CN115097500B - 一种可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法 - Google Patents

一种可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法。所述方法包括：可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，通过缓存准时相关支路对应的伪码码片及相邻的超前和滞后伪码码片，根据其他相关峰采集支路的码相位与准时相关支路的码相位差异计算出伪码码片的索引值，根据索引值直接从缓存的三个码片中提取该相关支路对应的伪码码片，与接收信号进行相关累加即可获得所需要的相关累加值。采用本方法不仅可以实现不同相关支路间的相关间隔任意可调，同时可以显著降低伪码生成器资源，由传统每个相关峰采集支路均需要独立的伪码生成器，减少为共用准时支路伪码生成器。

Description

一种可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法
技术领域
本申请涉及卫星导航定位技术领域，特别是涉及一种可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法。
背景技术
卫星导航系统具有全天时、全天候、全球高精度定位的特点，已经在社会生活的各个方面得到了广泛应用，高精度应用需求不断增加，特定领域的定位精度需求最高可以达到厘米或毫米量级，导航信号的高精度接收与测量是实现高精度定位的前提。然而，在实际导航信号接收时，星载信号生成器异常、信号传播信道影响、接收机设计等因素都可能导致信号异常。理想导航信号的相关峰具有对称性，在异常情况下会导致信号相关峰的对称性发生破坏，造成伪距测量误差。因此，为了保证卫星导航系统的服务性能，需要对信号相关峰的异常进行实时监测。
大众消费级接收机为了实现更低的功耗和更少的资源，一般不具备相关峰采集的功能。而对于卫星导航系统地面高精度监测接收机和星载导航信号监测接收机，需要对导航卫星播发的信号进行实时监测，通常设计有相关峰监测模块。相关峰监测功能的核心是相关峰采集，其基本原理是设计多个独立的相关累加通道，每个相关累加通道包含一个码NCO模块、码生成器和一个相关累加器，码生成器在码NCO模块输出的码钟驱动下生成对应码相位的本地伪码，通过与接收机接收的基带导航信号进行相关累加操作，即可实现对相关峰上离散点的采样。
当前卫星导航接收机通常采用固定相关间隔的方式来实现相关峰采集，这种设计最为简单，但这种设计存在四个主要不足：
1、一旦接收机设计完成，无法对相关通道的相关间隔进行更改，每次采集的均是固定位置的相关值，对相关峰的整体反映存在较大局限，无法针对相关峰的局部进行精细化监测；
2、相关峰的监测精度与不同相关通道间的相关间隔密切相关，相关间隔越小，监测精度越高。但监测精度的提高，会导致完整的相关峰监测所需的相关累加资源急剧增加；
3、导航信号采用多种调制方式，如BPSK调制、BOC调制等，不同调制方式下的相关峰形状差异较大，BPSK调制信号的相关峰为三角峰，而BOC调制信号的相关峰则呈现多峰特点，且BOC信号的相关峰监测需要更小的相关间隔。因此，固定相关器个数和相关间隔，无法适应所有的信号体制。
4、每个相关支路均需要设计独立的伪码生成器，伪码生成器资源存在大量重复。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种相关间隔可调的可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法。
一种可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，所述方法实施于一相关峰采集系统，该系统包括准时相关支路、多个相关峰采集支路、以及三位移位寄存器，所述方法包括：
利用所述准时相关支路连续生成伪码码片，将生成的所述伪码码片缓存至所述三位移位寄存器中；
随着伪码码片的生成，所述三位移位寄存器中移位缓存有所述准时相关支路对应的准时伪码码片，延迟一个码钟生成的延迟伪码码片，以及超前一个码钟生成的超前伪码码片；
同时，在各条所述相关峰采集支路上分别根据所述准时相关支路的码NCO模块生成的码相位与各相关峰采集支路上预设的码相位偏差值进行求和计算，得到与各所述相关峰采集支路对应的码相位；
根据各所述相关峰采集支路对应的码相位分别进行取模运算得到对应的码片索引值；
根据各所述相关峰采集支路对应的码片索引值在所述三位移位寄存器中提取每个相关峰采集支路的伪码码片；
将各所述相关峰采集支路提取的伪码码片分别与卫星导航接收机接收的导航信号进行相关累加得到对应的相关累加值，再将得到多个相关累加值进行组合得到相关峰。
