CN112731475A - 一种gnss掩星双支路信号开环跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，包括：步骤1)ARM端预测当前时刻的载波NCO和伪码NCO；步骤2)ARM端将载波NCO数值送入FPGA端以确定本地载波信号，FPGA端计算得到零中频同相分量IF_I和正交相分量IF_Q；步骤3)ARM端将伪码NCO数值送入FPGA端以确定本地导频分量伪码和数据分量伪码相位，FPGA端计算得到导频分量IQ路和数据分量IQ路的能量值；步骤4)FPGA端将导频分量IQ路和数据分量IQ路积分能量值进行短时间相干积分，得到导频分量积分值和数据分量积分值；步骤5)ARM端从FPGA端读取导频分量积分值和数据分量积分值，对导频分量IQ路积分值和数据分量IQ路积分值进行幅值判断和符号判断，然后进行IQ路积分合成并将合成结果输入IQ路积分寄存器，到达总积分时间则从IQ路积分寄存器取出总积分结果，利用总积分结果进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。

Description

一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法

技术领域

本发明涉及GNSS掩星接收机领域，具体涉及一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法。

背景技术

搭载于低轨卫星的GNSS掩星接收机可用于掩星事件探测，当GNSS卫星处于低仰角甚至负仰角时，由于卫星信号弱、多普勒变化剧烈导致传统闭环跟踪中锁相环往往无法正常工作，此时需要采用预测模式的开环模型进行跟踪，开环跟踪主要根据星历、卫星PVT数据和大气模型等参数进行跟踪参数预测，从而进一步实现跟踪。

传统GNSS信号采用BPSK(Binary Phase Shift Keying,二进制相移键控)调制，往往只调制单个数据分量，而随着新一代导航信号调制系统的发展，在如GPS L5波段，北斗B2a、B1C以及伽利略E1、E5波段采用BOC(Binary Offset Carrier,二进制偏移载波)调制或QPSK(Quadrature Phase Shift Keying,正交相移键控)调制，包含两个信号分量：导频分量与数据分量，两个分量相互正交且使用不同的扩频码；数据分量调制有电文信息，可用来计算卫星的各类信息；导频通道通常调制有固定的子码而不调制电文，在积分结果中体现为无符号位跳变，该特性使得导频分量可以采用纯锁相环，进行更长时间相干积分，提高弱信号的跟踪能力。

传统跟踪模式采用单独数据通道或导频通道进行跟踪，以及I/Q路积分和载噪比计算，未将两通道积分结果合成，载噪比较低且未能充分发挥新一代信号导频通道不调制电文的优势，无法充分利用双分量特性。现有双支路跟踪模式通过单独判断I路符号进行能量合成，在闭环跟踪中借助锁相环进行判断，将能量集中于I路，可根据导频分量I路积分符号值对数据分量进行符号去除，从而进一步进行能量合成，提高测量载噪比，提高载波相位精度；而在开环跟踪模式下，由于未采用反馈环路而是采用预测载波相位与码相位进行跟踪，与实际信号之间存在相位偏差导致，无法像传统闭环跟踪中将能量集中于I路，虽导频分量与数据分量存在固定相位联系，但本地载波并未对实际载波相位进行预测，无法将能量集中于I路，无法使用上述单独I路判断进行合成。且数据分量中调制的导航电文信息会引起信号比特反转，由于电文信息本地未知，在进行IQ路积分时无法将导航电文消除，导致不同时刻输入的积分值时加时减，相互正负抵消，导致导频分量与数据分量能量合成错误。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，将开环数据分量与导频分量能量进行合成，采用FPGA+ARM()结构，将跟踪环路置于FPGA中、将控制程序置于ARM中，两部分紧密衔接，其复杂度低，资源消耗小，相对传统接收机无需硬件改动。

为实现上述目的，本发明提出了一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，所述方法包括：

步骤1)ARM端根据接收机PVT数据、卫星星历、大气模型以及各类辅助捕获数据预测当前时刻的载波NCO和伪码NCO；

步骤2)ARM端将载波NCO数值送入FPGA端以确定本地载波信号，FPGA端将对应同相本地载波信号和正交相本地载波信号分别与卫星中频信号相乘，得到零中频同相分量IF_I和正交相分量IF_Q；

