CN112953621B - 卫星导航通信方法、装置、北斗用户机和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种卫星导航通信方法、装置、北斗用户机和存储介质。方法包括：对于每一目标时刻，分别获取目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏；其中，第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，第二多普勒频移与相对运动和本机的本振频偏相关联；根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号。采用本方法能够升北斗用户机短报文服务业务的动态适应能力，和卫星信号的重捕获速度和报文通信成功率，进而提高卫星导航通信的可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及卫星导航通信技术领域，特别是涉及一种卫星导航通信方法、装置、北斗用户机和存储介质。
背景技术
在捕获接收卫星导航信号和发射短报文卫星信号时，北斗用户机本地必须有较为准确的晶振，以产生稳定的本地时钟。具体来说，在信号接收过程中，由于卫星和用户机的相对运动和时钟参数变化所带来的影响，接收信号的伪码相位和载波多普勒频率存在偏差。这一偏差在一定范围内变化时，可以通过信号处理的方法予以克服。若卫星和用户机的相对运动过大或用户机本振频率偏差过大，则无法捕获卫星信号。而在信号发射过程中，若本振信号偏差过大，即使能够根据接收到的卫星信号完成信息解析、拼装，但偏差过大的本振信号仍旧会导致发射信号超出对应的频率偏差要求，使得接收方信号处理失败。
本振信号的频率偏差可以由晶振老化和环境应力所导致，例如在高低温环境下，本振的频率偏差会明显增大。为改善晶振老化对卫星信号接收带来的不利影响，一般情况下，可定期对北斗用户机的本振进行“纯模拟量”频率校准。但由于这种方式对维护人员要求较高，且效费比偏低，因此传统技术可采用以下方法来进行改善：当北斗用户机本振与标称值偏差不大时，用户机可按照正常流程对卫星信号进行捕获、跟踪、解调，在捕获卫星信号后可以得到初始的多普勒频移值，将此多频率频移值记录在非易失性存储器中。当再次开启北斗用户机时，使用存储的多普勒频移值对捕获环路进行修正，从而改善晶振老化对卫星信号接收带来的不利影响。
然而，传统技术是直接将多普勒频移值作为频差来进行调整，虽然可以起到快速接收北斗卫星信号的作用，在一定程度上改善晶振老化带来的不利影响，但是随着北斗系统的不断发展，目前的调整方法会导致北斗用户机在动态情况下的短报文服务成功率低，存在通信不可靠的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够应对本地晶振老化并提高用户机动态适应能力，进而提高定位通信可靠性的卫星导航通信方法、装置、北斗用户机和存储介质。
为实现上述目的，第一方面，本申请实施例提供了一种卫星导航通信方法，该方法包括：
对于每一目标时刻，分别获取目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏；其中，第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，第二多普勒频移与相对运动和本机的本振频偏相关联；
根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号。
在其中一个实施例中，该方法还包括：在需要发射卫星信号时，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿，并基于发射本振补偿生成发射卫星信号。
在其中一个实施例中，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿的步骤，包括：
分别确定第一波长和第二波长；第一波长为接收卫星信号的信号波长，第二波长为发射卫星信号的信号波长；
计算第一多普勒频移与第一波长的乘积，并将乘积与第二波长的比值确认为发射本振补偿。
在其中一个实施例中，根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏的步骤，包括：
对各初始本振频偏进行拟合，得到频率特性曲线，以及根据本机的工作特性确定估计时段；
将频率特性曲线中对应于估计时段的部分确认为目标曲线，并根据目标曲线确定目标本振频偏。
在其中一个实施例中，目标本振频偏为目标曲线中各初始本振频偏的中值。
在其中一个实施例中，基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏的步骤，包括：
获取本振频率与工作时钟之间的倍频系数；
