CN115097501A - 基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法及装置，用以解决高动态载体的信号接收不能全覆盖，且信号连续性差的技术问题。其中，一种卫星导航信号的数据处理装置，包括：双天线；下变频器；频率鉴别器；相位鉴别器；双天线鉴别器；锁频环；锁相环。通过采用双天线获取卫星导航信号，实现信号区间的互补，提高信号接收区间，保证定位连续性。通过双天线合成的鉴别器算法，将生成的合成参数进行门限判决，判断采用何种输出来消除旋转的影响，实现旋转条件下数据接收的准确性。通过对卫星导航信号进行锁频、锁相处理，实现双天线处理通道的本地伪码和载波更新，消除由于旋转所引起的多普勒影响。
Description
技术领域
本申请涉及全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)技术领域，尤其涉及一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法及装置。
背景技术
战场对抗环境下无处不在的电磁辐射导致卫星导航环境极为复杂。在此环境下，卫星导航信号易受到各种有意电磁信号干扰，从而降低接收机的定位性能，严重影响弹上接收机的可信利用。受到现代作战需求的牵引，研究高动态下弹上平台旋转环境下北斗信号稳定接收技术是卫星导航领域重要的研究方向之一。当前，卫星导航技术不断发展，很多场景都运用到双天线技术处理接收数据。弹丸高动态载体在飞行过程中主要分为多个飞行段。采用射频直接合路处理的接收机基带无法实现准确的相位跟踪，无法实现高精度事后处理，同时信号会造成3dB的损失，整个旋转范围内会有部分哑点，造成信号在低速情况下信号中断时间过长而失锁。
在实现现有技术的过程中，发明人发现：
现有的双天线技术只用于一般信号接收场景，无法解决高动态载体的信号接收问题，包括：
1.高动态载体的信号接收不能全覆盖；
2.飞行过程中信号连续性差。
因此，需要提供一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法及装置，用以解决高动态载体的信号接收不能全覆盖，且信号连续性差的技术问题。
发明内容
本申请实施例提供一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法及装置，用以解决高动态载体的信号接收不能全覆盖，且信号连续性差的技术问题。
具体的，一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法，包括以下步骤：
第一支路获取卫星导航信号；
第一支路对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第一中频信号；
第一支路对第一中频信号进行频率鉴别，生成第一中频信号与本地载波的第一频率差和第一相位差；
第一支路对第一中频信号进行码片鉴别，确定第一中频信号与本地伪码的码片差；
第二支路获取卫星导航信号；
第二支路对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第二中频信号；
第二支路对第二中频信号进行频率鉴别，生成第二中频信号与本地载波的第二频率差和第二相位差；
第二支路对第二中频信号进行码片鉴别，确定第二中频信号与本地伪码的码片差；
使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数；
根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频；
根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码；
对锁频、锁码后的卫星导航信号进行导航电文的处理。
进一步的，使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体包括：
当第一支路和第二支路的信号强度都大于等于预定门限时，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成第一支路和第二支路的平均多普勒频移作为双天线合成参数。
进一步的，使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体包括：
当第一支路和第二支路中的其中之一支路信号强度大于等于预定门限，并且其中另一支路信号强度小于预定时，将信号强度大于等于预定门限所述其中之一支路信号的频率差和相位差作为双天线合成参数。
进一步的，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频，还包括：
使用环路滤波器的低通效应处理卫星导航信号，以便对卫星导航信号进行锁频。
进一步的，所述方法还包括：
监测第一中频信号和第二中频信号的信号强度。
进一步的，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频，具体包括：
根据所述合成参数，使用自适应的三阶PLL的架构对卫星导航信号进行锁频。