步骤3)ARM端将伪码NCO数值送入FPGA端以确定本地导频分量伪码和数据分量伪码相位，FPGA端将导频分量伪码和数据分量伪码分别与中频同相分量IF_I和正交相分量IF_Q相乘，得到导频分量IQ路和数据分量IQ路的能量值；

步骤4)FPGA端将导频分量IQ路和数据分量IQ路积分能量值进行短时间相干积分，得到导频分量积分值和数据分量积分值；

步骤5)ARM端从FPGA端读取导频分量积分值和数据分量积分值，对导频分量IQ路积分值和数据分量IQ路积分值进行幅值判断和符号判断，然后进行IQ路积分合成并将合成结果输入IQ路积分寄存器，到达总积分时间则从IQ路积分寄存器取出总积分结果，利用总积分结果进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

在ARM端，利用PVT数据、卫星星历以及开环大气模型解算出当前时刻的GNSS卫星位置、仰角以及相对方位角，中心频率以及多普勒频移，确定需要开环跟踪卫星；

利用解算结果进行每秒内线性插值计算，得出当前时刻预测中心频率和前后时刻中心频率差分值，从而计算得出当前时刻载波NCO和伪码NCO。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

对导频分量I路能量值I_p、导频分量Q路能量值Q_p、数据分量I路能量值I_d和数据分量Q路能量值Q_d进行相干积分，得到：

其中，SumI_p为导频分量I路积分结果，SumQ_p为导频分量Q路积分结果，SumI_d数据分量I路积分结果，SumQ_d数据分量I路积分结果，A为信号幅度值，ω_e为本地载波与输入中频载波频率差，θ_e为本地载波与中频载波相位差，D为数据分量中电文信息，取值为1或-1；T_coh为短时积分时间，不超过D的跳变时间。

作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：

步骤5-1)ARM端从FPGA端读取SumI_p、SumQ_p、SumI_d和SumQ_d；

步骤5-2)计算导频符号决定位sign_p：

sign_p＝sign(max{abs(SumI_p),abs(SumQ_p)})*sign(max{abs(SumI_d),abs(SumQ_d)})

其中，abs(·)为绝对值函数，max{,}为最大值函数，sign(n)为取符号位：1或-1；步骤5-3)根据导频符号决定位sign_p对导频分量与数据分量的IQ路进行合成：

Sum_I(n)＝SumI_p+sign_p*SumI_d

Sum_Q(n)＝SumQ_p+sign_p*SumQ_d

其中，Sum_I(n)为第n次短时积分的I路合成结果，Sum_Q(n)为第n次短时积分的Q路合成结果；

步骤5-4)将步骤5-3)的两路合成结果输入IQ路积分寄存器；

步骤5-5)当IQ路积分寄存器获得t_s次的I路合成结果和Q路合成结果，累加得到总积分时间的I路积分值Sum_Iall和Q路积分值Sum_Qall：

其中，t_s等于总积分时间除以短积分时间；

步骤5-6)利用总积分时间的I路积分值Sum_Iall和Q路积分值Sum_Qall进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。

本发明的优点在于：

1、本发明提出一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，采用新型导频数据分量合成系统，可将导频分量IQ路与数据分量IQ路积分值进行综合评估，对数据分量IQ路符号位进行修正，从而得到正确IQ路合成结果，提高跟踪载噪比，提高载波相位测量精度，利于后续反演计算；与现有方法相比，该方法无需进行硬件改动，复杂度低，资源消耗小，在增加开环跟踪能量合成同时，亦可适用于传统闭环跟踪，提升了接收机工作性能，使用本方法后接收机载噪比相对传统跟踪环路提升至少3dB；

2、本发明提出的能量合成方法可将导频分量和数据分量的相干积分结果进行实时合成，充分利用信号资源，提高信号跟踪载噪比，提高跟踪载波相位精度；传统方法在开环信号处理中未将两个分量进行合成，本发明提出的方法简单有效，无需进行硬件改动；