在其中一实施例中，所述准时相关支路包括码NCO模块、伪码生成器以及跟踪环路；
所述码NCO模块在工作时钟的驱动下对码频率控制字进行累加，累加溢出后生成准时相关支路的伪码码钟；
所述伪码生成器在所述伪码码钟的驱动下生成所述准时相关支路对应的伪码码片；
所述准时相关支路的码频率控制字由跟踪环路进行实施更新。
在其中一实施例中，根据各所述相关峰采集支路对应的码相位分别进行取模运算得到对应的码片索引值采用以下公式：
Figure 615409DEST_PATH_IMAGE001
在上式中，
Figure 375555DEST_PATH_IMAGE002
为各相关峰采集支路对应的码相位，
Figure 783534DEST_PATH_IMAGE003
计算得到码片索引值，
Figure 513592DEST_PATH_IMAGE004
表示取模计算，下标n表示第n个相关峰采集支路，上标M表示码频率控制字的有效位数。
在其中一实施例中，所述根据各所述相关峰采集支路对应的码片索引值在所述三位移位寄存器中提取每个相关峰采集支路的伪码码片时包括：
当码片索引值等于0时，提取所述三位移位寄存器中的延迟伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片；
当码片索引值等于1时，提取所述三位移位寄存器中准时伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片；
当码片索引值等于2时，提取所述三位移位寄存器中超前伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片。
在其中一实施例中，所述相关峰采集支路的数量根据卫星导航接收机的接收通道进行设定。
上述可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，通过缓存准时相关支路对应的伪码码片及相邻的超前和滞后伪码码片，根据其他相关峰采集支路的码相位与准时相关支路的码相位差异计算出伪码码片的索引值，根据索引值直接从缓存的三个码片中提取该相关支路对应的伪码码片，与接收信号进行相关累加即可获得所需要的相关累加值。该方法不仅可以实现不同相关支路间的相关间隔任意可调，同时可以显著降低伪码生成器资源，由传统每个相关峰采集支路均需要独立的伪码生成器，减少为共用准时支路伪码生成器。
附图说明
图1为一个实施例中可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法的流程示意图；
图2为一个实施例中相关峰采集系统的结构示意图；
图3为一个实施例中伪码缓存与相关累加输出结果示意图。
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。
如图1所示，在本实施例中，提供了一种可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，该方法实施于一相关峰采集系统，如图2所示，该系统包括准时相关支路、多个相关峰采集支路、以及三位移位寄存器，该方法包括：
步骤S100，利用准时相关支路连续生成伪码码片，将生成的伪码码片缓存至三位移位寄存器中；
步骤S110，随着伪码码片的生成，三位移位寄存器中移位缓存有准时相关支路对应的准时伪码码片，延迟一个码钟生成的延迟伪码码片，以及超前一个码钟生成的超前伪码码片；
步骤S120，同时，在各条相关峰采集支路上分别根据准时相关支路的码NCO模块生成的码相位与各相关峰采集支路上预设的码相位偏差值进行求和计算，得到与各相关峰采集支路对应的码相位；
步骤S130，根据各相关峰采集支路对应的码相位分别进行取模运算得到对应的码片索引值；
步骤S140，根据各相关峰采集支路对应的码片索引值在三位移位寄存器中提取每个相关峰采集支路的伪码码片；
步骤S150，将各相关峰采集支路提取的伪码码片分别与卫星导航接收机接收的导航信号进行相关累加得到对应的相关累加值，再将得到多个相关累加值进行组合得到相关峰。
在本实施例中，根据导航信号的自相关特性，只有时间延迟偏差在±1个码片范围内的相关峰是导航领域需要关注的相关峰，超出该范围后的相关值近似为噪声。本方法通过共用准时支路伪码生成器就可完成对导航信号相关峰的采集，显著减低伪码生成器资源，远远优于对于每个相关峰采集支路均需要独立的伪码生成器的传统技术。并且每个相关峰采集支路对应的码相位偏移量可以灵活调整，也即表示每个相关峰采集支路间的相关间隔可以灵活调整。
具体的，准时相关支路包括码NCO模块、伪码生成器以及跟踪环路。其中码NCO模块在工作时钟的驱动下对码频率控制字进行累加，累加溢出后生成准时相关支路的伪码码钟，伪码生成器在伪码码钟的驱动下生成准时相关支路对应的伪码码片，准时相关支路的码频率控制字由跟踪环路进行实施更新。
