CN109633712B - 一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法，包括下列步骤：S1、接收信号经过伪码解扩以及载波剥离后，进入相关器进行累加运算；S2、对累加运算结果，进行差分解调电文自预测，估计出发送的电文数据比特Dn；S3、使用自预测电文数据比特Dn对接收信号进行电文剥离，以去除电文数据调制对相干积分的影响；S4、对电文剥离后的数据进行缓存，缓存到预定的N个数据后，进行频谱分析；S5、频谱分析输出信号送入鉴频器，得到载波频率误差的估计值；S6、频率误差的估计值送入环路滤波器进行滤波；S7、环路滤波器输出信号驱动数控振荡器，进行载波频率跟踪。本发明实施例的载波频率跟踪环路更为稳定可靠，改善了弱信号接收性能。

Description

一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法
技术领域
本发明属于卫星导航领域，特别是涉及一种北斗卫星导航接收机终端弱信号的载波跟踪方法。
背景技术
卫星导航系统已经成为当今世界国家综合国力及科学技术发展水平的重要标志，是国家经济基础的重要组成部分，它已经进入人们的日常生活中，与社会发展和经济建设息息相关。我国也已经投入大量的资金和人力，积极进行北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System，BDS)的研究。到2020年左右，我国将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统，其将成为继美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧洲Galileo之后的又一个全球全天候的卫星导航系统。随着卫星导航应用的进一步发展，要求接收机能工作于更为严苛的应用环境下，例如，城市峡谷、林荫大道等卫星信号严重遮挡环境。所谓的高灵敏度接收机(HS-GNSS,High Sensitivity-Global Navigation Satellite Systems),就是为满足此类对弱信号接收的需求。载波跟踪环路是弱信号接收的关键环节，其性能对高灵敏度接收机具有重要影响。通常，通过加长相干积分时间，来抵抗弱信号中噪声的影响，以提高载波跟踪环路性能。然而，由于GPS以及BDS等的电文数据比特调制速率为50bps，意味着相干积分时间不能超过一个电文比特长度(20ms)。为了突破对数据调制的限制，需要对接收信号中的电文比特进行剥离，而这要求电文比特是已知的。通过移动通信网络等辅助手段，来获得电文数据；但此类方案会增加接收机的复杂度以及成本，丧失接收机的独立性，并依赖移动通信网络等特定环境。
作为一种不依赖辅助网络的独立的高灵敏度接收机，A Soloviev等人在“Decoding navigation data messages from weak GPS signals,”IEEETrans.Aerospace and Electronic Systems,vol.45,no.2,pp.660–665,April 2009，提出了一种采用最大似然估计(Maximum likelihood，ML)的算法，来自预测电文比特。然而，ML估计算法需要2N-1次相关运算，N为相干积分时间所对应的电文比特数。当相干积分时间较大时，例如N＝16，需要32768次相关运算，导致难以实现。Yan,K.等人在"Weak GPS signaltracking using FFT discriminator in open loop receiver",GPS Solut(2016)20:225，提出了一种对电文数据进行平方的算法，来规避电文数据调制的影响。平方算法会带来平方损耗，导致环路性能下降。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中基于上述情况，本发明提供了一种北斗导航弱信号的载波频率跟踪方法。通过差分解调，得到电文比特的相位翻转，从而预测电文比特，解除了相干积分时间的限制，可以利用长相干积分时间，改善载波跟踪环路的稳定性，提高灵敏度性能。