计算第一多普勒频移与第二多普勒频移的差值，并将差值与倍频系数之比确认为目标时刻对应的初始本振频偏。
在其中一个实施例中，获取目标时刻下的第一多普勒频移的步骤包括：
通过定位解算分别获取本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度；
根据本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度确定本机与卫星间的相对速率；
获取第一波长，将相对速率与第一波长的比值确认为第一多普勒频移；第一波长为接收卫星信号的信号波长。
在其中一个实施例中，获取目标时刻下的第二多普勒频移的步骤，包括：分别获取目标时刻下的载波频率和载波标称频率，并将载波频率与载波标称频率之差确认为第二多普勒频移。
第二方面，本申请实施例提供了一种卫星导航通信装置，该装置包括：
初始本振频偏确定模块，用于在每一目标时刻下，分别获取目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏；其中，第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，第二多普勒频移与相对运动和本机的本振频偏相关联；
本振频率调整模块，用于根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号。
第三方面，本申请实施例提供了一种北斗用户机，其特征在于，北斗用户机用于实现上述卫星导航通信方法的步骤。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述卫星导航通信方法的步骤。
上述卫星导航通信方法、装置、北斗用户机和存储介质，对于每一目标时刻，分别获取目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏。其中，第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，第二多普勒频移与相对运动和本机的本振频偏相关联。根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号。本申请在确定每一目标时刻对应的初始本振频偏时，考虑了卫星和北斗用户机的相对运动在卫星导航通信过程中产生的影响，从而可提高初始本振频偏的准确度；在确定目标本振频偏时，根据多个时刻下的初始本振频偏来确定，考虑了本振工作状态对本振频偏准确性的影响。如此，能够得到准确的目标本振频偏，提高本振的频率准确度。北斗用户机基于目标本振频偏进行卫星导航通信，从而可有效应对晶振老化带来的影响，实现对北斗用户机本振老化的长期观察和自适应调整，进而可提升北斗用户机短报文服务业务的动态适应能力，提升卫星信号的重捕获速度和报文通信成功率，以提高卫星导航通信的可靠性。同时，还可提高北斗用户机的可用性、维修性、保障性水平，在产品全寿命周期内降低因晶振年老化率引起的北斗用户机失效故障，进而改善设备的使用寿命。
附图说明
图1为一个实施例中北斗用户机的信号接收框图；
图2为一个实施例中信号信息处理单元的结构框图；
图3为一个实施例中数控振荡器的结构示意图；
图4为一个实施例中卫星导航通信方法的第一流程示意图；
图5为一个实施例中确定发射本振补偿步骤的流程示意图；
图6为一个实施例中确定目标本振频偏步骤的第一流程示意图；
图7为一个实施例中确定目标本振频偏步骤的第二流程示意图；
图8为一个实施例中确定初始本振频偏步骤的流程示意图；
图9为一个实施例中获取第一多普勒频移步骤的流程示意图；
图10为一个实施例中卫星导航通信方法的第二流程示意图；
图11为一个实施例中卫星导航通信装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。“多个”可以指两个或以上的数量。
如背景技术所述，现有技术会导致北斗用户机在动态情况下的短报文服务成功率低，存在通信不可靠的问题。经发明人研究发现，导致该问题的原因主要有以下两点：一是对本机与卫星的相对运动关注不足，特别是针对MEO(Medium Earth Orbit，中圆地球轨道)卫星导航通信场景，当北斗用户机相对卫星的径向运动速率过高时，会对接收效果产生较大影响。随着北斗系统的不断发展，对北斗用户机的要求也越来越高，除了要求其可以与GEO卫星进行短报文通信业务外，还要求其应用MEO卫星实现全球短报文服务的新业务。在GEO通信场景下，大多数地面静止用户与GEO卫星的相对径向速度不高，相对运动导致的频偏可忽略不计。但是在MEO卫星导航通信场景下，MEO卫星的速度约为4.1km/s，相对于地面用户仰角为零度时的径向移动速度最大约970m/s，在1.673GHz的L段可产生较大的频率偏移约为5.2Khz，因此在此场景下，除了考虑本振老化引起的偏移量外，同时还必须计算北斗用户机相对与MEO卫星的径向运动所引起的频偏。
