CN117406252A - 一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置 - Google Patents

一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN117406252A
CN117406252A CN202311337259.0A CN202311337259A CN117406252A CN 117406252 A CN117406252 A CN 117406252A CN 202311337259 A CN202311337259 A CN 202311337259A CN 117406252 A CN117406252 A CN 117406252A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
code
carrier
phase
branch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311337259.0A
Other languages
English (en)
Inventor
孙希延
彭汉斌
纪元法
蒋云翔
黄维
陈宇
文承淦
刘彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanning Guidian Electronic Technology Research Institute Co ltd
Guilin University of Electronic Technology
Original Assignee
Nanning Guidian Electronic Technology Research Institute Co ltd
Guilin University of Electronic Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanning Guidian Electronic Technology Research Institute Co ltd, Guilin University of Electronic Technology filed Critical Nanning Guidian Electronic Technology Research Institute Co ltd
Priority to CN202311337259.0A priority Critical patent/CN117406252A/zh
Publication of CN117406252A publication Critical patent/CN117406252A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/21—Interference related issues ; Issues related to cross-correlation, spoofing or other methods of denial of service
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/22—Multipath-related issues
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G01S19/29—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system carrier including Doppler, related
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G01S19/30—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system code related

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)

Abstract

本发明提出一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置，跟踪之前首先需要获得卫星信号的多普勒以及码相位，对高频卫星信号下变频变成数字基带信号；采用滑动相关的方法找到符号开始的位置，然后根据信号周期长度保存分组，接着采用改进后的压缩感知算法对保存的信号进行码相位偏移计算并将保存在信号解调结果，随后通过对本地PRN码进行循环移位，得到超前、即时和滞后三路信号与输入信号做相关运算，将结果分别进行积分‑清除后输入载波NCO和码NCO以更新环路的载波频率和码相位确保环路动态调整，直至信号跟踪完成。利用压缩感知算法代替FFT码相位偏移计算有效降低运算量，同时，相较于传统码移键控跟踪环路，此环路减少了大量相关器，也降低了运算量。

