CN109597101A

CN109597101A - 基于fft卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法

Info

Publication number: CN109597101A
Application number: CN201811469394.XA
Authority: CN
Inventors: 陈树浩; 茅旭初; 吴博钊; 杨乾炜
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-04-09

Abstract

本发明涉及一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，包括以下步骤：1)获得B1C信号本地复现测距码；2)采用更长相干时间的FFT卫星信号搜索方法完成对B1C信号的捕获；3)对卫星信号通过由载波跟踪环路和码跟踪环路组成的跟踪环路将载波频差和测距码码片误差剥离，获取跟踪结果。与现有技术相比，本发明具有防止误捕、缩短跟踪时间、适用于微弱信号等优点。

Description

基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法

技术领域

本发明涉及卫星导航数据处理领域，尤其是涉及一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法。

背景技术

近年来全球卫星导航系统正处于高速发展的阶段，我国的北斗卫星导航系统(简称“北斗系统”)作为全球卫星导航系统供应商之一，也正按照“三步走”的发展战略稳步推进建设。为了达到全球覆盖以更好地服务我国乃至全球用户的需求，我国正在研发并组建北斗三号系统。到2020年左右，北斗三号系统将形成由3颗地球静止轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星和24颗中圆地球轨道卫星，共30颗组网卫星构成的星座，向全球用户提供开放、免费、高质量的定位、导航、授时、短报文、搜救等服务。

北斗三号卫星增加了性能更优的互操作信号，特别是在B1C信号中改变了测距码的生成方式以及信号调制方式从而在与GPS公用频段下依然能独立使用。特别是B1C信号采用了BOC调制，使得针对北斗三号卫星信号的跟踪方法与北斗二号大为不同。针对BOC调制的跟踪方法，国内外的研究成果积累主要体现在伽利略卫星方面。在目前的研究中，文献1“伽利略E1信号采集与分析研究”(吴中杰.上海交通大学,2009.)分析了BOC调制的特性并用常规跟踪环路跟踪真实伽利略E1信号，发现尽管导航电文数据存在且没有严重失锁但跟踪效果不理想呈现出面状而不是线状的跟踪值。因此提出改进的跟踪环算法即超超前和超滞后跟踪环，通过增加判据，提高跟踪性能。文献2“一种用于BOC(10,5)信号单边带BPSK-like捕获算法”(王晓君，路明洋，李仁浩.信息与电脑，2017(12):86-88.)将BOC的2个频率边带进行滤波合成后形成一个与二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)信号的自相关函数形状相同的单峰相关函数再使用以往针对BPSK调制的跟踪方法进行跟踪。

根据各类研究成果，已有多种涉及BOC调制的跟踪方法申请专利。如专利1“一种GNSS卫星导航信号的无模糊跟踪方法”(赵亮，翟建勇.CN10376057A[P].2014.)对接收的BOC信号和本地BOC信号加以改造,使二者逼近无子载波调制的BPSK调制信号,以较低的复杂度得到和BPSK调制信号一样具有单峰的相关函数,从而消除后续捕获过程和跟踪环路的模糊性,实现信号无模糊跟踪的目的；专利2“一种基于扩维SRUKF的高动态BOC扩频信号载波跟踪方法”(张天骐，张亚娟，张刚，徐昕.CN104483683A[P].2015.)将捕获到的BOC信号经过相位旋转和积分清零得到同相支路和正交支路两路信号,其次对两路信号进行叉积点积鉴频运算,然后根据得到的运算结果,建立扩维SRUKF模型,并以此来估计信号载波频率及其导数,最后根据得到的估计结果调整本地NCO。

然而，现有的针对BOC调制信号或微弱信号的跟踪方法存在以下不足：

文献1提出的方法硬件实现简单，在锁定主峰的情况下，能充分利用BOC自相关函数主峰较窄的优势来提高跟踪精度。但当误锁发生时，由于其判据较多，逻辑判断过程较慢，故其恢复时间很长。文献2和专利1提出的方法使BOC自相关函数的窄主峰特性被破坏，丧失了BOC信号在高精度跟踪方面的优势。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，用以实现微弱信号及BOC调制卫星信号的跟踪，包括以下步骤：

1)获得B1C信号本地复现测距码；

2)采用更长相干时间的FFT卫星信号搜索方法完成对B1C信号的捕获；

3)对卫星信号通过由载波跟踪环路和码跟踪环路组成的跟踪环路将载波频差和测距码码片误差剥离，获取跟踪结果。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)生成码长为N的weil码序列W(k；w)，其表达式为：