二是现有技术没有考虑本振频率偏差对北斗信号发射的影响，用于信号接收的频差记录并没有改变本振的准确度，在发射信号时载波频率的偏差仍旧存在，若频差过大将会影响北斗用户机报文发送和定位申请业务的成功率，甚至导致完全失败。
基于此，有必要提供一种能够提升北斗用户机短报文服务业务的动态适应能力，以及卫星信号的重捕获速度和报文通信成功率，以提高卫星导航通信可靠性的卫星导航通信方法、装置、北斗用户机和存储介质。本申请的方案还可用于应对晶振年老化率引起的故障，且适用于恶劣高低温环境下的双模导航信号接收和/或发射处理。
在一个实施例中，提供了一种北斗用户机，该北斗用户机用于实现下述任一实施例所述方法的步骤，可为北斗多模用户机。请参阅图1，图1示出了北斗用户机的信号接收框图，以接收北斗卫星信号为例进行说明，北斗用户机处理北斗卫星信号的过程为：天线接收相应频段内约-130dBm微弱的导航信号，并将接收到的导航信号传输至低噪声放大器；低噪声放大器完成约30dB的信号放大，并将放大后的信号传输至信道单元完成信号的进一步放大和下变频处理，以将信号转为低中频信号；低中频信号经过信号采样后，由信号信息处理单元完成信号捕获、跟踪测量、电文解调，以得到原始观测量并将原始观测量和导航电文传输至后级处理器，其中原始观测量可以包括北斗用户机相对于某颗卫星的卫星号、卫星星历、历书、伪距、伪距率、载波和相位等，导航电文可以包括发射北斗卫星信号的卫星的卫星编号、卫星星历和卫星历书等；后级处理器根据原始观测量和导航电文完成定位和授时解算。
在其中一个实施例中，后级处理器可通过ARM(Advanced RISC Machine)处理器、RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)来实现，在一个示例中，后级处理器可以利用DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)或X86架构的处理器芯片完成。
北斗用户机的本地晶振(以下简称本振)可设计在信道单元内，本振输出的振荡信号经N倍频后，可应用于卫星信号接收的下变频处理和卫星信号发射的上变频处理中，以及充当图1各单元的工作时钟。本振频率偏差将会反映在多普勒频移观测量(即下述各实施例所述的第二多普勒频移)。
在一个实施例中，请参阅图2，图2示出了信号信息处理单元的结构框图，信号信息单元内可设有载波DCO(数控振荡器)。本振输出的振荡信号按照固定倍频系数进行倍频后，可得到信号信息单元的工作时钟。如图3所示，数控振荡器用于根据接收到的工作时钟，输出载波频率。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种卫星导航通信方法，本实施例以该方法应用于北斗用户机进行举例说明，可以理解，该方法也可应用于与卫星进行通信的任意终端设备上。本实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤110，对于每一目标时刻，分别获取目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏；其中，第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，第二多普勒频移与相对运动和本机的本振频偏相关联。
其中，目标时刻是指计算本振频偏的时刻，各目标时刻可根据预设时间间隔来确定，在一个示例中，预设时间间隔可从1秒到60秒的区间内选取。第一多普勒频移是指仅由本机与卫星的相对运动所引起的频率偏差。第二多普勒频移可以为北斗用户机对多普勒频移的测量值，具体包括了本振的频率偏差以及本机与卫星的相对运动所产生的频率偏差。初始本振频偏是指目标时刻对应的本振频率偏差，需要说明的是，由于本振进入稳定工作状态需要一定的时间，因此不同目标时刻所对应的初始本振频偏可不相同。
具体而言，当目标时刻到来时，北斗用户机可获取当前的第一多普勒频移和第二多普勒频移，由于第一多普勒频移的值仅由本机与卫星的相对运动来决定，第二多普勒频率的值由相对运动和本振频偏来决定，因此可基于第一多普勒频移和第二多普勒频移来确定当前目标时刻对应的初始本振频偏。当每一次目标时刻到来时，均重复执行前述操作，以得到每个目标时刻对应的初始本振频偏。
在其中一个实施例中，在分别获取第一多普勒频移和第二多普勒频移的步骤之前，还可以包括步骤：完成北斗各个频点导航信号和GNSS(Global Navigation SatelliteSystem，全球导航卫星系统)各个频点导航信号的精密跟踪和导航电文的解调，以提高第一多普勒频移和第二多普勒频移的准确性，进一步提高初始本振频偏的准确性。
步骤120，根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号。
其中，目标本振频偏是指本振的固定调整量，换言之，可按照目标本振频偏来调整本振的输出频率(即本振频率)，以使调整后的本振频率与卫星同步。
