CN112505730A - 一种卫星导航信号牵引中的多普勒参数估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星导航信号牵引中的多普勒参数估计方法。本发明提出了多普勒参数估计分成千赫兹误差、百赫兹误差、几十赫兹误差三个阶段；可快速缩小信号多普勒误差，给信号跟踪提供精确的多普勒估计参数；并可采用复用模式，降低硬件资源消耗。该方法降低了卫星导航信号捕获多普勒误差范围要求，有利于捕获方法向码相位搜索侧重，适用于卫星导航信号长扩频码信号的接收处理。

Description

一种卫星导航信号牵引中的多普勒参数估计方法
技术领域
本发明涉及一种信号牵引中的多普勒估计方法，尤其是一种适用于卫星导航信号牵引过程中的多普勒参数估计，属于卫星导航技术领域。
背景技术
卫星导航信号接收通常分为捕获、牵引和跟踪三个过程。信号牵引介于信号捕获和跟踪之间，用于进一步缩小信号捕获估计的参数误差，保证信号精确跟踪。
卫星导航信号牵引通常采用宽带宽的载波跟踪环路实现。宽带宽的载波跟踪环路不断估计跟踪误差，待卫星导航信号估计误差缩小后，载波跟踪环路相应缩小带宽，转入跟踪阶段。该模式要求卫星导航信号捕获的多普勒参数误差在百赫兹、甚至几十赫兹范围，若超出，则无法实现卫星导航信号的牵引和跟踪。
本发明提出了一种卫星导航信号牵引的多普勒迭代估计方法，与宽带宽的载波跟踪环路相比，降低了卫星导航信号捕获的多普勒误差范围要求，有利于卫星导航信号的快速稳定接收。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种卫星导航信号牵引的多普勒迭代估计方法，有利于卫星导航信号的快速稳定接收。
本发明所采取的技术方案如下:
一种卫星导航信号牵引中的多普勒参数估计方法，包括以下过程：
(1)设定多普勒误差范围内的码相位误差Error_chip、相干积分时间T_con、千赫兹阶段多普勒间隔值Doppler_Kphase、非相干积分时间T_Ncon以及提供给信号跟踪的多普勒间隔值Doppler_Last；
(2)根据捕获得到的多普勒误差，计算卫星导航信号不超出码相位误差Error_chip的时间Tset；
(3)设定本地混频求和组数N初始值为1；
(4)千赫兹误差阶段，将捕获得到的多普勒误差除以千赫兹阶段多普勒间隔值，结果向上取整数得到数值NKHz，并计算千赫兹误差阶段处理所需计算时间T1，T1＝NKHz×T_Ncon；
(5)百赫兹级误差阶段，在当前数值N下，计算M的最小值，满足Doppler_Kphase/(N×M)<100；得到百赫兹误差阶段的多普勒间隔值Doppler_Hphase＝Doppler_Kphase/(N×M)，并计算百赫兹误差阶段处理所需计算时间T2，T2＝M×T_Ncon；其中，M为自然数；
(6)百赫兹内误差阶段，在当前数值N下，计算P的最小值，使得百赫兹内误差阶段的多普勒间隔满足Doppler_cal<Doppler_Last，Doppler_cal＝Doppler_Hphase/(N×P)，并计算百赫兹内误差阶段处理所需计算时间T3，T3＝P×T_Ncon；其中，P为自然数；
(7)总计算时间为T_total＝T1+T2+T3，判断是否满足T_total<Tset，若不满足，则N数值加1，返回步骤(4)；若满足，则执行步骤(8)；
(8)卫星导航接收机内部生成N组本地混频求和处理模块，千赫兹误差阶段、百赫兹误差阶段和百赫兹内误差阶段分别依次按照各阶段相应的多普勒间隔值，以设定的相干积分时间T_con计算数据累加值，并通过数据处理与控制模块对数据累加值进行功率求和累加，将各阶段得到的数值NKHz、M和P作为迭代次数重复计算，找出每个阶段的功率峰值最大值，该最大值对应的载波频率作为下一阶段的载波频率，最终百赫兹内误差阶段得到的载波频率作为估计的载波多普勒。
其中，步骤(8)具体包括以下过程：
千赫兹误差阶段的处理过程为：
(801)计算初始载波频率值，将初始载波频率值设为当前载波频率估计值；其中，初始载波频率值为捕获载波最低频率值+千赫兹阶段多普勒间隔值；