其中，L(k)为码长为N的legendre序列，w为两个legendre序列间的相位差，mod为模除运算，k为legendre序列长度；

12)对码长为N的weil码序列进行循环截取获得码长为N₀的测距码c(n；w；p)，其表达式为：

c(n；w；p)＝W((n+p-1)modN；w),n＝0,1,2,...,N₀-1

其中，p为截取点，即Weil码从p点开始进行截取取值范围为1～N，n为测距码码数；

13)对测距码进行0→1,1→-1的数据映射获得B1C信号主码；

14)对码长为N的weil码序列进行截取获得长度为N₁的B1C信号子码，并将主码和子码进行异或运算得到B1C信号的本地复现测距码。

所述的N取值为10243，N₀取值为10230，N₁取值为1800。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)生成本地正交载波，将卫星发射信号中的中频数据与本地正交载波相乘得到正交下变频信号，对正交下变频的输入数据进行降速处理后的数据进行FFT运算后取共轭记为x(n)；

22)获取对应卫星号的本地复现测距码序列LoCAcode，对本地复现测距码序列进行FFT运算得到经FFT运算的测距码，记为y(n)；

23)对x(n)和y(n)进行相关运算，得到即时相关值R[m]，则有：

其中，F^-1()表示FFT逆运算，F()表示FFT运算；

24)选取即时相关值R[m]的一个测距码周期数据进行相关峰值检测，获取相关峰平均值、相关峰的最大幅值以及最大幅值的对应位置，当相关峰的最大幅值与相关峰平均值的比值大于检测门限时，则捕获成功，记捕获标志为1，并记录相关峰最大值位置点为码片位置，将码片和多普勒频率信息作为循环变量，重复步骤21)-24)进行二维空间搜索完成B1C信号的捕获，获得相关峰值的码片位置及对应的多普勒频率。

所述的步骤3)具体包括以下步骤：

31)采用自适应相频切换的载波跟踪环路剥除本地的载波频率与卫星信号的载波之间的频差；

32)采用整合码跟踪环路消除测距码码片误差。

所述的步骤31)中，载波跟踪环路的自适应相频切换具体为：

设定频差阈值，在每个码片周期中，当频差大于频差阈值时，则先使用锁频环，即叉积鉴频器进行锁频环跟踪，缩小多普勒频差，当频差小于频差阈值时，采用锁相环精确跟踪。

所述的步骤32)具体包括以下步骤：

321)对本地复现测距码进行平移获取超前、即时和滞后的三个本地复现码，将消除频差后的当前周期的卫星信号作为输入信号，与子载波数控振荡器产生的子载波做相乘运算后，分别与三个本地复现码做异或运算得到超前相关值I_E、即时相关值I_P和滞后相关值I_L；

322)将超前相关值I_E和滞后相关值I_L输入到码环鉴别器，码环鉴别器的输出output经过滤波器输入到测距码数控振荡器，并将当前周期的三个相关值分别输入到对应的积分累加器中；

323)将下个周期的的卫星信号作为输入信号重复步骤321)-322)，直至全部周期计算完毕，最终输出积分累加后的即时相关值，即为跟踪结果。

所述的步骤322)中，码环鉴别器的输出output的计算式为：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明有效解决了BOC调制裂谱特性所产生的可能误捕获及跟踪的情况。

二、本发明可以自适应切换锁频环与锁相环，能够有效缩短信号跟踪的时间同时减小运算量、减轻对硬件的要求。

三、本发明提出的基于更长相干时间的FFT搜索方法，由于微弱信号经常采用增加相干时间的方法因此本发明也可以利用于微弱信号的捕获及跟踪。

附图说明

图1为本发明的技术流程图。

图2为锁频环示意图。

图3为锁相环示意图。

图4为频域FFT搜索法原理图。

图5为第29号卫星B1C信号跟踪结果图。

图6为第29号卫星B1C信号跟踪结果细节图。

图7为第29号卫星B1C信号跟踪结果验证图。

图8为整合码跟踪环路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，用以实现微弱信号及BOC调制卫星信号的跟踪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

第一步生成weil码并对其按码长10230进行截短得到B1C信号(即一种通过BOC调制的信号)导频分量主码，同样按码长1800对weil码进行截短得到导频分量子码，将主码和子码进行异或得到B1C信号本地复现测距码。

