CN113031032B - 一种卫星导航设备的零值信号自闭环处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种卫星导航设备的零值信号自闭环处理方法：在导航设备的FPGA中生成零值发射伪码，缓存到FPGA自带的存储器RAM中；对零值发射伪码进行射频调制得到零值射频信号，与从天线接收到的射频信号进行信号耦合；利用从所述RAM中回读的零值接收伪码对所述零值发射伪码进行捕获跟踪，测量出零值时延。本发明先缓存零值发射伪码，再通过从RAM中回读的方式得到零值接收伪码，这样就省去一个专门用于复制接收伪码的码模块，同时零值射频信号与设备接收的卫星信号共用同一个射频通道，不仅节省了逻辑资源，还避免了因发射伪码异常使零值捕获跟踪失败的问题，提高了抗干扰的能力。

Description

一种卫星导航设备的零值信号自闭环处理方法

技术领域

本发明属于卫星导航信号处理领域，具体涉及一种卫星导航设备的零值自闭环处理方法。

背景技术

对于卫星导航设备，精密测距是最基本的功能之一，星地伪距测量值扣除设备收发电路本身的通道零值时延，才能得到星地之间的真实距离。设备通道零值时延的测量精度将直接影响星地之间的测距精度。对于一台固定的设备，其通道零值时延是相对稳定不变的，然而设备内部器件损坏或老化、或环境温度变化都会引起零值时延的变化，所以对零值时延的实时精确测量很有必要。

传统的通道时延测量方法比如高速示波器法，无法保证实时性，且只适用于地面通道时延标定；基于标准时间测量法、微波开关法虽适用于卫星通道时延标定，但复杂度较高，且实时性也较差。还有一些基于伪码相关测距原理的卫星通道时延标定方法，可以实现实时在轨的高精度测量，通过捕获跟踪获得伪码测距值即通道零值时延。捕获跟踪的关键在于复制出与接收信号的相位或频率严格一致的本地载波和本地伪码信号，目前的做法均是在卫星导航设备中利用零值发射码模块生成零值发射伪码，利用另一个码模块即零值接收码模块复制出相应的载波和伪码信号。而对于卫星导航设备，多一个模块，受单粒子影响的风险就会增大一些，信号接收异常的可能性就会增大，设备的抗干扰能力变差。若其中一个码模块受到单粒子的影响，则生成的信号异常，与另一个码模块生成的信号进行相关运算时就无法获取最大相关峰，信号捕获跟踪失败，就无法获得伪距测量值即通道零值时延获取失败。且有些基于伪码相关测距原理的测量方法需要建立3条闭环回路，结构较为复杂。

发明内容

本发明针对目前卫星导航设备的零值时延测量方法抗干扰能力差，结构复杂的问题，研究实现了一种卫星导航设备零值信号自闭环处理的方法，该方法是在卫星导航设备的同一片FPGA芯片中，零值发射伪码与零值接收伪码的生成只用到一个码模块，即利用一个零值码模块生成零值发射伪码，经过L调制器调制成零值射频信号发射出去，同时将零值发射伪码缓存到存储器中，零值接收伪码就是从存储器中回读得到的，这样与零值发射信号做相关时就不需要利用另一个码模块来复制生成零值接收伪码了。既然零值接收伪码就是由零值发射伪码缓存回读的伪码，二者一致，就是两个相同序列的伪码，即使零值码模块受到单粒子打翻，生成的零值发射伪码出现异常，某一比特位或多比特位被翻转，那么缓存回读的零值接收伪码也会出现同样的异常现象，即相同比特位被打翻，所以零值发射伪码和零值接收伪码的序列仍然保持一致，二者做相关时可以找到最大相关峰，确保捕获跟踪的可靠性，提高卫星导航设备抗单粒子的能力，并且还保证了零值自闭环回路的正常，确保了零值时延测量的实时性，实现了对射频通道的可靠监测。由于省去一个专门用于复制伪码的码模块，因此不仅节省了逻辑资源，还避免了因发射伪码异常使零值跟踪失败，从而失去对射频通道的监测功能、使抗干扰能力变差的问题。同时该方法中，零值射频信号与设备接收的卫星信号共用同一个射频通道，所以通过监测零值时延可以获知射频通道的状态。该方法不仅节省了逻辑资源，提高了抗干扰能力，提高了可靠性，而且结构简单，易于综合实现。