(802)计算当前载波频率估计值的NCO控制字值为：(当前载波频率估计值/接收机基带工作时钟)×2(载波NCO位宽)；
(803)根据当前载波频率估计值产生本地载波，根据NCO控制字值产生扩频码数据，将外部输入的N组AD数据与本地载波和扩频码数据相乘，然后累计求和以及功率求和累加，满足非相干累计次数后，进入步骤(804)；
(804)将当前载波频率与两倍的当前多普勒误差相加，得到下一个估计的载波频率值，返回步骤(802)，迭代NKHz次后，进入步骤(805)；
(805)比较设定次数的功率峰值，找出最大值，将最大值对应的载波频率作为捕获得到载波频率，将捕获得到载波频率作为百赫兹误差阶段的捕获载波最低频率值；执行步骤(806)；
百赫兹误差阶段的处理过程为：
(806)计算初始载波频率值；将(805)中得到的捕获载波最低频率值设为当前载波频率估计值；其中，初始载波频率值为当前载波频率估计值+百赫兹误差阶段多普勒间隔值；
(807)计算当前载波频率估计值的NCO控制字值为：(当前载波频率估计值/接收机基带工作时钟)×2(载波NCO位宽)；
(808)根据当前载波频率估计值产生本地载波，根据NCO控制字值产生扩频码数据，将外部输入的N组AD数据与本地载波和扩频码数据相乘，然后累计求和以及功率求和累加，满足非相干累计次数后，进入步骤(809)；
(809)将当前载波频率与两倍的当前多普勒误差相加，得到下一个估计的载波频率值，返回步骤(807)，迭代M次后，进入步骤(810)；
(810)比较设定次数的功率峰值，找出最大值，将最大值对应的载波频率作为捕获得到载波频率，将捕获得到载波频率作为百赫兹内误差阶段的捕获载波最低频率值；执行步骤(811)；
百赫兹内误差阶段的处理过程为：
(811)计算初始载波频率值；将(810)中得到的捕获载波最低频率值设为当前载波频率估计值；其中，初始载波频率值为当前载波频率估计值+百赫兹内误差阶段多普勒间隔值；
(812)计算当前载波频率估计值的NCO控制字值为：(当前载波频率估计值/接收机基带工作时钟)×2(载波NCO位宽)；
(813)根据当前载波频率估计值产生本地载波，根据NCO控制字值产生扩频码数据，将外部输入的N组AD数据与本地载波和扩频码数据相乘，然后累计求和以及功率求和累加，满足非相干累计次数后，进入步骤(814)；
(814)将当前载波频率与两倍的当前多普勒误差相加，得到下一个估计的载波频率值，返回步骤(813)，迭代P次后，进入步骤(815)；
(815)比较设定次数的功率峰值，找出最大值，将最大值对应的载波频率作为捕获得到载波频率，将捕获得到载波频率作为最终估计的载波多普勒。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、采用迭代估计方法，可快速缩小捕获信号多普勒误差，相比于跟踪环路模式，可处理更大的捕获载波多普勒误差。
2、降低了对信号捕获多普勒结果的精度要求，捕获算法可更关注于码相位的搜索，特别有利于长码信号捕获算法的优化。
附图说明
图1是本发明的处理流程图；
图2是本地混频求和组数N、各阶段的多普勒频率间隔值计算过程图；
图3是本发明本地混频求和框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明。
设信号捕获的多普勒误差Doppler，1100Hz；依据多普勒误差范围，多普勒参数估计分成三个阶段：千赫兹误差、百赫兹误差、百赫兹内误差。
参照图1，一种卫星导航信号牵引中的多普勒参数估计方法，包括以下过程：
(1)参数设定。
1)设定多普勒误差范围内的码相位误差Error_chip，为1/10码片；
2)设定相干积分时间T_con，1毫秒。多普勒间隔小于相干积分时间倒数的1/4，为250Hz；
3)设定千赫兹误差阶段多普勒频率间隔值Doppler_Kphase，为250Hz；
4)设定非相干积分时间T_Ncon，为3毫秒；
5)设定提供给信号跟踪的多普勒误差值Doppler_Last，为30Hz。
(2)根据捕获得到的多普勒误差，计算卫星导航信号不超出码相位误差Error_chip的时间Tset；