第二步得到本地复现测距码后顺序移动其相位与卫星发布的测距码做相关运算，当出现极大值时即代表本地复现的测距码与卫星发射的测距码相匹配，其余相位时应当出现极小值。此外为了复现卫星的载波频率，需要消除卫星与地球存在相对运动产生的多普勒频移。综上本发明采用基于更长相干时间的频域FFT搜索在多普勒频移与码片相位组成的二维空间内搜索完成对B1C信号的捕获这也是后续跟踪的前提。

第三步通过由载波跟踪环路和码跟踪环路组成的跟踪环路将载波剥离和测距码剥离后解调出导航定位运算用的数据码。具体而言先由自适应相频切换载波跟踪环路剥除本地的载波频率与信号的载波之间的频差，载波跟踪环路主要包括锁频环和锁相环两部分，锁频环原理图如图2所示，锁相环原理图如图3所示。一般的载波环路中锁相环与锁频环是独立运行的，但由于捕获阶段采用了更长的相干时间导致数据较多，两个环独立运行对内存有较高要求且所需时间较长，因此本文采用自适应相频切换方法，在不损失载波跟踪效果的前提下能大幅减少载波跟踪时间。具体方法为先设立一个频差阈值进而进行锁频环跟踪，尽快拉小多普勒频差，当频差小于阈值时，基本已经剥除多普勒频差再进行锁相环精确跟踪。这种方法在处理BOC调制信号跟踪或者微弱信号跟踪等需要进行更长相干时间的条件下可以有效缩短信号跟踪的时间。另外针对BOC信号，本发明设计了整合码跟踪环路，将BOC调制子载波与测距码进行码环整合，即先将本地子载波与测距码进行异或，再利用码跟踪环进行跟踪。整合码跟踪环主要由码环鉴别器、滤波器和测距码数控振荡器以及子载波数控振荡器组成。

实施例：

如图1所示，本发明的过程实施步骤如下：

一、对B1C信号进行捕获以得到码相位以及载波多普勒频移的估计值。

步骤11：得到B1C信号本地测距码主码。BIC信号主码是通过截短Weil码产生的，需要先得到一个码长为N的Weil码序列，Weil码具有良好的相关性能，且具有相对灵活的可选序列长度,其表达式如下：

式中，L(k)表示码长为N的legendre序列；w表示两个legendre序列间的相位差，mod为模除运算。码长为N的legendre序列L(k)的表达式如下：

对上述码长为N的Weil码序列进行循环截取即可得到码长为N₀的测距码，其表达式如下：

c(n；w；p)＝W((n+p-1)modN；w),n＝0,1,2,...,N₀-1

式中，p为截取点即Weil码从p点开始进行截取取值范围为1～N，w为两个legendre序列间的相位差。

将上式得到的测距码进行0→1,1→-1的数据映射即可获得B1C信号主码，B1C信号主码的码速率为1.023Mcps，码长N₀为10230，由长度N为10243的Weil码截短而成。

步骤12：生成本地正交载波，将中频数据与本地正交载波相乘得到正交下变频信号，再对经过正交下变频的输入数据进行降速处理即原始采样频率为40MHz，经降速后为1.023MHz。之后对降速后的数据选取4ms做FFT运算，并取共轭设为x(n)。同时获得10ms对应卫星号的本地复现测距码序列LoCAcode，对本地复现测距码序列LoCAcode做FFT运算得到FFT(LoCAcode)设为y(n),N点序列对应点复乘运算再对N点序列做IFFT运算。步骤二可由下式表示：

式中F^-1()表示FFT逆运算，F()表示FFT运算。

频域FFT搜索法原理如图4所示。

步骤13：选取前10230点，即一个测距码周期做相关峰值检测，求出相关峰平均值同时找出相关峰值检测序列中最大幅值大小及其对应位置。将相关峰最大值比上相关峰平均值若大于检测门限则捕获成功，并将捕获标志记为“1”，记录捕获码片位置即相关峰最大值点，记录多普勒频率信息。在码片及多普勒为循环变量的循环嵌套中重复步骤二三直到搜索完毕跳出循环，其中多普勒步进为200Hz。

二、在捕获成功得到输入信号中的码相位以及载波多普勒频移的估计值的基础上通过跟踪方法进一步锁定卫星信号，提取出载波信号以及有用的数据。

步骤14：首先判断指定跟踪的卫星是否已捕获成功，即捕获标志是否为“1”，是则进入跟踪阶段，否则直接退出跟踪通道。当捕获成功进入跟踪阶段后，首先获得对应卫星号的本地复现测距码序列LoCAcode，同时初始化载波跟踪环路二阶累积、码跟踪环路二阶累积、鉴频/鉴相结果变量等变量。