在步骤S100中，准时相关支路用于信号跟踪，码NCO模块生成的码钟驱动伪码生成器生成准时相关支路对应的伪码码片。
在步骤S110中，准时相关支路连续生成的三个伪码码片依次缓存至三位移位寄存器中。三位移位寄存器根据生成的新伪码码片进行移位更新，缓存准时支路对应的码片及其相邻超前和滞后两个码片。三位移位寄存器用于缓存伪码码片，分别为
Figure 87531DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 612053DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 772907DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 41077DEST_PATH_IMAGE008
表示准时相关支路对应的准时伪码码片，
Figure 970987DEST_PATH_IMAGE009
表示延迟一个码钟产生的延迟伪码码片，
Figure 931990DEST_PATH_IMAGE010
表示超前一个码钟产生的超前伪码码片。
在步骤S120中，根据相关峰采集支路的数量根据卫星导航接收机的接收通道数进行设定。如图2所示，假设准时相关支路的码相位值为
Figure 845719DEST_PATH_IMAGE011
，第
Figure 855264DEST_PATH_IMAGE012
个相关峰采集支路与准时相关支路的码相位偏差为
Figure 29893DEST_PATH_IMAGE013
，则该支路对应的码相位为
Figure 270119DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 530199DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 15538DEST_PATH_IMAGE016
表示相关峰采集支路的通道数。如果为超前支路，则
Figure 44674DEST_PATH_IMAGE017
为正值，如果为滞后支路，则
Figure 222846DEST_PATH_IMAGE018
为负值。
在步骤S130中，根据各相关峰采集支路对应的码相位分别进行取模运算得到对应的码片索引值采用以下公式：
Figure 704643DEST_PATH_IMAGE019
（1）
在公式（1）中，
Figure 993673DEST_PATH_IMAGE020
为各相关峰采集支路对应的码相位，
Figure 877315DEST_PATH_IMAGE021
计算得到码片索引值，
Figure 990502DEST_PATH_IMAGE022
表示取模计算。并且在一些实施例中，可假设接收机中的码频率控制字的量纲为
Figure 959596DEST_PATH_IMAGE023
。
在步骤S140中，根据各相关峰采集支路对应的码片索引值
Figure 114633DEST_PATH_IMAGE024
在三位移位寄存器中提取每个相关峰采集支路的伪码码片时包括：当码片索引值
Figure 259307DEST_PATH_IMAGE025
等于零时，提取三位移位寄存器中的延迟伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片，
Figure 638336DEST_PATH_IMAGE026
。当码片索引值
Figure 970091DEST_PATH_IMAGE027
等于1时，提取三位移位寄存器中准时伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片，
Figure 991137DEST_PATH_IMAGE028
。当码片索引值
Figure 459158DEST_PATH_IMAGE029
等于2时，提取三位移位寄存器中超前伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片
Figure 274667DEST_PATH_IMAGE030
。其中，
Figure 421615DEST_PATH_IMAGE031
表示第n个相关峰采集支路取到的伪码码片值。
在步骤S150中，将相关支路提取的伪码码片
Figure 348814DEST_PATH_IMAGE032
与接收机接收到的数字基带导航信号进行相关累加得相关累加值，如图3所示，
Figure 61555DEST_PATH_IMAGE033
个相关支路获得相关值进行组合即可得到离散的信号相关峰。
在本实施例中，只需要调整接收机中码相位偏差
Figure 657753DEST_PATH_IMAGE034
，通过步骤S120-步骤S150的处理即可得到调整后的相关峰监测结果，不需要改变接收机的硬件结构，也不需要改变信号接收通道的配置，不会影响其他非相关峰监测通道的信号接收。
