随机码搜索的步进一般为0.5码片，短码信号周期为1ms，而长码信号码周期为一星期，如果不知道当前确切的时间，则卫星接收机无法捕获时长达一周的信号，即接收机不能工作，一般长码接收机在开机时会有外部授时，授时精度为±1s的时间不确定度，冷启动需要搜索±1s时间长度的码相位，也就是需要搜索40920000次才能搜索到真正的码信号，如果并行搜索每一百次需要1ms，则长码信号的搜索需要很长的时间，需要409.20s，所以如何快速搜索到卫星信号是长码卫星接收机设计的最大难点，目前主要采取技术有频域FFT技术、PMF-FFT技术，

在采用芯片级原子钟后，芯片级原子钟为通电后的接收机提供了精确的时间信息，该时间一般和UTC标准时间系统同步，则卫星接收机就可知道当前精确的时间t1，即可知道当前天空中导航卫星发射出的长码信号的码相位，减去粗略估计的传播时间Δt，就可以计算得到当前接收信号的码相位范围：

t2＝t1-Δt

其中，Δt一般估计范围为60～130ms之间，则整个长码信号捕获范围为60～130ms，是先前±1s捕获范围的3％～6.5％，所以捕获时间也将是原来的3％～6.5％，即捕获速度有了大幅的提高，使得长码接收机1min内定位成为可能，有效解决了长码捕获时间长的难题，降低了接收机设计的难度，

(1.2)热启动

在热启动过程中，芯片级原子钟提供了精确的时间信息t1，一方面该时间用于判断储存于硬件电路FLASH芯片中星历的有效性，一方面用于缩短码相位搜索范围，以提高捕获速度，

一般接收机设计在FLASH芯片中存储实时解析出来的星历，星历中具有标识出星历信息参考时刻的参数t_oe，若t1与t_oe在一定时间范围内，可以认为存储于FLASH芯片的星历在有效内，可以继续使用，即为热启；否则需要重新解析星历，即为冷启动，

芯片级原子钟时间信息用于缩短码相位搜索范围过程与冷启动过程相同，

(1.3)失锁重定位

卫星接收机在工作过程中，由于天线被遮挡，造成卫星信号短暂接收不到，则卫星接收机进入失锁状态，在接收机天线重新可以接收信号时，需要接收机快速定位，若失锁时，芯片级原子钟时间信息为t3，卫星信号码相位为p1，失锁过程持续Δt1，则在重新接收信号时码相位估计为p2＝p1+Δt1×10230000，以p2为基础，在小范围内进行搜索，±10码片，则可以快速搜索到卫星信号，

在搜索到卫星信号后，对卫星信号跟踪通道观测量进行基于t3+Δt1时间的估计，则很快就会得到卫星信号发射时刻的精确估计，此时不需要位同步、帧同步，立即可以参与定位。

本发明的有益效果是：在卫星接收机设计中采用芯片级原子钟代替传统晶振，如温补晶振或者恒温晶振，芯片级原子钟具有体积小、功耗低的特性，可作为板级时钟为便携设备配备高精度时钟。芯片级原子钟的应用为卫星接收机提供比普通晶振精度高几个量级的时间或频率信息，在硬件方面有利于混频后模拟中频信号频率精确度和ADC采样精度性的提高，同时提高了基带信号处理工作时钟的精确性；在算法处理方面，精确的时间信息为缩短首颗卫星捕获、失锁重捕、压缩环路跟踪带宽等算法的实现提供了可能，提升了接收机整体性能；特别是对于长码接收机，如BD2军码接收机，用芯片级原子钟提供的精确守时信息，可有效缩短首颗卫星的伪随机码相位捕获范围，大幅缩短接收机的定位时间。

具体实施方式

一种基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收方法，其中，包括下述步骤

步骤1、卫星信号捕获

卫星信号捕获从下述三个状态中的任意一个开始：冷启动、热启动、失锁重定位；

(1.1)冷启动，

卫星接收机通电后开始工作，首先进行捕获卫星信号的操作，卫星信号捕获是一个三维搜索过程，即要进行不同卫星号的搜索，也要进行卫星信号载波频率的搜索，同时也要进行伪随机码相位的搜索，

卫星导航信号一般至少有超过10颗卫星分布在太空中，只针对接收机天线视野中的卫星号进行搜索，而不是漫天搜索卫星，可以节省不少搜索时间，芯片级原子钟在接收机通电时提供精确的时间信息t1，利用通电时接收机大致的位置估计，以及t1信息，结合卫星历书按ICD文件提供的卫星位置算法可以估计接收机天线视野内的卫星号，则接收机不用对所有卫星进行搜索，只针对可见卫星搜索即可，