具体而言，当北斗用户机开机之后，在一定时段内本振尚未进入到稳定工作状态，若根据本振未稳定工作时测量得到初始本振频偏来对本振进行永久调整，则有可能导致北斗用户机无法与卫星进行通信，即无法接收卫星所发送的通信信号，或者卫星无法对北斗用户机发送的通信信号进行正确的解析和拼装。因此，为考虑本振工作状态对本振频偏准确性的影响，并提高北斗用户机动态调整的成功率，在确定目标本振频偏时，可根据多个初始本振频偏来确定，例如，可将多个初始本振频偏中的中值或均值确认为目标本振频偏，以使目标本振频偏尽量契合本振的实际频偏。
需要说明的是，确定目标本振频偏所使用的多个初始本振频偏，并不等同于全部目标时刻下的初始本振频偏。换言之，若一数据集合内有且仅有全部目标时刻下的初始本振频偏，则在确定目标本振频偏时，可随机或按照预设的抽取方式从数据集合中抽取出多个初始本振频偏，抽取得到的初始本振频偏可以为数据集合内的部分或全部数据。
在其中一个实施例中，基于目标本振频偏调整本机的本振频率的步骤可以包括：将目标本振频偏换算为本振的电压调整量，并通过电压调整量对本振进行模拟量调整。需要说明的是，除了可以对本振进行模拟量调整外，还可对本振进行数字量调整，本申请对本振调整方式不作具体限定，只需能按照目标本振频偏调整本振频率即可。
进一步地，基于目标本振频偏调整本机的本振频率的步骤，还可包括：将目标本振频偏和/或电压调整量保存在非易失性存储器中，如此，通过将目标本振频偏保存在存储器中，从而可方便维修人员对数据进行溯源，便于北斗用户机的后续优化和维护；通过将电压调整量保存在存储器中，从而可缩短北斗用户机的本振调整时间，保证设备开机后可以快速捕获跟踪卫星信号，提升北斗用户机的响应速度。
在其中一个实施例中，卫星导航通信方法还包括步骤：将目标本振频偏和/或电压调整量存储在FLASH中。由于目标本振频偏和电压调整量均为缓变量，变化速率较慢，因此可将其存储在FLASH中，在减少FLASH擦除重写次数的同时，令北斗用户机在再次开机时即可接收信号。
上述卫星导航通信方法中，在确定每一目标时刻对应的初始本振频偏时，考虑了卫星和北斗用户机的相对运动在卫星导航通信过程中产生的影响，从而可提高初始本振频偏的准确度；在确定目标本振频偏时，根据多个时刻下的初始本振频偏来确定，考虑了本振工作状态对本振频偏准确性的影响。如此，能够得到准确的目标本振频偏，提高本振的频率准确度。北斗用户机基于目标本振频偏进行卫星导航通信，从而可有效应对晶振老化带来的影响，实现对北斗用户机本振老化的长期观察和自适应调整，进而可提升北斗用户机短报文服务业务的动态适应能力，和卫星信号的重捕获速度和报文通信成功率，以提高卫星导航通信的可靠性。同时，还可提高北斗用户机的可用性、维修性、保障性水平，在产品全寿命周期内降低因晶振年老化率引起的北斗用户机失效故障，进而改善设备的使用寿命。
在一个实施例中，卫星导航通信方法还包括：在需要发射卫星信号时，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿，并基于发射本振补偿生成发射卫星信号。
其中，发射本振补偿是指在生成发射卫星信号时需要进行补偿的量。
具体而言，随着北斗用户机的更新换代，其短报文服务能力较之前有了较大的提升。例如北斗三代用户机的短报文服务能力较之前的北斗二代用户机有所提升，其除了支持原有的与GEO卫星进行短报文通信业务外，还支持应用MEO卫星实现全球短报文服务的新业务。由于北斗用户机支持不同类型的卫星导航通信场景，因此，在进行短报文业务服务时，需要根据报文数据量、是否在GEO卫星覆盖区等信息，自动判断需要选择哪一类目标卫星来完成服务内容。
当由GEO卫星完成信号中继的短报文通信业务时，大多数地面静止用户与GEO卫星的相对径向速度不高，由相对运动产生的频移(即第一多普勒频移)可忽略不计，在进行信号发射时，可将本振的频率精度保持在小于或等于5×10-7范围内即可满足使用要求。当由MEO卫星进行短报文通信业务时，由于MEO卫星与北斗用户机的径向移动运动较大，在信号发射时，除了要考虑晶振老化导致的本振频偏外，还需要同时计算相对运动引起的频移。
因此，在调整本机的本振频率后，在进行信号发射时，还需要第一多普勒频移对发射卫星信号进行补偿。具体而言，在需要发射卫星信号时，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿，例如目标时刻1对应第一多普勒频移1，目标时刻2对应第一多普勒频移2。若当前时刻为目标时刻1，则采用第一多普勒频移1确定发射本振补偿；若当前时刻为目标时刻2，则采用第一多普勒频移2确定发射本振补偿。在确定发射本振补偿后，在生成发射卫星信号的过程中，需按照发射本振补偿进行补偿，以使输出的发射卫星信号能够克服晶振老化导致的本振频偏和相对运动引起的频移。