进一步的，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码，具体包括：
根据所述合成参数，使用载波辅助的二阶码环架构对卫星导航信号进行锁码。
具体的，一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理装置，包括：
双天线，用于获取卫星导航信号；
两组下变频器，用于对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第一中频信号；
两组频率鉴别器，用于对第一中频信号进行频率鉴别，生成第一中频信号与本地载波的第一频率差和第一相位差；
相位鉴别器，用于对第二中频信号进行码片鉴别，确定第二中频信号与本地伪码的码片差；
双天线合成的鉴别器，用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数；
锁频环，用于根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频；
锁相环，用于根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码。
进一步的，所述双天线合成的鉴别器用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体用于：
当第一支路和第二支路的信号强度都大于等于预定门限时，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成第一支路和第二支路的平均多普勒频移作为双天线合成参数。
进一步的，所述双天线合成的鉴别器用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体用于：
当第一支路和第二支路中的其中之一支路信号强度大于等于预定门限，并且其中另一支路信号强度小于预定时，将信号强度大于等于预定门限所述其中之一支路信号的频率差作为双天线合成参数。
本申请实施例提供的技术方案，至少具有如下有益效果：
通过采用双天线获取卫星导航信号，实现信号区间的互补，提高信号接收区间，保证定位连续性。通过双天线合成的鉴别器算法，将生成的合成参数进行门限判决，判断采用何种输出来消除旋转的影响，实现旋转条件下数据接收的准确性。通过对卫星导航信号进行锁频、锁相处理，实现双天线处理通道的本地伪码和载波更新，消除由于旋转所引起的多普勒影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法的流程图。
图2为本申请实施例提供的一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理装置的结构示意图。
图3为本申请实施例提供的双天线处理通道组成图。
图4为本申请实施例提供的弹上定位及姿态测量一体化接收机硬件框图。
图5为本申请实施例提供的双天线系统接收机框图。
图6为本申请实施例提供的双天线合成的鉴别器算法图。
图7为本申请实施例提供的PLL结构图。
图8为本申请实施例提供的自适应带宽PLL传递函数性能比较图。
图9为本申请实施例提供的PLL物理实现结构框图。
图10为本申请实施例提供的高精度弹道测量验证接收机设计原理框图。
100 卫星导航信号的数据处理装置
11 双天线
12 下变频器
13 频率鉴别器
14 相位鉴别器
15 双天线鉴别器
16 锁频环
17 锁相环
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
请参照图1，本申请公开一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法，包括以下步骤：
S101：第一支路获取卫星导航信号；
S102：第一支路对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第一中频信号；
S103：第一支路对第一中频信号进行频率鉴别，生成第一中频信号与本地载波的第一频率差和第一相位差；
S104：第一支路对第一中频信号进行码片鉴别，确定第一中频信号与本地伪码的码片差；
S105：第二支路获取卫星导航信号；
S106：第二支路对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第二中频信号；
S107：第二支路对第二中频信号进行频率鉴别，生成第二中频信号与本地载波的第二频率差和第二相位差；
S108：第二支路对第二中频信号进行码片鉴别，确定第二中频信号与本地伪码的码片差；
S109：使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数；
S110：根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频；
S111：根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码；
S112：对锁频、锁码后的卫星导航信号进行导航电文的处理。