本发明的卫星导航设备的零值自闭环处理方法，包括以下步骤：

S1. 信号调制

S11. 在导航设备的FPGA中利用零值发射码模块生成零值发射伪码，将其输出给调制器；并将所述零值发射伪码缓存到FPGA自带的存储器RAM中；

S12. 调制器对所述零值发射伪码进行射频调制，生成零值射频信号，发送给耦合器；

S13. 耦合器将所述零值射频信号与从天线接收到的射频信号进行信号耦合，输出耦合后的信号；

S14. 对所述耦合后的信号进行射频前端处理，将射频前端处理结果发送给导航设备的FPGA；

S2. 解调天线接收信号

导航设备的FPGA对天线接收信号进行捕获跟踪，解调出所述天线接收信号中的导航电文数据比特，并解译出卫星导航设备的导航电文参数；

S3. 测量信号通道时延

S31. 从存储器RAM中回读缓存的零值发射伪码，将回读结果作为零值接收伪码；

S32. 利用所述零值接收伪码对所述零值发射伪码进行捕获跟踪，测量出从零值发射伪码到零值接收伪码的所用的时间，即零值时延。

本发明的有益效果是：

省去一个用于复制接收伪码的码模块，不仅节省了逻辑资源，而且避免了因发射伪码异常使零值捕获跟踪失败，失去对设备通道的监测功能，导致整个接收工作异常的问题，即提高了抗干扰的能力。该方法不仅节省了逻辑资源，提高了可靠性和抗干扰能力，而且结构简单，易于综合实现。经过某航天项目验证，该方法稳定可靠，实用价值高。

附图说明

图1是本发明的硬件结构框图；

图2是本发明的信号处理流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图对本发明进行进一步说明。

1.信号调制

图1是本发明的硬件结构框图。如图1所示，导航设备中的FPGA负责生成零值发射伪码，并将该零值发射伪码输出给调制器进行射频调制，生成零值射频信号，然后发射出去，与接收到的卫星天线射频信号耦合，耦合之后的射频信号经过射频前端处理，包括低噪放、下变频、滤波、放大和AD转换，变成中频信号又环回到导航设备，由导航设备中的FPGA进行零值捕获跟踪处理。

图2显示了本发明的信号处理流程图。

1） 在导航设备的FPGA中利用零值发射码模块生成零值发射伪码，将其输出给调制器；并将所述零值发射伪码缓存到FPGA自带的存储器RAM中。

零值发射伪码利用多级反馈移位寄存器生成；采用64级的反馈移位寄存器，零值发射伪码的周期为2^64。

2） 调制器对所述零值发射伪码进行射频调制，生成零值射频信号，发送给耦合器。所述射频调制包括：将零值发射伪码经过L调制器上变频成L频段的零值射频信号。

3） 耦合器将所述零值射频信号与从天线接收到的射频信号进行信号耦合，输出耦合后的信号；所述信号耦合是将两个L频段的射频信号相加。

4） 对所述耦合后的信号进行射频前端处理，将射频前端处理结果发送给导航设备的FPGA；所述射频前端处理包括：将接收到的射频模拟信号离散成数字中频信号，具体包括低噪放、下变频、滤波、放大和AD转换处理，生成数字中频信号。

2. 信号解调

导航设备接收到信号以后，首先对信号进行载波解调，使信号的中心频率从L1下变频到零，然后再将载波解调后的信号与导航设备内部复制的伪码做自相关运算，剥离卫星信号中的伪码，使信号频宽变回到只含数据码的基带。导航设备中进行的这个伪码相关运算通常称为解扩。凭着伪码良好的自相关特性，导航设备在解扩过程中一方面将天线接收信号中的伪码解调出来而获得数据码；另一方面根据伪码自相关函数主峰位置而获得接收到的伪码信号相位，即为零值发射伪码的相位，进而可获得从发射端到接收端的距离测量值。

1）解调天线接收信号

天线所接收的卫星导航信号的结构包括载波、伪码和数据码。对于天线接收的卫星导航信号来说，伪码是很重要的一层，其目的之一是用来实现码分多址，目的之二是用来测距，但这种结构固定的伪码必然不能传递任何导航电文数据信息，导航电文数据信息还要靠数据码。数据码是导航信号中的第三个层次，它是一列载有导航电文的二进制码。之所以还包括载波是因为伪码和数据码都是二进制码，是数字信号，而数字信号信息在传播媒体中是不利于传播的，所以将数据码经过伪码的扩频调制后再调制载波，使数字信号的频宽中心频率从零转移到载波频率，然后利用传播媒体传播出去。