为解决上述技术问题，本发明提出一种北斗导航弱信号的载波频率跟踪方法，包括下列步骤：
S1、接收信号经过伪码解扩以及载波剥离后，进入相关器进行累加运算；
S2、对累加运算结果，进行差分解调电文自预测，估计出发送的电文数据比特Dn；
S3、使用自预测电文数据比特Dn对接收信号进行电文剥离，以去除电文数据调制对相干积分的影响；
S4、对电文剥离后的数据进行缓存，缓存到预定的N个数据后，进行频谱分析；
S5、频谱分析输出信号送入鉴频器，得到载波频率误差的估计值；
S6、频率误差的估计值送入环路滤波器进行滤波；
S7、环路滤波器输出信号驱动数控振荡器，进行载波频率跟踪。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
根据本发明提供的方法，利用低复杂度的差分解调算法进行电文自预测，解除了电文数据调制对相干积分时间的限制，可以利用长相干积分时间，本发明实施例的载波频率跟踪环路更为稳定可靠，改善了弱信号接收性能。
附图说明
图1是本发明实施例的载波跟踪环路框图。
图2是本发明实施例的差分解调自预测电文的流程图。
图3是本发明实施例的鉴频器框图。
图4是载波跟踪环路的频率误差仿真结果示意图。
具体实施方式
本方法的创新原理是利用低复杂度的差分解调算法进行电文自预测，解除了电文数据调制对相干积分时间的限制，可以利用长相干积分时间。下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施方式1
图1所示为本发明实施例的的载波跟踪环路框图。接收信号经过伪码解扩以及载波剥离后，送入相关器，相关积分时间为一个电文比特。相关器输出可以表示为(参考公式(1))：
Zn(ΔfD)＝bn exp{j2πΔfDnTcoh+jΔθ0)}sinc(πΔfDTcoh)
+ηn,(n＝1,2,…N) (1)
式中bn为发送电文比特，ΔfD为跟踪环路的残留载波频率误差，Tcoh为相关积分时间(20ms)，Δθ0为载波相位误差，ηn为背景噪声。sinc函数表示载波剥离后的频谱。
相关器输出的相关值，送入差分解调电文自预测，估计出发送的电文数据比特Dn。使用自预测电文比特Dn对接收信号进行电文剥离，以去除电文数据调制对后续的相干积分的影响。
电文剥离后的数据送入缓存器，缓存到预定的N个数据后，送入FFT进行频谱分析。通过FFT变换，卫星信号频率点的功率，比噪声功率增强了N倍，即FFT频谱分析过程亦为一个相干累加过程。因此，跟踪环路总的相干积分时间T＝Tcoh*N。优选地，N＝32，相干积分时间为640ms。此时，频谱分析的分辨率为1/T＝1.5625Hz。
FFT输出信号送入鉴频器，得到载波频率误差的估计值。频率误差信号送入环路滤波器进行滤波后，驱动数控振荡器(NCO，numerically controlled oscillator)，完成了载波频率跟踪。
图2是本发明实施例的差分解调电文自预测的流程图。首先，对相关器输出的20ms积分的相关值，进行相邻数据的差分检测，得到(参考公式(2))：
Figure BDA0001923255590000041
更进一步，利用差分检测结果，求取相邻相关值(即相邻电文数据)的相位差(参考公式(3))：
θn(ΔfD)＝tan-1(Yn(ΔfD)) (3)
式中tan-1为反正切函数。
GPS/BDS的电文调制为二进制相位调制(BPSK)，任何两个发送调制信号之间的相位差必定为“0”，表示无相位差；或者“π”，表示相位反相。通过门限π/2的比较，得到相邻比特是否相位反相的判决(参考公式(4)):
Figure BDA0001923255590000042
当TRn＝1时，表示第n比特与第n-1比特相比，相位反相。假设固定第一个比特D1＝“+1”或者“-1”，剩余的其他N-1个比特可以估计为(参考公式(5)):
Dn＝Dn-1·(-TRn),n＝2,3,…,N (5)
由于环路中采用了非相干解调，对于Dn,n＝1,2,3,…,N的绝对相位并不敏感，而只关心它们的相对一致性。因此，D1可以任意地固定为“+1”或者“-1”，不会影响环路性能。