可以理解的是，步骤S101中，第一支路是双天线处理通道中支路之一，不具备优先级。天线收到的卫星导航信号是一种调制波，由载波经过调制的伪码和数据码以正弦波的形式播发出去，组成部分包括：载波、测距码和导航电文。卫星信号的所有成分是基准频率的倍频或分频。这里的基准频率由卫星上的原子钟直接产生。载波是一种特定频率的无线电波，属于特高频波段。每颗导航卫星用两个L波段频率(即L1和L2)发射载波无线电信号。在数字通信技术中，为了有效的传播信息，一般均将低频信号加载到高频的载波上，这时原低频信号称为调制信号，而加载信号的载波就称为已调波。卫星导航信号调制，采用调相技术实现。
在步骤S102中，第一支路对卫星导航信号进行下变频处理，生成基于卫星导航信号的第一中频信号。
可以理解的是，下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。在接收机下变频处理中，混频后得到的中频信号比原始信号低。中频信号是高频信号经过变频而获得的一种信号。同样的，这里的第一是之一，不具备优先级。卫星导航信号下变频采样后，信号完成载波剥离。
本申请的实施例中，双天线弹上接收机包含两路天线及射频。双天线为微带天线，可以贴片安装在弹体上，两者安装相差180度，形成信号接收区间的互补。除双天线外，射频和AD采样也为双路，完成下变频处理成为基带信号后送入到双天线相关器中。在实际应用中，如图4所示，为弹上定位及姿态测量一体化接收机硬件框图
本申请采用MAX2769的射频接收机，使用DSP+FPGA架构的完成基带信号处理，接收机功耗约2W左右，高动态环境下高精度弹道测量验证接收机分为射频和基带两部分，射频部分主要完成以下任务：①对卫星信号进行滤波和放大、混频并采样，输出4bit的数字中频供基带部分进行信号及信息处理；②接收基带部分提供的BPSK信号，将其混频、放大至天线。基带部分的DSP和FPGA配合完成对中频信号的捕获、跟踪等。
在步骤S103中，第一支路对第一中频信号进行频率鉴别，生成第一中频信号与本地载波的第一频率差和第一相位差。
可以理解的是，鉴频器是输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途可将鉴频器分为两类。第一类用于调频信号的解调，常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。
具体的，在本申请的实施例中，频率鉴别器，两个天线信号进行独立下变频处理以及载波伪码剥离处理，进行积分后获得两组相关值，根据相关值分别进行鉴频处理，鉴频误差也包含了两个频率误差。可以理解的是，本申请中双天线处理通道都包含两组频率鉴别器，用于鉴别各自天线输入的信号和本地载波之间的频率差和相位差。
在步骤S104中，第一支路对第一中频信号进行码片鉴别，确定第一中频信号与本地伪码的码片差。
可以理解的是，卫星导航信号组成部分包括：载波、测距码和导航电文。测距码就是伪随机噪声码，也称作伪码，是一种用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码。GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码，两者都是伪随机码，C/A码是粗码，P码是精码。各个卫星所采用的测距码互不相同且互相正交。
伪距，是指卫星定位过程中，地面接收机到卫星之间的大概距离。为了确定卫星的位置，卫星导航接收机将确定至少四颗卫星的距离以及它们在发射时的位置。为了了解卫星的轨道参数，可以在任何时间点计算这些位置。每个卫星的测距码通过将信号从卫星接收到接收机的时间乘以光速来获得。由于测量时间存在准确度误差，因此伪码不是此距离的范围。
在实现稳定跟踪以后，就可以提取伪距和载波多普勒进行定位和测速解算。伪距提取的方式和传统接收机也没有大的区别，但其计算伪距的方式和传统弹上接收机就会有一点不同，其伪距公式如下：
R'＝R+rcos(e)sin(ωt+φ)
其中，R'为修正后的伪距，R为测量伪距，r为弹体半径，e为卫星相对于旋转平面的俯仰角，ω为旋转速度，φ为卫星在旋转平面的方位角。该双天线处理通道只提供一组伪距估计。该伪距对应于两个天线中心的中点位置，最终定位结果也对应弹丸的旋转平面中心，而不是某个天线的相位中心。
如图5，在本申请的具体实施例中，双天线接收机内部结构和常规接收机基本一致，也同样包含射频、AD以及接收机通道等部分。和常规接收机不同之处在于接收机内部包含两组下变频，两组伪码发生器，两组相关器，只包含一组伪码NCO以及一组跟踪环路，这种内部构造稍有不同的结构称为双天线处理通道。双天线接收机中就包含多个双天线处理通道来实现旋转下的信号处理。本地伪码由一组伪码NCO生成。伪码NCO包括时钟发生器和伪码发生器。可以理解的是，码片差是下变频后的卫星导航信号与本地生成的伪码自相关后得到的。卫星导航信号完成下变频处理后成为基带信号后送入双天线相关器中，双天线相关器将数字信号与本地伪码进行相关得到相关值。最后，根据相关值分别进行鉴频处理，得到鉴频差。其中，鉴别误差中包含了两个频率误差。