3、本发明将相关和积分等大运算量操作置于FPGA中，而将判断、能量合成模块等需要控制操作的置于ARM中，可充分发挥FPGA运算快，ARM擅长做控制的优势，节省运算资源。

附图说明

图1是本发明提出的GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法的结构示意图；

图2是开环信号积分合成处理流程图；

图3是数据分量IQ路跟踪积分图；

图4是导频分量IQ路跟踪积分图；

图5是本方法合成后跟踪积分图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出一种用于GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统)掩星探测的导频/数据双支路信号组合的开环跟踪处理方法。此方法利用大气开环模型预测的伪码相位和载波多普勒同时对导频/数据支路的GNSS掩星信号进行开环跟踪，此后对导频和数据支路累加结果数据进行分析，利用其固定相位关系进行组合，从而提高信号能量，提高环路跟踪稳定性。后处理中利用I/Q支路的信号能量分配计算得到残余载波相位，对开环通道的模型载波相位进行补偿，最终得到完整的载波相位信息，利用该载波相位可以进行大气参量的反演。该方法充分利用了具有导频/数据双支路的GNSS新信号的特点，增强了底层大气掩星信号的跟踪能力，提高了信号强度和载波相位观测精度。利用本发明的方法可以得到高精度的底层大气掩星载波相位信息，有助于提高后端反演精度，可应用于GNSS掩星观测领域，具有广阔的应用前景。本发明的方法结构简单，计算速度快，在原有FPGA+ARM(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列；Advanced RISCMachine(一款精简指令处理器)型接收机基础上即可进行，无需进行硬件改动。

如图1所示，本发明提出的一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1)获取载波NCO和伪码NCO

在ARM端，根据接收机PVT数据、卫星星历、大气模型以及各类辅助捕获数据预测当前时刻载波NCO和伪码NCO；

每秒利用星历、历书以及开环大气模型解算出GNSS卫星位置、仰角以及相对方位角，中心频率以及多普勒频移，确定需要开环跟踪卫星；利用解算结果进行每秒内线性插值计算，得出当前时刻预测中心频率和前后时刻中心频率差分值，从而计算得出当前时刻载波NCO和伪码NCO，以进行步骤2)；使用秒内插值计算、秒间预测解算的方法，可提高处理速度，节约运算时间。

步骤2)载波解调

将ARM端载波NCO数值送入FPGA中以确定本地载波信号，在FPGA中将对应同相本地载波信号和正交相本地载波信号分别与卫星中频信号相乘，得到零中频同相分量IF_I和正交相分量IF_Q。

利用载波NCO生成本地载波，使用同相本地载波与卫星中频信号相乘、滤波得到同相零频分量IF_I和正交相分量IF_Q，利用导频分量与数据分量相互正交的特性，将零频分量送入码相关器，即进行步骤3)。

步骤3)伪码解调

将ARM端伪码NCO数值送入FPGA中以确定本地导频分量伪码和数据分量伪码相位，在FPGA端将导频分量伪码和数据分量伪码分别与中频同相分量IF_I和正交相分量IF_Q相乘，得到导频分量IQ路和数据分量IQ路的能量值。

利用码NCO生成本地数据伪码和导频伪码，将零频分量IF_I和IF_Q分别与数据伪码和导频伪码进行相乘，得到数据分量IQ路积分结果和导频分量IQ路积分结果。

步骤4)积分累加

在FPGA端将导频分量IQ路和数据分量IQ路积分能量值进行短时相干积分。

根据ARM控制端设定短时积分时间，对FPGA中导频分量IQ支路和数据分量IQ支路分别进行对应时间的相干积分，得出各支路积分能量值，之后将积分结果传回ARM端以便进行步骤5)。

步骤5)能量合成

从FPGA端将导频分量和数据分量相干积分结果读取到ARM端，在ARM端将导频分量IQ路积分值和数据分量IQ路积分值进行幅值判断、符号判断，进行IQ路积分合成并将结果输入IQ路积分寄存器，到达积分时间则从寄存器进行结果取出，将结果打包并进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。