载波频率搜索的步进根据搜索数据的长度来确定，利用1ms数据进行搜索，则频率搜索步进一般设置为1KHz，所以搜索±10KHz的频率范围，需要搜索20次；

伪随机码搜索的步进一般为0.5码片，短码信号周期为1ms，而长码信号码周期为一星期，如果不知道当前确切的时间，则卫星接收机无法捕获时长达一周的信号，即接收机不能工作，一般长码接收机在开机时会有外部授时，授时精度为±1s的时间不确定度，冷启动需要搜索±1s时间长度的码相位，也就是需要搜索40920000次才能搜索到真正的码信号，如果并行搜索每一百次需要1ms，则长码信号的搜索需要很长的时间，需要409.20s，所以如何快速搜索到卫星信号是长码卫星接收机设计的最大难点，目前主要采取技术有频域FFT技术、PMF-FFT技术，

在采用芯片级原子钟后，芯片级原子钟为通电后的接收机提供了精确的时间信息，该时间一般和UTC标准时间系统同步，则卫星接收机就可知道当前精确的时间t1，即可知道当前天空中导航卫星发射出的长码信号的码相位，减去粗略估计的传播时间Δt，就可以计算得到当前接收信号的码相位范围：

t2＝t1-Δt

其中，Δt一般估计范围为60～130ms之间，则整个长码信号捕获范围为60～130ms，是先前±1s捕获范围的3％～6.5％，所以捕获时间也将是原来的3％～6.5％，即捕获速度有了大幅的提高，使得长码接收机1min内定位成为可能，有效解决了长码捕获时间长的难题，降低了接收机设计的难度，

(1.2)热启动

在热启动过程中，芯片级原子钟提供了精确的时间信息t1，一方面该时间用于判断储存于硬件电路FLASH芯片中星历的有效性，一方面用于缩短码相位搜索范围，以提高捕获速度，

一般接收机设计在FLASH芯片中存储实时解析出来的星历，星历中具有标识出星历信息参考时刻的参数t_oe，若t1与t_oe在一定时间范围内，可以认为存储于FLASH芯片的星历在有效内，可以继续使用，即为热启；否则需要重新解析星历，即为冷启动，

芯片级原子钟时间信息用于缩短码相位搜索范围过程与冷启动过程相同，

(1.3)失锁重定位

卫星接收机在工作过程中，由于天线被遮挡，造成卫星信号短暂接收不到，则卫星接收机进入失锁状态，在接收机天线重新可以接收信号时，需要接收机快速定位，若失锁时，芯片级原子钟时间信息为t3，卫星信号码相位为p1，失锁过程持续Δt1，则在重新接收信号时码相位估计为p2＝p1+Δt1×10230000，以p2为基础，在小范围内进行搜索，±10码片，则可以快速搜索到卫星信号，

在搜索到卫星信号后，对卫星信号跟踪通道观测量进行基于t3+Δt1时间的估计，则很快就会得到卫星信号发射时刻的精确估计，此时不需要位同步、帧同步，立即可以参与定位。

步骤2、卫星信号跟踪

由于芯片级原子钟精度和稳定度都很高，也就是其相位噪声很小，所以为接收机信号跟踪环路带来两方面的设计改进：

(2.1)缩小跟踪环路等效噪声带宽

卫星信号跟踪环路稳定跟踪信号，必须容忍信号中由于热噪声、动态应力以及时钟引起的阿仑方差带来的误差，误差越大，则环路噪声带宽需要设置越大，否则不能稳定跟踪信号，即信号越容易失锁。

在采用芯片级原子钟后，由于其相位噪声比普通晶振小几个量级，所以环路中信号误差会有很大程度的减小，此时可以用小的跟踪环路带宽跟踪信号，而减小环路跟踪带宽有利于提高信号跟踪精度。

(2.2)增长跟踪环路相干积分时间

采用芯片级原子钟，信号处理时钟的精度和稳定度都有了很大的提高，精确的时钟使得更长时间的积分成为可能。例如在弱信号处理过程中，在预知导航电文的基础上，增加相干积分时间，如从通常的1ms增加到1s，则信号灵敏度会有30dB的提高，此时环路更新率为1Hz，若采用普通晶振，由于相位噪声太大，会降低相干积分的处理增益，达不到弱信号接收的目的。

步骤3、导航定位

芯片级原子钟在导航定位过程中，可以对外提供精确的授时和守时信息，另外也可以参与RAIM算法，识别故障星，保证定位过程的可靠。

(3.1)卫星导航定位过程，除可以确定接收机的位置和速度外，还可以确定本地时钟与卫星上时间系统的钟差，通过修正本地时钟的钟差来到达与卫星上标准时间系统同步的目的，该时间信息可以对外输出用于外部设备时间的同步，也可以在接收机断电时，精确维持时间的更新。

(3.2)接收机定位解算的过程，一般把本地时间钟差作为一项未知数，采用最小二乘法进行求解。芯片级原子钟钟差与卫星上时间之间维持很小的一个误差，如果在定位解算过程中，求解出来的钟差很大，则可推算出所用定位卫星信息有错误，也就是存在故障星。通过遍历排除一颗卫星参与定位过程，若此时求解钟差很小，则可以判别此星为故障星，此时即使只有四颗卫星也可识别出故障卫星，提高了系统的自主完好性(RAIM)，效果比目前算法更好。

Claims (2)