这里的相关是通过相关器完成的。由于卫星发射的是扩频信号，接收端只有经解扩、解调才能恢复基带信号，而完成这些工作，就要用到相关器。相关器是利用本地复现的载波频率和测距码与输入的数字中频进行相关处理，去除载波频率和测距码信号，得到用于计算伪距和导航电文的各种测量数据和状态数据。具体来说，相关接收就是利用信号的相关特性将有用的信号从干扰和噪声中通过采样点取值提取出来。
可以理解的是，本申请的实施例步骤S105-S108中，两个天线信号进行独立下变频处理以及载波伪码剥离处理，进行积分后获得两组相关值，根据相关值分别进行鉴频处理，鉴频误差也包含了两个频率误差。根据两天线接收能量是否超过门限来判决采用单天线更新还是双天线更新。
同第一支路相对应的，第二支路获取卫星导航信号，并对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第二中频信号。接着第二支路对第二中频信号进行频率鉴别，生成第二中频信号与本地载波的第二频率差和第二相位差。最后，第二支路对第二中频信号进行码片鉴别，确定第二中频信号与本地伪码的码片差。
在步骤S109中，使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数。
可以理解的是，采用合成器合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差。合路器一般有两个或多个输入端口，只有一个输出端口，一般用于发射端，其作用是将两路或者多路从不同发射机发出的射频信号合为一路送到天线发射的射频器件，同时避免各个端口信号之间的相互影响。
进一步的，使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体包括：
当第一支路和第二支路的信号强度都大于等于预定门限时，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成第一支路和第二支路的平均多普勒频移作为双天线合成参数。
可以理解的是，所谓门限效应，就是当包络检波器的输入信噪比降低到一个特定的数值后，检波器的输出信噪比出现急剧下降的一种现象。开始出现门限效应的输入信噪比称为门限值。这种门限效应是由包络检波器的非线性解调作用引起的。在小信噪比情况下，调制信号无法与噪声分开，而且有用信号淹没在噪声之中，此时检波器输出信噪比不是按比例地随着输入信噪比下降，而是急剧恶化，也就是出现了门限效应。
可以理解的是，多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒而命名的。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高，即蓝移。在运动的波源后面时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低，即红移。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红移或蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
在本申请的具体实施例中，由于高动态变化的载体在旋转情况下向心加速度过大，产生的多普勒频移引起卫星导航信号的载波频率也动态偏移。通过采用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差，生成双天线合成参数进行门限判决采用单天线更新还是双天线更新。如果双天线能量均超过一定门限，就可以采用差模的方式来消除旋转动态的多普勒影响，从而提高跟踪稳定度。
可以理解的是，本申请的双天线是两路微带天线。微带天线是一定形状的金属贴片，由介质基片、辐射贴片，接地板构成。微带天线的最大辐射方向，就是测射方向，即垂直于基片方向。由于两个天线是对贴在弹体上，两者因为旋转带来的多普勒是大小相等方向相反的，因此可以采用平均方法消除掉多普勒的影响。两路信号强度都大于预定门限，就可以使用两天线对应的频率鉴别值来实现双天线处理通道的本地伪码和载波更新。
进一步的，使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体包括：
当第一支路和第二支路中的其中之一支路信号强度大于等于预定门限，并且其中另一支路信号强度小于预定时，将信号强度大于等于预定门限所述其中之一支路信号的频率差作为双天线合成参数。两个独立通道都超过了门限T的话，FLL的鉴别器输出就是平均多普勒：
Df＝(DfA+DfB)/2
可以理解的是，如图6为双天线合成的鉴别器算法，当第一支路和第二支路中的其中之一支路信号强度大于等于预定门限，并且其中另一支路信号强度小于预定时，就用大于预定门限的一路天线对应的频率更新值来进行更新。在这种情况下，旋转多普勒就会进入跟踪环路，通过通道环路滤波器的低通效应减轻多普勒影响，提高跟踪稳定度。
步骤S110中，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频。