在其中一个实施例中，如图5所示，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿的步骤，包括：
步骤210，分别确定第一波长和第二波长；第一波长为接收卫星信号的信号波长，第二波长为发射卫星信号的信号波长；
步骤220，计算第一多普勒频移与第一波长的乘积，并将乘积与第二波长的比值确认为发射本振补偿。
具体而言，在接收到北斗短报文服务卫星某频点信号(即接收卫星信号)时，可得到该信号的信号波长λ1，在据此计算出对应的径向频移，即当前时刻下的第一多普勒频移。若发射卫星信号的信号波长为λ2，则可按照fD×λ1/λ2来计算发射本振补偿，其中fD为当前时刻下的第一多普勒频移，λ1为第一波长，λ2为第二波长。
在其中一个实施例中，卫星导航通信方法还包括步骤：将第一多普勒频偏存储在RAM中。由于第一多普勒频偏为时变量，其变化速率较快，导致数据更新速度也快，因此可将其存储在RAM中，以提升存储器的使用寿命。如此，在卫星信号失锁重捕获或者短报文通信发射时，可进行数字量调整(或模拟量调整)，以提高卫星信号的重捕获速度和报文通信成功率。
本实施例中，通过根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿，并基于发射本振补偿生成发射卫星信号，从而可针对业务卫星的动态情况改变本振频率，并可较好地应对信号失锁重捕，适应频率变化，进而提升北斗用户机动态情况下的短报文服务成功率。如此，同时考虑了北斗多模用户机本地晶振老化对导航信号接收和发射的影响，通过对接收信号的捕获跟踪测量，完成本地晶振老化偏移量的软件计算，并根据发射信号针对的服务卫星计算频率控制模拟量的修正值，不仅可将北斗用户机的维护时间从3年提升至6年以上，提高设备寿命，还可提升用户机动态使用范围。
在一个实施例中，如图6所示，根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏的步骤，包括：
步骤310，对各初始本振频偏进行拟合，得到频率特性曲线，以及根据本机的工作特性确定估计时段；
步骤320，将频率特性曲线中对应于估计时段的部分确认为目标曲线，并根据目标曲线确定目标本振频偏。
其中，频率特性曲线是指初始本振频偏随时间变化的曲线，换言之以时间为自变量，初始本振频偏为因变量的曲线，可用于反映初始本振频偏随时间变化的趋势。估计时段是指用于确定目标本振频偏的初始本振频偏的取值范围，也即用于确定需采用频率特性曲线中的哪一段曲线来确定目标本振频偏。
具体而言，可采用现有技术中的任意拟合方法对全部目标时刻下的初始本振频偏进行拟合，以生成频率特性曲线，在一个示例中，可采用最小二乘法处理各初始本振频偏。同时，还可按照本机的工作特性来确定估计时段，例如，若本机的工作特性为开机后立刻进入工作状态，则可将[0,60]确认为估计时段，其中0对应着开机时刻，60对应着开机后60秒；若本机的工作特定为开机若干分钟后进入精确的测量工作状态，则可将[180,300]确认为估计时段，其中180对应着开机时刻后180秒，300对应着开机后300秒。
在确定估计时段后，根据频率特性曲线中对应于估计时段的部分确定目标本振频偏，例如在前述示例中，若估计时段为[0,60]，则根据时间为[0,60]所对应的频率特性曲线确定目标本振频偏。在一个示例中，频率特性曲线中对应于估计时段的部分为目标曲线，目标本振频偏为目标曲线中各初始本振频偏的中值，从而可进一步提高目标本振频偏的准确性。
在其中一个实施例中，如图7所示，确定目标本振频偏的步骤可具体包括：
步骤410，捕获跟踪各卫星信号，测量当前时刻下的伪距和多普勒频偏(包括第一多普勒频偏和第二多普勒频偏)；
步骤420，根据当前时刻下的第一多普勒频偏和第二多普勒频偏，首次计算初始本振频偏△f；
步骤430，设置预设时间间隔，预设时间间隔可为1秒至60秒；
步骤440，记录10分钟～30分钟，100组以上△f数据；
步骤450，采用最小二乘法计算△f线性拟合曲线(即频率特性曲线)，取其中值作为本振频偏的固定调整量(即目标本振频偏)。
具体而言，通常情况下北斗用户机开机后，几分钟内即可完成定位解算，从而计算出本振的频率偏差。此时，北斗用户机的本振还未进入到稳定工作状态，并不适于根据此时的Δf对本振进行永久调整。在此情况下，可每秒或每分钟记录一个Δf值，连续记录10到30分钟可得到本振的开机频率特性曲线。根据本振开机时的频率特性曲线，可取其中值作为本振频差的调整量，以便较好地兼顾北斗用户机开机信号接收速度与信号发射的固有频差。
本实施例中，通过对各初始本振频偏进行数据拟合，并根据拟合得到的频率特性曲线确定目标本振频偏，从而可将初始本振频偏中的野值、错误值或误差过大的值剔除，为用户机选择合理的目标本振频偏提供更准确的参考，避免少数测量样本错误而导致的严重后果，进而提高数据的准确性。