多普勒误差Doppler值为1100Hz；则对应的码多普勒在该误差下的1码片相位误差累积时间为：
1100/(1575.42e6/1.023e6)＝0.71Hz,即：1秒钟码相位累积误差为0.71码片，码相位累积误差1个码片的时间为1s/0.71＝1.408s，即1408ms；不超出多普勒误差范围内的1/10码相位误差的时间，Tset为：1408/10＝140.8ms。
(3)设定本地混频求和组数N初始值为1；
以下过程开始计算本地混频求和组数N、各阶段的多普勒频率间隔。如图2所示。
(4)千赫兹误差阶段处理
依据第1步设定的千赫兹误差阶段，多普勒间隔值为250Hz；1100/250＝4.4，向上取整，按5次计；设非相干时间3毫秒，计算时间T1为：5×3＝15ms。
(5)百赫兹级误差阶段处理
将多普勒间隔250Hz降低为百赫兹内，则需要的最小次数是3，对应的多普勒间隔：250/3＝83.3赫兹；非相干时间3毫秒，计算时间T2为：3×3＝9ms。
(6)百赫兹内误差阶段处理
将多普勒间隔83.3赫兹降低为设定提供给信号跟踪的多普勒误差值Doppler_Last，则需要的最小次数是3，对应多普勒间隔：83.3/3＝27.7赫兹。非相干时间3毫秒，计算时间T3为：3×3＝9ms。
(7)总计算时间T_total为：15+9+9＝33ms，小于Tset时间140.8ms。满足时间要求。
即：本地混频求和组数1组，千赫兹误差阶段的多普勒间隔是250Hz，百赫兹级误差阶段的多普勒间隔是83.3Hz，百赫兹内误差阶段的多普勒间隔是27.7Hz。
(8)卫星导航接收机内部生成N组本地混频求和处理模块，千赫兹误差阶段、百赫兹误差阶段和百赫兹内误差阶段分别依次按照各阶段相应的多普勒间隔值，以设定的相干积分时间T_con计算数据累加值，并通过数据处理与控制模块对数据累加值进行功率求和累加，将各阶段得到的数值NKHz、M和P作为迭代次数重复计算，找出每个阶段的功率峰值最大值，该最大值对应的载波频率作为下一阶段的载波频率，最终百赫兹内误差阶段得到的载波频率作为估计的载波多普勒。过程如图3所示。具体为：
三个阶段以扩频码周期为选择时刻切换；三个阶段按照各阶段相应的多普勒频率间隔值(Doppler_Kphase值250Hz、Doppler_Hphase值83.3Hz、Doppler_cal值27.7Hz)，1组本地混频求和处理模块以设定的计算相干积分时间T_con1毫秒累加值；
数据处理与控制模块将数据进行功率求和累加、按非相干累积次数对数据累积求和，各阶段按步骤3得到的数值(NKHz值为3、M值为3、P值为3)重复计算；找出每个阶段得到功率峰值最大值，该最大值对应的载波频率做为捕获得到载波频率依据该值，修正相应的码多普勒，作为下一个捕获阶段的多普勒数值。

Claims (2)

1.一种卫星导航信号牵引中的多普勒参数估计方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)设定多普勒误差范围内的码相位误差Error_chip、相干积分时间T_con、千赫兹误差阶段多普勒间隔值Doppler_Kphase、非相干积分时间T_Ncon以及提供给信号跟踪的多普勒间隔值Doppler_Last；
(2)根据捕获得到的多普勒误差，计算卫星导航信号不超出码相位误差Error_chip的时间Tset；
(3)设定本地混频求和组数N初始值为1；
(4)千赫兹误差阶段，将捕获得到的多普勒误差除以千赫兹误差阶段多普勒间隔值，结果向上取整数得到数值NKHz，并计算千赫兹误差阶段处理所需计算时间T1，T1＝NKHz×T_Ncon；
(5)百赫兹级误差阶段，在当前数值N下，计算M的最小值，满足Doppler_Kphase/(N×M)<100；得到百赫兹误差阶段的多普勒间隔值Doppler_Hphase＝Doppler_Kphase/(N×M)，并计算百赫兹误差阶段处理所需计算时间T2，T2＝M×T_Ncon；其中，M为自然数；
(6)百赫兹内误差阶段，在当前数值N下，计算P的最小值，使得百赫兹内误差阶段的多普勒间隔满足Doppler_cal<Doppler_Last，Doppler_cal＝Doppler_Hphase/(N×P)，并计算百赫兹内误差阶段处理所需计算时间T3，T3＝P×T_Ncon；其中，P为自然数；