a. 导航设备的FPGA对所述射频前端处理结果做下变频和抗干扰处理，然后对天线接收信号进行捕获跟踪。

b. 解调出所述天线接收信号中的导航电文数据比特，并解译出卫星导航设备的导航电文参数；

2）测量信号通道时延

零值发射伪码的作用是测距，即测量通道时延，在伪码解调解扩时获得测距值。零值发射伪码的结构只包括载波和伪码，它是不含数据码的。

a. 从存储器RAM中回读缓存的零值发射伪码，将回读结果作为零值接收伪码；

b. 利用所述零值接收伪码对所述零值发射伪码进行捕获跟踪，确定零值发射伪码的相位，进而测量出从零值发射伪码到零值接收伪码的所用的时间，即零值时延；

所述确定零值发射伪码的相位，包括：

根据伪码自相关函数主峰位置获得接收到的伪码信号相位，即为零值发射伪码的相位。

c. 对所述零值时延进行实时监测，根据所述零值时延判断设备通道工作是否正常。

上述对天线接收信号和零值发射伪码进行捕获跟踪，是用两组载波环和码环分别对接收到的信号进行的，接收到的信号包括天线接收信号和零值发射伪码，捕获跟踪过程为：

载波环使其复制的载波信号与所述接收到的信号中的载波保持一致，通过混频机制剥离所述接收到的信号中的载波；

码环利用码发生器复制出与所述接收到的信号中的伪码一致的伪码，然后对所述接收到的信号中的伪码和复制出的伪码进行自相关运算，从而剥离所述接收到的信号中的伪码。

本发明针对导航接收机中零值信号的发射伪码与接收伪码一致的特点，研究实现了一种零值信号自闭环处理的方法，该方法在同一片FPGA芯片中，将零值发射码扩频调制，与零值接收码解调解扩时只用到一个码模块，接收时不需要另一个码模块来复制一个相同的零值扩频信号。对零值接收信号跟踪使用的就是由发射伪码缓存回读的接收伪码，二者一致，是两个相同序列的伪码，即使零值发射伪码出现异常，缓存的接收伪码也会出现相同的异常现象，确保了捕获跟踪的可靠性，从而保证零值自闭环回路的正常，实现对射频通道的可靠监测。由于省去一个用于复制伪码的码模块，因此不仅节省了逻辑资源，而且也避免了因发射伪码异常使零值跟踪失败，失去对射频通道的监测功能，进而导致整个接收工作异常的问题。该方法不仅节省了逻辑资源，提高了抗干扰能力和可靠性，还具有结构简单，易于实现的优点。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装Windows或者Windows Server操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种卫星导航设备的零值信号自闭环处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.信号调制

S11.在导航设备的FPGA中利用零值发射码模块生成零值发射伪码，将其输出给调制器；并将所述零值发射伪码缓存到FPGA自带的存储器RAM中；

S12.调制器对所述零值发射伪码进行射频调制，生成零值射频信号，发送给耦合器；

S13.耦合器将所述零值射频信号与从天线接收到的射频信号进行信号耦合，输出耦合后的信号；

S14.对所述耦合后的信号进行射频前端处理，将射频前端处理结果发送给导航设备的FPGA；

S2.解调天线接收信号

导航设备的FPGA对天线接收信号进行捕获跟踪，解调出所述天线接收信号中的导航电文数据比特，并解译出卫星导航设备的导航电文参数；

S3.测量信号通道时延

S31.从存储器RAM中回读缓存的零值发射伪码，将回读结果作为零值接收伪码；

S32.利用所述零值接收伪码对所述零值发射伪码进行捕获跟踪，测量出从零值发射伪码到零值接收伪码的所用的时间，即零值时延；

所述对天线接收信号进行捕获跟踪以及对零值发射伪码进行捕获跟踪，包括：

用两组载波环和码环分别对接收到的信号进行捕获跟踪，所述接收到的信号为天线接收信号或零值发射伪码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S11中：

所述零值发射伪码利用多级反馈移位寄存器生成；采用64级的反馈移位寄存器，零值发射伪码的周期为2^64。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S12中：

所述射频调制包括：将零值发射伪码经过L调制器上变频成L频段的零值射频信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S13中：

所述信号耦合是将两个L频段的射频信号相加。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S14中：

所述射频前端处理包括：将接收到的射频模拟信号离散成数字中频信号，具体包括低噪放、下变频、滤波、放大和AD转换处理，生成数字中频信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中：

导航设备的FPGA先对所述射频前端处理结果做下变频和抗干扰处理，然后再对天线接收信号进行捕获跟踪。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S32中：

对所述零值发射伪码进行捕获跟踪，确定零值发射伪码的相位，从而测量出零值时延；对所述零值时延进行实时监测，根据所述零值时延判断设备通道工作是否正常。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述确定零值发射伪码的相位，包括：

根据伪码自相关函数主峰位置获得接收到的伪码信号相位，即为零值发射伪码的相位。

9.根据权利要求1所述的方法，所述捕获跟踪包括：

载波环使其复制的载波信号与所述接收到的信号中的载波保持一致，通过混频机制剥离所述接收到的信号中的载波；

码环利用码发生器复制出与所述接收到的信号中的伪码一致的伪码，然后对所述接收到的信号中的伪码和复制出的伪码进行自相关运算，从而剥离所述接收到的信号中的伪码。

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