在一个实施例中，如图8所示，基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏的步骤，包括：
步骤510，获取本振频率与工作时钟之间的倍频系数；
步骤520，计算第一多普勒频移与第二多普勒频移的差值，并将差值与倍频系数之比确认为目标时刻对应的初始本振频偏。
具体而言，若本振完全准确，即没有频率偏差，则fd＝fD(忽略星载原子钟的误差)，但由于本振的频率存在频差，一般情况下fd并不等于fD，二者的差值为本振频偏Δf的N倍(N为信道单元工作时钟与本振频率间的倍频系数)，因此可由Δf＝(fD－fd)/N来得到目标时刻下的初始本振频偏，从而提高初始本振频偏的准确性。
在一个实施例中，如图9所示，获取目标时刻下的第一多普勒频移的步骤，包括：
步骤610，通过定位解算分别获取本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度；
步骤620，根据本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度确定本机与卫星间的相对速率；
步骤630，获取第一波长，将相对速率与第一波长的比值确认为第一多普勒频移；第一波长为接收卫星信号的信号波长。
具体而言，定位解算主要是通过获取4颗以上卫星的观测量，包括伪距、相位、多普勒频移、卫星星历等。然后利用卫星星历得到卫星的坐标、速度，利用伪距观测量、卫星坐标和多普勒可解算出北斗用户机的本地坐标(即本机坐标)，本机速度和时间信息输出。
进一步地，请参阅图2，北斗用户机可通过本地复制信号实现对接收卫星信号的跟踪，在本地复制信号通过计数器和相位寄存器的锁存结果计算得到伪码伪距、载波相位、载波多普勒频偏，在积分结果Ip中提取恢复卫星星历。
根据卫星坐标、卫星速度、本机坐标和本机速度，可以计算出卫星与北斗用户机的相对速率VD，并可按照fD＝VD/λ1计算第一多普勒频移。
在一个实施例中，获取目标时刻下的第二多普勒频移的步骤，包括：分别获取目标时刻下的载波频率和载波标称频率，并将载波频率与载波标称频率之差确认为第二多普勒频移。
具体而言，在载波跟踪工作正常的情况下，可由载波DCO的频率控制字寄存器得到载波频率fout，并由频率综合器得到载波标称频率fnom，则第二多普勒频移fd可为fout－fnom。在一个示例中，fout＝K/2M*fs，其中，K为频率控制字，M为加法器位数，fs为工作时钟频率，工作时钟由本振输出的振荡信号按照固定倍频系数进行倍频后得到。
在一个示例中，如图10所示，卫星导航通信方法可包括以下步骤：
步骤712，捕获跟踪各卫星信号，测量伪距和多普勒频移(包括第一多普勒频移和第二多普勒频移)；
步骤714，定位解算、频偏计算(包括初始本振频偏和目标本振频偏)；
步骤716，本振老化的应对；
步骤718，对于接收卫星信号，确定晶振年老化和环境应力导致的频偏缓变量；
步骤720，模拟量调整：通过高精度数模转换器对本振控制电压实现模拟量调整；
步骤722，将频偏缓变量存储于FLASH中；
步骤724，对于发射信号，确定多普勒频移和力学应力导致的频偏时变量；
步骤726，数字量调整：对发射信号频偏补偿调整，适应频率变化；
步骤728，将频偏时变量存储于RAM中；
步骤730，完成校频及报文发送。
其中，频偏缓变量主要包括晶振年老化，用于保证设备开机后可以快速捕获跟踪卫星信号。频偏时变量主要包括多普勒频偏，用于较好应对信号失锁重捕，并对发射信号频偏补偿调整，适应频率变化。
本申请的方案可对多颗卫星信号的多个多普勒频移进行分别测量，首先完成北斗用户机的定位、测速、解算，根据与多颗卫星的径向运动值(即相对运动)计算出本振频率偏差，并将频率偏差中值换算为本振的电压调整量，以进行模拟量调整，并将此本振频率偏差与电压调整量保存在非易失性存储器中。此外将北斗用户机相对于各卫星的频差保存于RAM中，在卫星信号失锁重捕获时或短报文通信发射时，进行数字量调整，以提高卫星信号的重捕获速度和报文通信成功率。如此，不仅能够预防晶振老化对北斗多模用户机信号接收的影响，也能改善用户机信号发射的成功率，有效提升设备的长期维护效率，改善设备的使用寿命。
应该理解的是，虽然图4-10的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图4-10中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图11所示，提供了一种卫星导航通信装置80，包括：初始本振频偏确定模块810和本振频率调整模块820，其中：
初始本振频偏确定模块810，用于在每一目标时刻下，分别获取目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏；其中，第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，第二多普勒频移与相对运动和本机的本振频偏相关联；