可以理解的是，常规GNSS接收机中的码环和载波环是跟踪卫星导航信号必需的两个环路。通过伪码跟踪环和载波跟踪环实现对卫星导航信号的稳定跟踪。这两个环路相互依赖，互相制约。一个用于伪码的同步，一个用于载波频率和载波相位的同步。
进一步的，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频，还包括：
使用环路滤波器的低通效应处理卫星导航信号，以便对卫星导航信号进行锁频。
环路滤波器是滤波器中的一种类型，因为这种滤波器使用在环路中，因此叫环路滤波器。环路滤波器一般是线性电路，由线性元件电阻，电容及运算放大器组成。环路滤波器用于衰减由输入信号噪声引起的快速变化的相位误差和平滑相位检测器泄露的高频分量，即滤波，以便在其输出端对原始信号进行精确的估计，环路滤波的阶数和噪声带宽决定了环路滤波器对信号的动态响应。
可以理解的是，载波跟踪环滤波器的噪声带宽要足够小，才能稳定到载波跟踪工作模式，但是由于接收机动态特性和导航信号受内外噪声的影响，环路的噪声带宽要有一定的宽度，利用环路滤波器能够降低信号噪声，以便在其输出端对输入的载波信号进行精确的估计。
通过环路滤波器的低通效应，衰减了鉴相器的输出端的高频误差分量，提高抗干扰性能。并且在环路跳出锁定状态时，提高环路以短期存储，并迅速恢复信号，以便对卫星导航信号进行锁频。
进一步的，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频，具体包括：
根据所述合成参数，使用自适应的三阶PLL的架构对卫星导航信号进行锁频。
锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环(PLL，Phase-Locked Loop)。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。
采用自适应带宽环路设计是一种必要的手段，但是辅助精度，时间的同步特性，对整个环路的动态响应影响都需要展开深入分析。自适应环路设计的难点在于如何根据动态应力自适应调整接收机环路参数。在动态条件下，为了能够跟踪卫星信号，接收机环路必须设计足够宽，为了保证信号的跟踪精度，又必须保证接收机的环路带宽足够窄。动态性能所要求的环路带宽和噪声要求的环路带宽是互相制约的。对于跟踪环路噪声来说，带宽越窄跟踪精度越高。因此，利用对卫星导航接收机跟踪环路进行辅助可以有效解决这个问题。码环采用载波辅助的二阶码环，载波环采用自适应的三阶PLL的架构就充分考虑了环路适应动态特性变化的各方面影响。
重点分析GNSS接收机载波环路的物理实现、带宽设计和跟踪性能。动态的条件下环路的频率表达式如下所示：
其中，f0为中频频率；Δf为多普勒频移，单位为Hz；df/dt为多普勒速度变量，单位为Hz/s；d2f/dt2为多普勒加速度变量，单位为Hz/s2。多普勒频移由惯导提供的速度信息得出，多普勒频移速度由加速度信息得出，多普勒频移加速度作为噪声项处理。其中，Δf项与速度误差有关，df/dt项与加速度误差有关。
如图7所示，自适应环路滤波设计将经过校正后的位置、速度计算出多普勒来辅助接收机环路时，接收机环路可描述为闭环控制系统框图。
图7提供了PLL结构图，其中φr(s)为参考输入信号，为外部相位噪声，为鉴相器输出的相位误差，为PLL环路滤波器，为鉴相器相位误差经滤波后等效的频率误差，为压控振荡器的输出信号。由图7可知，环路输出相位可以表示为：
φPLL(s)＝H1(s)φr(s)+H2(s)wφ(s)+H3(s)δfext(s)
由外部频率估计偏差造成的环路跟踪误差可以表示为：
δfPLL(s)＝-H2(s)δfext(s)
根据以上两式，当带宽aINS较大时，相位输出信号和参考输入信号呈线性关系。根据上式，环路跟踪误差只和外部频率辅助偏差有关，即影响环路跟踪性能的只有导航滤波器估计的速度偏差和时钟频率偏差。
如图8，比较了PLL经自适应后的传递函数性能。从图8中可以看出：无辅助的PLL环路带宽分别在18Hz和1Hz两种情况时，由闭环传递函数确定的相位输出幅值和参考输入角频率之间的变化趋势一致，其中18Hz带宽的输入信号动态范围较广。该环路在噪声抑制能力上，环路输出幅值明显减小，PLL环路整体性能提高。
如图9，给出了自适应带宽PLL物理实现结构框图。自适应带宽PLL整个工作流程为：卫星信号下变频采样后，信号完成载波剥离，分别与本地产生的同相、正交载波信号相乘，根据估计的多普勒频率偏差和环路滤波的载波相位不断调整幅值信号的参数，从而达到对输入信号的跟踪。其中，估计的多普勒频率主要用来抵消载体动态性能的影响，环路滤波的载波相位误差主要用来跟踪由热噪声和钟差引起的噪声误差。
通过以上分析，弹上接收机的高精度测量主要取决于弹上接收机的数据质量。弹上差分定位技术为伪距差分，无需固定整周模糊度，从而大大提高定位可靠性。载波数据用于平滑伪距用于减小噪声。
通过采用自适应的三阶PLL的架构，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，锁定时无剩余频差，具有良好的窄带载波跟踪性能，具有良好的宽带调制跟踪性能，提高了载波相位精度，且易于集成对卫星导航信号进行锁频。