Description

一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，针对码移键控调制信号的跟踪方法进行改进，具体涉及一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置。
背景技术
随着GNSS的发展，卫星导航精度已经得到极大地发展，基本可以满足社会正常的应用需求，但在一些特殊的领域，需要高精度位置服务，则需要播发大量的精密改正电文，那么高速率的电文传输速度成为亟待解决的问题。
码移键控(Code-shift-keying)调制可以在不改变原有扩频序列的前提下，仅仅通过额外增加码相位偏移维度，就能够提高电文速率。但码相位偏移的改变会显著增加解调时的复杂度，所以降低解调的复杂度是当前CSK解调的关键。
针对CSK信号跟踪，传统的跟踪方法是通过用码DLL进行码跟踪，接收机本地复现超前(Early)、即时(Prompt)、以及滞后(Late)信号，与接收到的导航信号进行相关的方法进行解调，而对于CSK(U,R)调制信号，每一个CSK符号，码相位初相都可能不同，可能有2U种。此时本地需要遍历全部的可能存在的码相位，为此，采用常规的跟踪方法，针对每一种可能情况，接收机都需要复现超前(E)、即时(P)、以及滞后(L)三路信号，那么则需要与码相位偏移数量3倍的相关器做相关运算，消耗大量的硬件资源。在QZSS的L6信号亦是使用CSK调制的方式，跟踪的方式是采用L1信号辅助跟踪，此时就要求接收机必须支持L1与L6两个频段，同时也要改进接收机的硬件结构，提高接收机的成本。对于L1与L6两种信号频率不一样，当信号穿过电离层时，产生的延时也不一致，这样则会削弱接收机的跟踪性能。
目前国内外对CSK信号跟踪方法尚在不断的研究阶段，为此，设计了一种低运算量的CSK信号解调方法，可以在使得接收机在跟踪CSK信号时不影响跟踪性能的情况下，降低运算量，使得接收机向着高性能、低功率和小型化的方向发展。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低运算量码移键控(CSK)信号跟踪方法及装置。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低运算量码移键控(CSK)信号跟踪方法，该方法包含以下步骤：
本发明提出一种根据导航信号相关结果具有稀疏的特性以及CSK信号是利用码相位偏移量来调制电文信息的特点，通过压缩感知算法就可以有效替代传统跟踪环需要做大量相关运算的步骤，极大地降低了运算量。
步骤一：将预先更新得到的多普勒频移和码相位偏移的值输入载波NCO和码NCO；
步骤二：输入离散时间的数字中频信号，将步骤一所述载波NCO产生的同相载波与所述数字中频信号相乘，通过低通滤波器后，得到剥离载波后的同相i支路信号；同时，将步骤一所述载波NCO产生的正交相位载波与所述数字中频信号相乘，得到剥离载波后正交q支路信号；
步骤三：将所述剥离载波后的中频信号，经过位同步后，每次存储以R为周期的数据长度，按顺序分别截取1ms的所述同相i支路信号和所述正交q支路信号作为跟踪环信号的输入；
步骤四：将截取的所述同相i支路信号通过压缩感知算法得到1ms数据的码相位偏移量；
步骤五：提取本地PRN码通过所述码相位偏移量进行循环移位，得到即时(Prompt)支路信号；
步骤六：将所述即时(Prompt)支路信号送入移位寄存器，分别向前、向后移位半个码片，得到超前(Early)支路信号和滞后(Late)支路信号；
步骤七：将所述超前(Early)支路信号、即时(Prompt)支路信号和滞后(Late)支路信号分别与步骤三的所述同相i支路信号及所述正交q支路信号做相关运算，得到解扩后的基带信号iE、iP、iL和qE、qP、qL；
步骤八：通过积分-清除器，进一步提高所述iE、iP、iL和qE、qP、qL的信噪比，输出信号IE、IP、IL和QE、QP、QL；
步骤九：把所述信号IE、IL和QE、QL送入码环鉴别器，计算出本地复制的C/A码与输入C/A码之间的相位差异，再经过码环滤波器滤波之后作为步骤一种所述码NCO的输入，以此来动态调整码相位；
步骤十：把所述IP和QP送入载波环鉴别器，计算出本地载波与输入信号之间的频率差异，经过载波环滤波器滤波之后作为步骤一中所述载波NCO的输入，以此来动态调整载波频率；
步骤十一：每完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。
优选地，该方法还包括步骤十二：当电文跟踪解调完之后，将电文数据进行解析，然后通过定位算法计算，完成定位。给重复步骤一至步骤十一，就可以实现长时间连续定位。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供低运算量码移键控信号跟踪装置，该装置包括：