图3是本发明实施例的鉴频器框图。首先求取FFT输出信号的模平方(功率值)，再通过最大值搜索得到功率峰值。功率峰值即代表卫星信号所在频点的强度，而峰值频点的索引值表示了频率误差。当环路中的无载波频率误差时，峰值频点的索引落于零点。FFT输出功率值进行平均，得到功率平均值。用功率平均值对峰值功率进行归一化，得到归一化的峰值功率，并与预定门限进行比较。当归一化峰值功率大于预定门限，优选地，门限取值2.0，认为该鉴频输出可靠，输出到环路滤波器；否则的话，鉴频器输出置“0”，表示当前的鉴频值无效。通过上述的鉴频输出控制，提高了鉴频器的可靠性，从而改善了频率跟踪环路的可靠性和稳定性。
图4是载波跟踪环路的频率误差仿真结果示意图。仿真中，卫星信号初始的解调载噪比为48dB-Hz，在10秒后加入31dBc的噪声，解调载噪比约为17dB-Hz；相干积分时间T＝640ms；卫星信号的多普勒加速度为0.5Hz/s。图4中，“差分解调”为本发明实施例的仿真结果，”平方法”为平方算法的仿真结果。本发明的载波频率跟踪环路的残留频率误差波动小，取得了良好效果。
根据本发明提供的方法，利用低复杂度的差分解调算法进行电文自预测，解除了电文数据调制对相干积分时间的限制，可以利用长相干积分时间，本发明实施例的载波频率跟踪环路更为稳定可靠，改善了弱信号接收性能。

Claims (7)

1.一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、接收信号经过伪码解扩以及载波剥离后，进入相关器进行累加运算，取得相关值；
S2、对累加运算结果，进行差分解调电文自预测，估计出发送的电文数据比特Dn；
S3、使用电文数据比特Dn对接收信号进行电文剥离，以去除电文数据调制对相干积分的影响；
S4、对电文剥离后的数据进行缓存，缓存到预定的N个数据后，进行频谱分析；
S5、频谱分析输出信号送入鉴频器，得到载波频率误差的估计值，鉴频取得频率误差值；
S6、频率误差的估计值送入环路滤波器进行滤波；
S7、环路滤波器输出信号驱动数控振荡器，进行载波频率跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21、对所述相关器输出的累加运算结果进行相邻数据的差分检测，相邻数据的差分检测；
S22、利用差分检测结果，求取相邻相关值的相位差；
S23、通过门限比较，得到相邻比特是否相位反相的判决值；
S24、利用相位反相判决值，估计出发送的电文数据比特。
3.根据权利要求2所述的一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法，其特征在于，
步骤S24为固定第一个比特D1＝“+1”或者“-1”，利用相位反相判决值，估计出剩余的N-1个比特，利用下式估计出发送的电文数据比特Dn：
Dn＝Dn-1g(-TRn),n＝2,3,L,N
其中，TRn为相邻比特是否相位反相的判决。
4.根据权利要求1所述的一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法，其特征在于，步骤S5包括：
S51、求取频谱分析的输出信号的模平方；
S52、最大值搜索得到功率峰值，功率峰值即代表卫星信号所在频点的强度，而峰值频点的索引值表示了频率误差，取得频率误差估计；
S53、频率误差估计可靠性判断。
5.根据权利要求4所述的一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法，其特征在于，步骤S53包括：
S531、对频谱分析的输出功率值进行平均，得到功率平均值；
S532、用功率平均值对峰值功率进行归一化，得到归一化的峰值功率；
S533、归一化峰值功率与预定门限进行比较；大于预定门限，认为该鉴频输出可靠，输出到环路滤波器。
6.根据权利要求2所述的一种北斗导航接收机的弱信号跟踪方法，其特征在于，步骤S23为相邻比特的相位差取绝对值，与门限90度比较，得到相邻比特是否相位反相的判决值；大于门限表示反相。
7.一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至6任一项所述方法。
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