步骤S111中，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码。
可以理解的是，卫星导航信号动态变化有两层含义。一是多普勒效应引起的载波偏移，另一个是测距码的相位会随着卫星与接收机距离的变换而改变。
码跟踪环路用于保证精确对准输入信号C/A码的位置。通常使用一种延迟锁相环DLL(delay locked loop)，也称码超前-滞后跟踪环路。在该环路中，伪码发生器产生超前、即时和滞后三路信号，它们各相差0.5个C/A码元，分别与去载波后的输入信号进行相关。通过观测这三路相关值来判断本地C/A码的前后移动。为了降低跟踪环路对本地载波相位对准程度的要求，码环通常设计成I、Q两路正交形式。
可编程的预检测积分器，码环鉴别器和码环滤波器确定了接收机的码环跟踪特性。这三项功能确定了接收机码环方案两个最重要的性能特征：码环热噪声误差和最大视线方向动态应力门限。而载波跟踪环从接收机动态应力门限的角度来看是脆弱的环节，企图用码环的输出去辅助载波环将是灾难性的。这是因为，未受辅助的码环，其热噪声比载波环热噪声大三个数量级。
本申请的具体实施例中，对卫星导航信号进行锁码的含义是保持本地复制的伪码和接收的测距码相位一致。码环跟踪环路简称码环，其主要功能是保持本地复制的伪码和接收的测距码相位一致，从而得到对接收信号的码相位及其伪距测量值。本申请的具体实施例中，码环的实现形式采用延迟锁定环路DLL(Delay Locked Loop)鉴别器。
进一步的，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码，具体包括：
根据所述合成参数，使用载波辅助的二阶码环架构对卫星导航信号进行锁码。
可以理解的是，在动态条件下，为了能够跟踪卫星信号，接收机环路必须设计足够宽，为了保证信号的跟踪精度，又必须保证接收机的环路带宽足够窄。动态性能所要求的环路带宽和噪声要求的环路带宽是互相制约的。对于跟踪环路噪声来说，带宽越窄跟踪精度越高。因此，为了降低环路适应动态特性变化的各方面影响，利用对卫星导航接收机跟踪环路进行辅助。其中，码环采用载波辅助的二阶码环。
通过采用载波辅助的二阶码环架构，当带宽较大时，相位输出信号和参考输入信号呈线性关系。环路跟踪误差只和外部频率辅助偏差有关，即影响环路跟踪性能的只有导航滤波器估计的速度偏差和时钟频率偏差。
进一步的，所述方法还包括：
监测第一中频信号和第二中频信号的信号强度。
可以理解的是，双天线接收机包含了监测信号强度模块，用来决定两路频率鉴别器的合成策略，可以随信号强度的不同而改变策略合成参数。
具体的，在本申请的实施例中，如图10，为高精度弹道测量验证接收机设计原理框图，弹上卫星导航接收系统开机启动后完成设备初始化和自检状态确认，弹上接收机在射击出膛后，快速完成接收机捕获和跟踪定位，并同时保存伪距和载波观测数据。弹上设备将存储的弹道观测量与基准站设备所采集到的观测数据导入事后数据处理分析软件进行差分定位计算，作为弹上基准来评估弹上卫星导航设备的弹道测量精度。事后数据处理分析软件给出最终的分析评价结果，包括误差大小，每段的误差特征等参数，用于制导弹上导航接收机定位以及控制策略的改进。
综上来说，一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法通过采用双天线获取卫星导航信号，实现信号区间的互补，提高信号接收区间，保证定位连续性。通过双天线合成的鉴别器算法，将生成的合成参数进行门限判决，计算出双天线信号的平均多普勒频率，判断采用何种输出来消除旋转的影响，实现旋转条件下数据接收的准确性。通过对卫星导航信号进行锁频、锁相处理，实现双天线处理通道的本地伪码和载波更新，消除由于旋转所引起的多普勒影响，实现精准定位。
请参照图2，为支持基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法，本申请还提供一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理装置100，包括：
双天线11，用于获取卫星导航信号；
两组下变频器12，用于对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第一中频信号；
两组频率鉴别器13，用于对第一中频信号进行频率鉴别，生成第一中频信号与本地载波的第一频率差和第一相位差；
两组相位鉴别器14，用于对第二中频信号进行码片鉴别，确定第二中频信号与本地伪码的码片差；
双天线合路器15，用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数；
锁频环16，用于对卫星导航信号进行锁频；
锁相环17，用于对卫星导航信号进行锁码。
可以理解的是，双天线为微带天线，可以贴片安装在弹体上，两者安装相差180度，形成信号接收区间的互补。
可以理解的是，下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。在接收机下变频处理中，混频后得到的中频信号比原始信号低。中频信号是高频信号经过变频而获得的一种信号。同样的，这里的第一是之一，不具备优先级。卫星导航信号下变频采样后，信号完成载波剥离。