在ARM端读取FPGA中该通道数据分量IQ路和导频分量IQ路积分结果进行寄存，将四路积分结果寄存完毕后，将FPGA中积分结果清零，并进行符号判断和能量合成。

符号位判断方法为：首先根据导频分量的IQ路积分能量绝对值大小，将IQ支路中能量较大者设定为符号判决支路；再将运算结果分别送入位于ARM中的IQ路积分寄存器中，积分时间由ARM控制程序设定，到达相应积分时间则将寄存器积分值取出。

能量合成方法为：将导频分量对应符号判决支路符号和数据分量对应符号判决支路进行符号位判断，如果该支路符号位相同，则将导频分量对应支路与数据分量对应支路进行相加；如果符号位相反，则将两支路相减；将IQ支路累加结果分别存储于IQ路积分寄存器中。

将结果打包并进行载噪比计算具体为：在积分时间达到ARM中设定信号总积分时间时，从IQ路积分寄存器中将总积分结果取出，将该总积分结果进行打包传输、并进行载噪比计算，之后将积分结果清空，准备进行下次积分运算。

以北斗三代B2A信号为例，该信号同时播发导频分量与数据分量，采用QPSK调制，跟踪环路稳定后将积分时间设置为20ms，可使用本发明所述方法进行开环跟踪。

在射频前端下变频后的中频信号可表示为：

其中：

A：信号幅度值，

D_d：北斗三代B2A信号数据分量电文信息，为1或-1，

C_d：北斗三代B2A信号数据分量扩频码，

C_p：北斗三代B2A信号导频分量扩频码，

f_IF：中频频率，

f_d：高动态掩星场景的多普勒频率，

T_s：采样周期，

在中频信号输入本系统后，使用本地生成载波信号f_IF-local与接收到中频信号同相及正交相进行混频操作，得到零中频IQ路信号r_I和r_Q，其中本地载波为：

ω_open：由开环预测模块综合大气模型参数以及多普勒频移得出的本地中频信号频率，即

本地载波信号相位，开环跟踪时未对载波相位做预测，此时

值随机。

将本地载波与接收到中频信号进行混频后经过低通滤波器滤波后，可得零中频信号：

r_I＝AD_dC_d cos(ω_et+θ_e)+AC_p sin(ω_et+θ_e)+noise (3)

r_Q＝AD_dC_dsin(ω_et+θ_e)+AC_p cos(ω_et+θ_e)+noise (4)

其中，ω_e为本地载波与输入中频载波频率差，θ_e为本地载波与中频载波相位差。

将下变频后的零中频信号IQ路分别与开环预测后的导频伪码和数据伪码相乘，将伪码剥离，得到导频分量IQ路相关结果I_p和Q_p以及数据分量IQ路相关结果I_d和Q_d：

I_p＝Acos(ω_et+θ_e)+noise_IP,Pilot (5)

Q_p＝Asin(ω_et+θ_e)+noise_QP,Pliot (6)

I_d＝AD_d cos(ω_et+θ_e)+noise_IP,Data (7)

Q_d＝AD_d sin(ω_et+θ_e)+noise_QP,Data (8)

在稳定跟踪之后对I_p、Q_p、I_d和Q_d进行T_coh秒相干积分：

其中，T_coh＝4ms；

将式(5)、(6)、(7)和(8)代入上述积分运算中运算可得每T_coh的积分值。

之后将数据分量的IQ路和导频分量IQ路能量进行合成，首先将数据分量中电文信息D消除。如图2所示，首先根据导频路IQ路积分能量绝对值大小，得出导频符号决定位sign_p：

sign_p＝sign(max{abs(SumI_p),abs(SumQ_p)})*sign(max{abs(SumI_d),abs(SumQ_d)}) (17)