1.一种基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收方法，其特征在于：包括下述步骤

步骤1、卫星信号捕获

卫星信号捕获从下述三个状态中的任意一个开始：冷启动、热启动、失锁重定位；

步骤2、卫星信号跟踪

(2.1)缩小跟踪环路等效噪声带宽

采用芯片级原子钟，以减小误差，提高精度；

(2.2)增长跟踪环路相干积分时间

采用芯片级原子钟，积分时间从1ms增加到1s；

步骤3、导航定位

(3.1)卫星导航定位过程，除可以确定接收机的位置和速度外，还可以确定本地时钟与卫星上时间系统的钟差，通过修正本地时钟的钟差来到达与卫星上标准时间系统同步的目的，该时间信息可以对外输出用于外部设备时间的同步，也可以在接收机断电时，精确维持时间的更新，

(3.2)接收机定位解算的过程，把本地时间钟差作为一项未知数，采用最小二乘法进行求解，通过判定芯片级原子钟时间与卫星上时间之间的差确定卫星信息是否错误；若时钟差在毫秒级，判定为正常卫星，大于毫秒级判定为故障卫星。

2.如权利要求1所述的一种基于芯片级原子钟的导航卫星长码信号接收方法，其特征在于：所述的步骤1中的冷启动、热启动、失锁重定位分别是指：

(1.1)冷启动，

卫星接收机通电后开始工作，首先进行捕获卫星信号的操作，卫星信号捕获是一个三维搜索过程，即要进行不同卫星号的搜索，也要进行卫星信号载波频率的搜索，同时也要进行伪随机码相位的搜索，

卫星导航信号一般至少有超过10颗卫星分布在太空中，只针对接收机天线视野中的卫星号进行搜索，而不是漫天搜索卫星，可以节省不少搜索时间，芯片级原子钟在接收机通电时提供精确的时间信息t1，利用通电时接收机大致的位置估计，以及t1信息，结合卫星历书按ICD文件提供的卫星位置算法可以估计接收机天线视野内的卫星号，则接收机不用对所有卫星进行搜索，只针对可见卫星搜索即可，

载波频率搜索的步进根据搜索数据的长度来确定，利用1ms数据进行搜索，则频率搜索步进一般设置为1KHz，所以搜索±10KHz的频率范围，需要搜索20次；

伪随机码搜索的步进一般为0.5码片，短码信号周期为1ms，而长码信号码周期为一星期，如果不知道当前确切的时间，则卫星接收机无法捕获时长达一周的信号，即接收机不能工作，一般长码接收机在开机时会有外部授时，授时精度为±1s的时间不确定度，冷启动需要搜索±1s时间长度的码相位，也就是需要搜索40920000次才能搜索到真正的码信号，如果并行搜索每一百次需要1ms，则长码信号的搜索需要很长的时间，需要409.20s，所以如何快速搜索到卫星信号是长码卫星接收机设计的最大难点，目前主要采取技术有频域FFT技术、PMF-FFT技术，

在采用芯片级原子钟后，芯片级原子钟为通电后的接收机提供了精确的时间信息，该时间一般和UTC标准时间系统同步，则卫星接收机就可知道当前精确的时间t1，即可知道当前天空中导航卫星发射出的长码信号的码相位，减去粗略估计的传播时间Δt，就可以计算得到当前接收信号的码相位范围：

t2＝t1-Δt

其中，Δt一般估计范围为60～130ms之间，则整个长码信号捕获范围为60～130ms，是先前±1s捕获范围的3％～6.5％，所以捕获时间也将是原来的3％～6.5％，即捕获速度有了大幅的提高，使得长码接收机1min内定位成为可能，有效解决了长码捕获时间长的难题，降低了接收机设计的难度，

(1.2)热启动

在热启动过程中，芯片级原子钟提供了精确的时间信息t1，一方面该时间用于判断储存于硬件电路FLASH芯片中星历的有效性，一方面用于缩短码相位搜索范围，以提高捕获速度，

一般接收机设计在FLASH芯片中存储实时解析出来的星历，星历中具有标识出星历信息参考时刻的参数t_oe，若t1与t_oe在一定时间范围内，可以认为存储于FLASH芯片的星历在有效内，可以继续使用，即为热启；否则需要重新解析星历，即为冷启动，

芯片级原子钟时间信息用于缩短码相位搜索范围过程与冷启动过程相同，

(1.3)失锁重定位

卫星接收机在工作过程中，由于天线被遮挡，造成卫星信号短暂接收不到，则卫星接收机进入失锁状态，在接收机天线重新可以接收信号时，需要接收机快速定位，若失锁时,芯片级原子钟时间信息为t3，卫星信号码相位为p1，失锁过程持续Δt1，则在重新接收信号时码相位估计为p2＝p1+Δt1×10230000，以p2为基础，在小范围内进行搜索，±10码片，则可以快速搜索到卫星信号，

在搜索到卫星信号后，对卫星信号跟踪通道观测量进行基于t3+Δt1时间的估计，则很快就会得到卫星信号发射时刻的精确估计，此时不需要位同步、帧同步，立即可以参与定位。