(7)总计算时间为T_total＝T1+T2+T3，判断是否满足T_total<Tset，若不满足，则N数值加1，返回步骤(4)；若满足，则执行步骤(8)；
(8)卫星导航接收机内部生成N组本地混频求和处理模块，千赫兹误差阶段、百赫兹误差阶段和百赫兹内误差阶段分别依次按照各阶段相应的多普勒间隔值，以设定的相干积分时间T_con计算数据累加值，并通过数据处理与控制模块对数据累加值进行功率求和累加，将各阶段得到的数值NKHz、M和P作为迭代次数重复计算，找出每个阶段的功率峰值最大值，该最大值对应的载波频率作为下一阶段的载波频率，最终百赫兹内误差阶段得到的载波频率作为估计的载波多普勒。
2.根据前权利要求1所述的一种卫星导航信号牵引中的多普勒参数估计方法，其特征在于，步骤(8)具体包括以下过程：
千赫兹误差阶段的处理过程为：
(801)计算初始载波频率值，将初始载波频率值设为当前载波频率估计值；其中，初始载波频率值为捕获载波最低频率值+千赫兹阶段多普勒间隔值；
(802)计算当前载波频率估计值的NCO控制字值为：
Figure FDA0002797886670000021
Figure FDA0002797886670000022
(803)根据当前载波频率估计值产生本地载波，根据NCO控制字值产生扩频码数据，将外部输入的N组AD数据与本地载波和扩频码数据相乘，然后累计求和以及功率求和累加，满足非相干累计次数后，进入步骤(804)；
(804)将当前载波频率与两倍的当前多普勒误差相加，得到下一个估计的载波频率值，返回步骤(802)，迭代NKHz次后，进入步骤(805)；
(805)比较设定次数的功率峰值，找出最大值，将最大值对应的载波频率作为捕获得到载波频率，将捕获得到载波频率作为百赫兹误差阶段的捕获载波最低频率值；执行步骤(806)；
百赫兹误差阶段的处理过程为：
(806)计算初始载波频率值；将(805)中得到的捕获载波最低频率值设为当前载波频率估计值；其中，初始载波频率值为当前载波频率估计值+百赫兹误差阶段多普勒间隔值；
(807)计算当前载波频率估计值的NCO控制字值为：
Figure FDA0002797886670000031
Figure FDA0002797886670000032
(808)根据当前载波频率估计值产生本地载波，根据NCO控制字值产生扩频码数据，将外部输入的N组AD数据与本地载波和扩频码数据相乘，然后累计求和以及功率求和累加，满足非相干累计次数后，进入步骤(809)；
(809)将当前载波频率与两倍的当前多普勒误差相加，得到下一个估计的载波频率值，返回步骤(807)，迭代M次后，进入步骤(810)；
(810)比较设定次数的功率峰值，找出最大值，将最大值对应的载波频率作为捕获得到载波频率，将捕获得到载波频率作为百赫兹内误差阶段的捕获载波最低频率值；执行步骤(811)；
百赫兹内误差阶段的处理过程为：
(811)计算初始载波频率值；将(810)中得到的捕获载波最低频率值设为当前载波频率估计值；其中，初始载波频率值为当前载波频率估计值+百赫兹内误差阶段多普勒间隔值；
(812)计算当前载波频率估计值的NCO控制字值为：
Figure FDA0002797886670000041
Figure FDA0002797886670000042
(813)根据当前载波频率估计值产生本地载波，根据NCO控制字值产生扩频码数据，将外部输入的N组AD数据与本地载波和扩频码数据相乘，然后累计求和以及功率求和累加，满足非相干累计次数后，进入步骤(814)；
(814)将当前载波频率与两倍的当前多普勒误差相加，得到下一个估计的载波频率值，返回步骤(813)，迭代P次后，进入步骤(815)；
(815)比较设定次数的功率峰值，找出最大值，将最大值对应的载波频率作为捕获得到载波频率，将捕获得到载波频率作为最终估计的载波多普勒。
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