其中abs(·)为绝对值函数，max{,}为最大值函数，sign(n)为取符号位：1或-1；

求得符号决定位sign_p之后，将导频分量与数据分量IQ路进行第n次合成：

Sum_I(n)＝SumI_p+sign_p*SumI_d

Sum_Q(n)＝SumQ_p+sign_p*SumQ_d

将4ms积分数据暂存到ARM之后将FPGA中积分器清零，进行下一次4ms积分，共积分5次，累加得到20ms积分值：

得到合成IQ路20ms积分值后，即可用于后续载噪比计算，载波相位恢复以及后续本地掩星数据处理。

在北斗三代B2a信号中，导频分量与数据分量能量比为1:1，如本发明中图3与图4所示。采用本发明的方法之后，通过将导频分量与数据分量能量进行合成，如图5所示，将信号跟踪载噪比提高3dB，增强底层大气掩星信号的跟踪能力，提高了信号强度和载波相位观测精度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，所述方法包括：

步骤1)ARM端根据接收机PVT数据、卫星星历、大气模型以及各类辅助捕获数据预测当前时刻的载波NCO和伪码NCO；

步骤2)ARM端将载波NCO数值送入FPGA端以确定本地载波信号，FPGA端将对应同相本地载波信号和正交相本地载波信号分别与卫星中频信号相乘，得到零中频同相分量IF_I和正交相分量IF_Q；

步骤3)ARM端将伪码NCO数值送入FPGA端以确定本地导频分量伪码和数据分量伪码相位，FPGA端将导频分量伪码和数据分量伪码分别与中频同相分量IF_I和正交相分量IF_Q相乘，得到导频分量IQ路和数据分量IQ路的能量值；

步骤4)FPGA端将导频分量IQ路和数据分量IQ路积分能量值进行短时间相干积分，得到导频分量积分值和数据分量积分值；

步骤5)ARM端从FPGA端读取导频分量积分值和数据分量积分值，对导频分量IQ路积分值和数据分量IQ路积分值进行幅值判断和符号判断，然后进行IQ路积分合成并将合成结果输入IQ路积分寄存器，到达总积分时间则从IQ路积分寄存器取出总积分结果，利用总积分结果进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。

2.根据权利要求1所述的GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

在ARM端，利用PVT数据、卫星星历以及开环大气模型解算出当前时刻的GNSS卫星位置、仰角以及相对方位角，中心频率以及多普勒频移，确定需要开环跟踪卫星；

利用解算结果进行每秒内线性插值计算，得出当前时刻预测中心频率和前后时刻中心频率差分值，从而计算得出当前时刻载波NCO和伪码NCO。

3.根据权利要求2所述的GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

对导频分量I路能量值I_p、导频分量Q路能量值Q_p、数据分量I路能量值I_d和数据分量Q路能量值Q_d进行相干积分，得到：

其中，SumI_p为导频分量I路积分结果，SumQ_p为导频分量Q路积分结果，SumI_d数据分量I路积分结果，SumQ_d数据分量I路积分结果，A为信号幅度值，ω_e为本地载波与输入中频载波频率差，θ_e为本地载波与中频载波相位差，D为数据分量中电文信息，取值为1或-1；T_coh为短时积分时间，不超过D的跳变时间。

4.根据权利要求3所述的GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：

步骤5-1)ARM端从FPGA端读取SumI_p、SumQ_p、SumI_d和SumQ_d；

步骤5-2)计算导频符号决定位sign_p：

sign_p＝sign(max{abs(SumI_p),abs(SumQ_p)})*sign(max{abs(SumI_d),abs(SumQ_d)})

其中，abs(·)为绝对值函数，max{,}为最大值函数，sign(n)为取符号位：1或-1；

步骤5-3)根据导频符号决定位sign_p对导频分量与数据分量的IQ路进行合成：

Sum_I(n)＝SumI_p+sign_p*SumI_d

Sum_Q(n)＝SumQ_p+sign_p*SumQ_d

其中，Sum_I(n)为第n次短时积分的I路合成结果，Sum_Q(n)为第n次短时积分的Q路合成结果；

步骤5-4)将步骤5-3)的两路合成结果输入IQ路积分寄存器；

步骤5-5)当IQ路积分寄存器获得t_s次的I路合成结果和Q路合成结果，累加得到总积分时间的I路积分值Sum_Iall和Q路积分值Sum_Qall：

其中，t_s等于总积分时间除以短积分时间；

步骤5-6)利用总积分时间的I路积分值Sum_Iall和Q路积分值Sum_Qall进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。

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