本申请的实施例中，双天线弹上接收机包含两路天线及射频。双天线为微带天线，可以贴片安装在弹体上，两者安装相差180度，形成信号接收区间的互补。除双天线外，射频和AD采样也为双路，完成下变频处理成为基带信号后送入到双天线相关器中。在实际应用中，本申请采用MAX2769的射频接收机，对卫星信号进行滤波和放大、混频并采样，输出4bit的数字中频供基带部分进行信号及信息处理，并接收基带部分提供的BPSK信号，将其混频、放大至天线。基带部分的DSP和FPGA配合完成对中频信号的捕获、跟踪。
可以理解的是，双天线处理通道包含的两组频率鉴别器，用于鉴别各自天线输入的信号和本地载波之间的频率差。
进一步的，所述双天线合成的鉴别器用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体用于：
当第一支路和第二支路的信号强度都大于等于预定门限时，合并第一频率差和第二频率差，生成第一支路和第二支路的平均多普勒频移作为双天线合成参数。
进一步的，所述双天线合成的鉴别器用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体用于：
当第一支路和第二支路中的其中之一支路信号强度大于等于预定门限，并且其中另一支路信号强度小于预定时，将信号强度大于等于预定门限所述其中之一支路信号的频率差作为双天线合成参数。
可以理解的是，卫星导航信号组成部分包括：载波、测距码和导航电文。测距码就是伪随机噪声码，也称作伪码，是一种用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码。GPS卫星采用两种测距码，即C/A码和P码，两者都是伪随机码，C/A码是粗码，P码是精码。各个卫星所采用的测距码互不相同且互相正交。
在本申请的具体实施例中，相位鉴别器用于对第二中频信号进行码片鉴别，确定第二中频信号与本地伪码的码片差。
伪距，是指卫星定位过程中，地面接收机到卫星之间的大概距离。为了确定卫星的位置，卫星导航接收机将确定至少四颗卫星的距离以及它们在发射时的位置。为了了解卫星的轨道参数，可以在任何时间点计算这些位置。每个卫星的测距码通过将信号从卫星接收到接收机的时间乘以光速来获得。由于测量时间存在准确度误差，因此伪码不是此距离的范围。
在本申请的具体实施例中，本地伪码由一组伪码NCO生成。伪码NCO包括时钟发生器和伪码发生器。可以理解的是，码片差是下变频后的卫星导航信号与本地生成的伪码自相关后得到的。卫星导航信号完成下变频处理后成为基带信号后送入双天线相关器中，双天线相关器将数字信号与本地伪码进行相关得到相关值。最后，根据相关值分别进行鉴频处理，得到鉴频差。其中，鉴别误差中包含了两个频率误差。
这里的相关是通过相关器完成的。由于卫星发射的是扩频信号，接收端只有经过解扩、解调才能恢复基带信号，而完成这些工作，就要用到相关器。相关器是利用本地复现的载波频率和测距码与输入的数字中频进行相关处理，去除载波频率和测距码信号，得到用于计算伪距和导航电文的各种测量数据和状态数据。具体来说，相关接收就是利用信号的相关特性将有用的信号从干扰和噪声中通过采样点取值提取出来。
可以理解的是，双天线接收机包含了监测信号强度模块，用来决定两路频率鉴别器的合成策略，可以随信号强度的不同而改变策略合成参数。
在本申请的具体实施例中，双天线处理通道的组成如图3所示，双天线处理通道包含了两组天线、两组下变频器、两组相关器、DLL鉴别器、FLL鉴别器、两组频率鉴别器、码环以及锁频环。双天线处理通道包含两组频率鉴别器，用于鉴别各自天线输入的信号和本地载波之间的频率差。双天线接收机还包含了监测信号强度模块来决定两路频率鉴别器的合成策略。由于两个天线是对贴在弹体上，两者因为旋转带来的多普勒是大小相等方向相反的，因此可以采用平均方法消除掉多普勒的影响。两路信号强度都大于预定门限，就可以使用两天线对应的频率鉴别值来实现双天线处理通道的本地伪码和载波更新。这样处理可以消掉由于旋转所引起的多普勒影响。只有一路天线大于预定门限，就用该路天线对应的频率更新值来进行更新。在这种情况下，旋转多普勒就会进入跟踪环路，通道环路滤波器的低通效应进行减轻。
一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理装置100通过双天线模块获取卫星导航信号，实现信号区间的互补，提高信号接收区间，保证定位连续性。通过两组频率鉴别器，将生成的合成参数进行门限判决，计算出双天线信号的平均多普勒频率，判断采用何种输出来消除旋转的影响，实现旋转条件下数据接收的准确性。通过锁频环、锁相环对卫星导航信号进行锁频、锁相处理，实现双天线处理通道的本地伪码和载波更新，消除由于旋转所引起的多普勒影响，实现精准定位。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一支路获取卫星导航信号；
第一支路对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第一中频信号；