本振频率调整模块820，用于根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号。
在一个实施例中，卫星导航通信装置80还包括发射模块，发射模块用于在需要发射卫星信号时，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿，并基于发射本振补偿生成发射卫星信号。
在一个实施例中，发射模块包括波长确定单元和补偿确定单元。其中，波长确定单元用于分别确定第一波长和第二波长；第一波长为接收卫星信号的信号波长，第二波长为发射卫星信号的信号波长。补偿确定单元用于计算第一多普勒频移与第一波长的乘积，并将乘积与第二波长的比值确认为发射本振补偿。
在一个实施例中，本振频率调整模块820拟合单元和第一频偏确定单元。其中，拟合单元用于对多个初始本振频偏进行拟合，得到频率特性曲线，以及根据本机的工作特性确定估计时段。频偏确定单元用于将频率特性曲线中对应于估计时段的部分确认为目标曲线，并根据目标曲线确定目标本振频偏。
在一个实施例中，频偏确定单元用于将目标曲线中各初始本振频偏的中值确认为目标本振频偏。
在一个实施例中，初始本振频偏确定模块810包括倍频系数获取单元和第二频偏确定单元。其中，倍频系数获取单元用于获取本振频率与工作时钟之间的倍频系数。第二频偏确定单元用于计算第一多普勒频移与第二多普勒频移的差值，并将差值与倍频系数之比确认为目标时刻对应的初始本振频偏。
在一个实施例中，初始本振频偏确定模块810包括参数获取单元、相对速率计算单元和第一多普勒频移确定单元。其中，参数获取单元用于通过定位解算分别获取本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度。相对速率计算单元用于根据本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度确定本机与卫星间的相对速率。第一多普勒频移确定单元用于获取第一波长，将相对速率与第一波长的比值确认为第一多普勒频移；第一波长为接收卫星信号的信号波长。
在一个实施例中，初始本振频偏确定模块810包括第二多普勒频移确定单元，第二多普勒频移确定单元用于分别获取目标时刻下的载波频率和载波标称频率，并将载波频率与载波标称频率之差确认为第二多普勒频移。
关于卫星导航通信装置的具体限定可以参见上文中对于卫星导航通信方法的限定，在此不再赘述。上述卫星导航通信装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
对于每一目标时刻，分别获取目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于第一多普勒频移和第二多普勒频移得到目标时刻对应的初始本振频偏；其中，第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，第二多普勒频移与相对运动和本机的本振频偏相关联；
根据多个目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：在需要发射卫星信号时，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿，并基于发射本振补偿生成发射卫星信号。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：分别确定第一波长和第二波长；第一波长为接收卫星信号的信号波长，第二波长为发射卫星信号的信号波长；计算第一多普勒频移与第一波长的乘积，并将乘积与第二波长的比值确认为发射本振补偿。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：对多个初始本振频偏进行拟合，得到频率特性曲线，以及根据本机的工作特性确定估计时段；将频率特性曲线中对应于估计时段的部分确认为目标曲线，并根据目标曲线确定目标本振频偏。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：将目标曲线中各初始本振频偏的中值确认为目标本振频偏。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：获取本振频率与工作时钟之间的倍频系数；计算第一多普勒频移与第二多普勒频移的差值，并将差值与倍频系数之比确认为目标时刻对应的初始本振频偏。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：通过定位解算分别获取本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度；根据本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度确定本机与卫星间的相对速率；获取第一波长，将相对速率与第一波长的比值确认为第一多普勒频移；第一波长为接收卫星信号的信号波长。