上述可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法中，仅通过软件更改码相位偏差值即可完成不同相关间隔相关峰的采集，无需更改接收机硬件设计，可以实现相关间隔的任意调整。所有相关监测的相关支路共用准时支路的码相位生成器，不需要额外增加码生成器资源，显著降低了接收机实现复杂度。通过设置合适的相关间隔，可以实现对BPSK、BOC等不同调制方式的导航信号的精细化监测。
应该理解的是，虽然图1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1的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子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，这些子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的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
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 (5)

1.一种可变步长的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，其特征在于，所述方法实施于一相关峰采集系统，该系统包括准时相关支路、多个相关峰采集支路、以及三位移位寄存器，所述方法包括：
利用所述准时相关支路连续生成伪码码片，将生成的所述伪码码片缓存至所述三位移位寄存器中；
随着伪码码片的生成，所述三位移位寄存器中移位缓存有所述准时相关支路对应的准时伪码码片，延迟一个码钟生成的延迟伪码码片，以及超前一个码钟生成的超前伪码码片；
同时，在各个所述相关峰采集支路上分别根据所述准时相关支路的码NCO模块生成的码相位与各相关峰采集支路上预设的码相位偏差值进行求和计算，得到与各所述相关峰采集支路对应的码相位；
根据各所述相关峰采集支路对应的码相位分别进行取模运算得到对应的码片索引值；
根据各所述相关峰采集支路对应的码片索引值在所述三位移位寄存器中提取每个相关峰采集支路的伪码码片；
将各所述相关峰采集支路提取的伪码码片分别与卫星导航接收机接收的导航信号进行相关累加得到对应的相关累加值，再将得到多个相关累加值进行组合得到相关峰。
2.根据权利要求1所述的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，其特征在于，所述准时相关支路包括码NCO模块、伪码生成器以及跟踪环路；
所述码NCO模块在工作时钟的驱动下对码频率控制字进行累加，累加溢出后生成准时相关支路的伪码码钟；
所述伪码生成器在所述伪码码钟的驱动下生成所述准时相关支路对应的伪码码片；
所述准时相关支路的码频率控制字由跟踪环路进行实时更新。
3.根据权利要求1所述的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，其特征在于，根据各所述相关峰采集支路对应的码相位分别进行取模运算得到对应的码片索引值采用以下公式：
Figure 296719DEST_PATH_IMAGE001
在上式中，
Figure 948280DEST_PATH_IMAGE002
为各相关峰采集支路对应的码相位，
Figure 633077DEST_PATH_IMAGE003
计算得到码片索引值，
Figure 825024DEST_PATH_IMAGE004
表示取模计算，下标n表示第n个相关峰采集支路，上标M表示码频率控制字的有效位数。
4.根据权利要求3所述的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，其特征在于，所述根据各所述相关峰采集支路对应的码片索引值在所述三位移位寄存器中提取每个相关峰采集支路的伪码码片时包括：
当码片索引值等于0时，提取所述三位移位寄存器中的延迟伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片；
当码片索引值等于1时，提取所述三位移位寄存器中准时伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片；
当码片索引值等于2时，提取所述三位移位寄存器中超前伪码码片作为对应相关峰采集支路的伪码码片。
5.根据权利要求3所述的卫星导航接收机信号相关峰采集方法，其特征在于，所述相关峰采集支路的数量根据卫星导航接收机的接收通道进行设定。
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