第一支路对第一中频信号进行频率鉴别，生成第一中频信号与本地载波的第一频率差和第一相位差；
第一支路对第一中频信号进行码片鉴别，确定第一中频信号与本地伪码的码片差；
第二支路获取卫星导航信号；
第二支路对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第二中频信号；
第二支路对第二中频信号进行频率鉴别，生成第二中频信号与本地载波的第二频率差和第二相位差；
第二支路对第二中频信号进行码片鉴别，确定第二中频信号与本地伪码的码片差；
使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数；
根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频；
根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码；
对锁频、锁码后的卫星导航信号进行导航电文的处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体包括：
当第一支路和第二支路的信号强度都大于等于预定门限时，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成第一支路和第二支路的平均多普勒频移作为双天线合成参数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用双天线合成的鉴别器算法，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体包括：
当第一支路和第二支路中的其中之一支路信号强度大于等于预定门限，并且其中另一支路信号强度小于预定时，将信号强度大于等于预定门限所述其中之一支路信号的频率差和相位差作为双天线合成参数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频，还包括：
使用环路滤波器的低通效应处理卫星导航信号，以便对卫星导航信号进行锁频。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
监测第一中频信号和第二中频信号的信号强度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频，具体包括：
根据所述合成参数，使用自适应的三阶PLL的架构对卫星导航信号进行锁频。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码，具体包括：
根据所述合成参数，使用载波辅助的二阶码环架构对卫星导航信号进行锁码。
8.一种基于双天线处理通道的卫星导航信号的数据处理装置，其特征在于，包括:
双天线，用于获取卫星导航信号；
两组下变频器，用于对卫星导航信号下变频处理，生成基于卫星导航信号的第一中频信号；
两组频率鉴别器，用于对第一中频信号进行频率鉴别，生成第一中频信号与本地载波的第一频率差和第一相位差；
相位鉴别器，用于对第二中频信号进行码片鉴别，确定第二中频信号与本地伪码的码片差；
双天线合成的鉴别器，用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数；
锁频环，用于根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁频；
锁相环，用于根据所述合成参数，对卫星导航信号进行锁码。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述双天线合成的鉴别器用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体用于：
当第一支路和第二支路的信号强度都大于等于预定门限时，合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成第一支路和第二支路的平均多普勒频移作为双天线合成参数。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述双天线合成的鉴别器用于合并第一频率差和第二频率差、第一相位差和第二相位差，生成双天线合成参数，具体用于：
当第一支路和第二支路中的其中之一支路信号强度大于等于预定门限，并且其中另一支路信号强度小于预定时，将信号强度大于等于预定门限所述其中之一支路信号的频率差作为双天线合成参数。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115657091A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-01-31 | 成都奇芯微电子有限公司 | 一种高动态gnss跟踪的方法 |
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2022
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