载波及码NCO更新模块，用于将预先更新得到的多普勒频移和码相位偏移的值输入载波NCO和码NCO；
信号接收处理模块，用于输入离散时间的数字中频信号，将所述载波NCO产生的同相载波与所述中频信号相乘，通过低通滤波器后，得到剥离载波后的同相i支路信号；同时，将所述载波NCO产生的正交相位载波与所述中频信号相乘，得到剥离载波后正交q支路信号；
信号截取模块，用于将剥离载波后的中频信号，经过位同步后，每次存储以R为周期的数据长度，按顺序分别截取1ms的所述同相i支路信号和所述正交q支路信号作为跟踪环信号的输入；
码相位偏移计算模块，用于将截取的所述同相i路信号通过压缩感知算法得到1ms数据的码相位偏移量；
循环移位模块Ⅰ，用于提取本地PRN码通过所述码相位偏移量进行循环移位，得到即时(Prompt)支路信号；
循环移位模块Ⅱ，用于将所述即时(Prompt)支路信号送入移位寄存器，分别向前、向后移位半个码片，得到超前(Early)支路信号和滞后(Late)支路信号；
解扩模块，将所述超前(Early)支路信号、即时(Prompt)支路信号和滞后(Late)支路信号分别与所述同相i支路信号及所述正交q支路信号做相关运算，得到解扩后的基带信号iE、iP、iL和qE、qP、qL；
积分模块，通过积分-清除器，进一步提高解扩模块所述iE、iP、iL和qE、qP、qL的信噪比，输出信号IE、IP、IL和QE、QP、QL；
码环模块，用于积分模块所述IE、IL和QE、QL送入码环鉴别器，计算出本地复制的C/A码与输入C/A码之间的相位差异，再经过码环滤波器滤波之后作为载波及码NCO更新模块中所述码NCO的输入，以此来动态调整码相位；
载波环模块，用于积分模块所述IP和QP送入载波环鉴别器，计算出本地载波与输入信号之间的频率差异，经过载波环滤波器滤波之后作为载波及码NCO更新模块中所述载波NCO的输入，以此来动态调整载波频率；
电文提取模块，用于完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。
优选地，该跟踪装置还包括电文解析模块，用于通过跟踪得到的码相位，通过查表映射获得电文，然后通过电文解析模块将导航电文解析后，实现定位。
如上所述，本发明的一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置，具有以下有益效果：
(1)计算复杂度上，针对传统CSK信号跟踪环需要大量相关器问题，利用导航信号的稀疏性得到结合压缩感知方法来完成CSK信号跟踪环的改进，相比于传统的CSK信号跟踪环，相关器的个数从3S个将为6个，此跟踪环极大地降低了计算量，从而提高接收机性能。同时，在获取码相位的运算上，利用导航信号的相关后具有稀疏性，压缩感知算法运算复杂度为O(KMN)远小于通过FFT获取码相位的运算复杂度
(2)在算法上，针对CSK信号的码相位只有前面S个偏移量的可能，所以计算时只要计算码相位存在，从而调整常规的压缩感知算法中的正交基矩阵，减少了不必要的计算。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
图1是本发明实施提供的一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明实施例提供的一种低运算量码移键控调制信号的跟踪方法，针对的C/A码在码相位域上，由于良好的自相关特性，所以只有接收信号的码相位与本地码相位对齐时，具有唯一峰值的特性，则具有稀疏的特性。那么获取信号的码相位时可以采用基于压缩感知算法思想来降低运算量，提高跟踪的速度。为了实现信号的跟踪，那么则需要加入码环和载波环动态调整环路参数，以实现对整段信号进行跟踪。具体包括以下步骤：
步骤一：跟踪前必须要获得的参数的前提是在卫星信号过程中产生的多普勒频移以及码相位偏移，将其输入到载波NCO和码NCO，此步骤是可以确保后续的跟踪信号时可以基本与本地伪码相位对齐，减少对信噪比的损耗。
步骤二：接收卫星CSK调制信号经过下变频模块下变频成中频模拟信号，然后经过模数(A/D)转换器将其转变成离散的数字中频CSK信号，接收到的CSK信号数学模型为s(n)：
式中Ps为信号功率；fIF为载波中频频率；θ为初始载波相位；n(n)为高斯白噪声；Ci(n)为第i个CSK符号，该符号的选择在电文调制时，根据不同电文，通过映射关系决定，数学表达式为
Ci(n)＝cx(mod(m-mi,l))
Ci(t)＝cx(mod(t-miTc,lTc))
其中，cx为x号卫星产生的基本扩频码，l为cx周期内的码片数，Tc为码片间隔，mi为第i个符号相对应的移位数目。
载波NCO产生带多普勒偏移的相位为COS和SIN两路载波，与中频输入信号相乘分别得到包含所有信号能量的i支路信号，和只含噪声的q支路信号。用于载波跟踪环路和码跟踪环路的调整使得整个跟踪过程中i支路信号输出的信号功率最大，同时使得q支路信号输出尽可能地只包含噪声，从而减少对信号的强度的损耗。输入信号经过与本地经过多普勒频移调整的载波相乘，得到同相I和正交Q两路信号如下所示：