步骤15：设定一个频差阈值，在每个码片周期中若频差大于阈值则先使用锁频环即叉积鉴频器进行锁频环跟踪，尽快拉小多普勒频差。锁频环原理如图2所示。而叉积鉴频器表达式为：

Δf_k＝I(k-1)Q(k)-I(k)Q(k-1)

式中I_k＝AD(k)sinΦ_kPN(k)(A为信号幅值，D(k)为调制数据，PN(k)为测距码)；Q_k＝AD(k)cosΦ_kPN(k)；Φ_k＝ω_dTK+θ₀(ω_d为多普勒频移，T为码周期，θ₀为码初始相位)。因此上式又可以改写为：

Δf_k＝AD(k)cosΦ_kPN(k)·AD(k-1)sinΦ_k-1PN(k-1)-AD(k-1)cosΦ_k-1PN(k-1)·AD(k)sinΦ_kPN(k)

＝A²D(k)D(k-1)R(τ)sin(φ_k-φ_k-1)

当连续测量的输出数据不变时，D(k)D(k-1)＝1，当|ω_d*πT|<<π/2时，sin(Φ_k-Φ_k-1)≈Φ_k-Φ_k-1。所以输出量与单位时间相位变化成正比，从而可以用输出量来控制载波NCO调整频率，达到频率跟踪的效果。

为了消除符号对输出量的影响，实例中采用了有符号叉积鉴频器，其表达式为：

Δf_k＝[I(k-1)Q(k)-I(k)Q(k-1)]·sign[I(k-1)I(k)+Q(k-1)Q(k)]

当频差小于阈值时使用锁相环精确跟踪，锁相环示意图如图3所示。其鉴相表达式为：

步骤16：使用本发明设计的整合码跟踪环路，将BOC调制子载波与测距码进行码环整合，即先将本地子载波与测距码进行异或，再利用码跟踪环进行跟踪。整合码跟踪环主要由码环鉴别器、滤波器和测距码数控振荡器以及子载波数控振荡器组成。码环鉴别器采用了常用的EML包络鉴别器，其核心思想是将信号与测距码的三个本地复现码(超前、即时、滞后)做相关运算得到三个相关值I_E、I_P、I_L，并根据相关值得到鉴别器输出，其表达式为：

环路滤波器采用阶数为1的低通滤波器以滤除输出量中不需要的高频和噪声，其传递函数可以表达为：

式中，K_d为鉴别器增益，K_v为码环振荡器增益，w_n为角频率。

如图8所示，图中的输入信号为经过步骤五载波跟踪环路消除频差后的多个周期的卫星信号。

步骤16具体包括以下步骤：

1、将消除频差后的卫星信号与由子载波数控振荡器得到的子载波相乘

2、再与测距码的三个本地复现码(超前、即时、滞后)做异或得到三个相关值I_E、I_P、I_L

3、把I_E、I_L值给到码环鉴别器，得到的output经过滤波器给到测距码数控振荡器同时把当前周期的I_E、I_P、I_L值送入积分累加器

4、送入下一个周期的卫星信号执行1.并循环直到所有周期卫星信号计算完毕

5、得到经过积分累加的I_P即为跟踪结果(如图5所示)。

Claims

1.一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，用以实现微弱信号及BOC调制卫星信号的跟踪，其特征在于，包括以下步骤：

1)获得B1C信号本地复现测距码；

2.根据权利要求1所述的一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)生成码长为N的weil码序列W(k；w)，其表达式为：

c(n；w；p)＝W((n+p-1)mod N；w),n＝0,1,2,...,N₀-1

13)对测距码进行0→1,1→-1的数据映射获得B1C信号主码；

3.根据权利要求2所述的一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，其特征在于，所述的N取值为10243，N₀取值为10230，N₁取值为1800。

4.根据权利要求2所述的一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

23)对x(n)和y(n)进行相关运算，得到即时相关值R[m]，则有：

其中，F^-1()表示FFT逆运算，F()表示FFT运算；

5.根据权利要求4所述的一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包括以下步骤：

32)采用整合码跟踪环路消除测距码码片误差。

6.根据权利要求5所述的一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，其特征在于，所述的步骤31)中，载波跟踪环路的自适应相频切换具体为：

7.根据权利要求5所述的一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，其特征在于，所述的步骤32)具体包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于FFT卫星信号搜索和跟踪环路的卫星信号跟踪方法，其特征在于，所述的步骤322)中，码环鉴别器的输出output的计算式为：