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：分别获取目标时刻下的载波频率和载波标称频率，并将载波频率与载波标称频率之差确认为第二多普勒频移。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种卫星导航通信方法，其特征在于，所述方法包括：
对于每一目标时刻，分别获取所述目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于所述第一多普勒频移和所述第二多普勒频移得到所述目标时刻对应的初始本振频偏；其中，所述第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，所述第二多普勒频移与所述相对运动和本机的本振频偏相关联；
根据多个所述目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于所述目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号；
基于所述第一多普勒频移和所述第二多普勒频移得到所述目标时刻对应的初始本振频偏的步骤，包括：
获取本振频率与工作时钟之间的倍频系数；
计算所述第一多普勒频移与所述第二多普勒频移的差值，并将所述差值与所述倍频系数之比确认为所述目标时刻对应的初始本振频偏。
2.根据权利要求1所述的卫星导航通信方法，其特征在于，所述方法还包括：
在需要发射卫星信号时，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿，并基于所述发射本振补偿生成发射卫星信号。
3.根据权利要求2所述的卫星导航通信方法，其特征在于，根据当前时刻下的第一多普勒频移确定发射本振补偿的步骤，包括：
分别确定第一波长和第二波长；所述第一波长为接收卫星信号的信号波长，所述第二波长为发射卫星信号的信号波长；
计算所述第一多普勒频移与所述第一波长的乘积，并将所述乘积与所述第二波长的比值确认为所述发射本振补偿。
4.根据权利要求1所述的卫星导航通信方法，其特征在于，根据多个所述目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏的步骤，包括：
对各所述初始本振频偏进行拟合，得到频率特性曲线，以及根据本机的工作特性确定估计时段；
将所述频率特性曲线中对应于所述估计时段的部分确认为目标曲线，并根据所述目标曲线确定所述目标本振频偏。
5.根据权利要求4所述的卫星导航通信方法，其特征在于，所述目标本振频偏为所述目标曲线中各初始本振频偏的中值。
6.根据权利要求1至5任一项所述的卫星导航通信方法，其特征在于，获取所述目标时刻下的第一多普勒频移的步骤，包括：
通过定位解算分别获取本机坐标、本机速度、卫星坐标和卫星速度；
根据所述本机坐标、所述本机速度、所述卫星坐标和所述卫星速度确定本机与卫星间的相对速率；
获取第一波长，将所述相对速率与所述第一波长的比值确认为所述第一多普勒频移；所述第一波长为接收卫星信号的信号波长。
7.根据权利要求1至5任一项所述的卫星导航通信方法，其特征在于，获取所述目标时刻下的第二多普勒频移的步骤，包括：
分别获取所述目标时刻下的载波频率和载波标称频率，并将所述载波频率与所述载波标称频率之差确认为所述第二多普勒频移。
8.一种卫星导航通信装置，其特征在于，所述装置包括：
初始本振频偏确定模块，用于在每一目标时刻下，分别获取所述目标时刻下的第一多普勒频移和第二多普勒频移，并基于所述第一多普勒频移和所述第二多普勒频移得到所述目标时刻对应的初始本振频偏；其中，所述第一多普勒频移与本机和卫星的相对运动相关联，所述第二多普勒频移与所述相对运动和本机的本振频偏相关联；
本振频率调整模块，用于根据多个所述目标时刻对应的初始本振频偏确定目标本振频偏，并基于所述目标本振频偏调整本机的本振频率，以通过调整后的本振频率接收卫星信号；
所述初始本振频偏确定模块，包括：
倍频系数获取单元，用于获取本振频率与工作时钟之间的倍频系数；
第二频偏确定单元，用于计算所述第一多普勒频移与所述第二多普勒频移的差值，并将所述差值与所述倍频系数之比确认为所述目标时刻对应的初始本振频偏。
9.一种北斗用户机，其特征在于，所述北斗用户机包括天线，与天线连接的低噪声放大器，与低噪声放大器连接的下/上变频信道以及与下/上变频信道连接的信号信息处理单元，所述北斗用户机用于实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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