I(n)＝s(n)sin[2π(fIF+fd)t(n)]+n(n)
Q(n)＝s(n)cos[2π(fIF+fd)t(n)]+n(n)
步骤三：保存数据前必须要经过位同步，位同步的方法是读取最先进来的中频信号数据，每次读取1ms数据与本地的PRN码做相关，如出现相关峰，则说明当前的读取的数据CSK符号的周期里，然后接着依次读取下一个1ms数据继续与本地PRN码做相关运算，要是连续出现R个相关峰意味着进来的数据已经处于位同步状态。要是在某次相关运算并没有相关峰，说明此时并没有达到位同步状态，此时读取中频信号数据的位置处在两个不同的CSK符号之间，则需要通过将中频信号每次滑动一个码片与本地PRN码做相关运算，直至出现相关峰为止，接收信号与本地码对齐，此处是某个CSK符号开始的位置，达到位同步状态。位同步后截取1ms的信号长度作为跟踪输入
步骤四：改进压缩感知基矩阵
压缩感知具体步骤，以长度为1023码片的PRN码，每个CSK符号调制8bit电文数据为例说明：
由于码相位捕获精度至少为半个码片以上，则根据捕获得到的卫星号和CSK调制的阶数，选用本地PRN码每次循环移动半个码片，移动次数则以CSK调制阶数决定，比如S＝28＝256个不同码相位偏移，那么接收到信号只有256个不同码相位的可能。构造正交基矩阵C时，只需要256个不同码相位矩阵即可。按码相位按每次移位半个码片，则需要移位512次，得到正交基矩阵C如下。
接收信号r可以用正交基矩阵表示，向量η包含了PRN码的相位信息
根据CSK调制阶数选取维度M×N(M＜＜N)随机高斯矩阵作为观测矩阵，包含码相位信息的向量η从N维降为M维，这样就降低了运算复杂度，观测矩阵Φ表达式如下。
其中，N表示输入信号的点数，M表示压缩后的样本数，矩阵的每个单元均独立地服从均值为0，方差为1/M的高斯分布。
将步骤三的观测矩阵Φ对输入信号进行压缩，得到M维的观测向量y以及传感矩阵Θ。
y＝Φr＝ΦCη＝Θη
重构信号，采用正交匹配追踪(OMP)算法对稀疏信号进行重构，OMP算法步骤如下：
(1)初始化，令残余信号v0＝y，迭代次数i＝1，用于保存匹配列数的向量λ和匹配列的矩阵Λ初始为空集；
(2)计算传感矩阵Φ中每一列向量与残余信号v0的内积的绝对值，绝对值最大时达到匹配，记录的列数lk＝argmaxk＝0,1,2…511|vi-1,θk|
(3)更新用于保存匹配列数的向量λ和匹配列的矩阵Λ，即λ＝λ∪lk，Λ＝Λ∪θk
(4)求解稀疏系数η的估计值
(5)更新残余信号
(6)如果满足设定停止条件，则停止迭代，从稀疏系数找到非零值的位置即为码相位偏移值mi。
步骤五：通过步骤四得到的码相位偏移值mi，通过移位寄存器对本地PRN码循环移位，得到与输入信号对齐的P支路信号，数学表达式为：
Ci(n)＝cx(mod(m-mi,L))
其中，cx为x号卫星产生的基本扩频码，L为cx周期内的码片数，mi为第i个符号相对应的移位数目。
步骤六：P支路信号再送入移位寄存器，分别向前，向后移位半个码片就可以得到E支路信号和L支路信号。E支路信号数学表达式为：
Ci(n)＝cx(mod(m-(mi-0.5),L))
L支路信号数学表达式为：
Ci(n)＝cx(mod(m-(mi+0.5),L))
步骤七：步骤四和步骤五中所述的E支路信号、P支路信号和L支路信号分别与步骤三所述的i支路信号和q支路信号做相关运算就可以得到iE、iP、iL和qE、qP、qL。
相关结果iP和qP可以表示为：
iP(n)＝aR(τP)cos((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
qP(n)＝aR(τP)sin((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
其中，a为信号幅度；τP为本地复现PRN码与接收到的PRN码相位差；R(·)为PRN码的自相关函数；θe为本地载波NCO与接收信号的载波相位差；n为噪声。
同理，相关结果iE和qE表示为：
iP(n)＝aR(-0.5+τP)cos((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
qP(n)＝aR(-0.5+τP)sin((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
相关结果iL和qL表示为：
iP(n)＝aR(+0.5+τP)cos((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
qP(n)＝aR(+0.5+τP)sin((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
步骤八：步骤七得到的是解扩后基带信号数据，通过利用积分-清除器可以对解扩后基带信号进行相干积分，这样可以进一步提高信噪比，变为IE、IP、IL和QE、QP、QL。
相干积分结果IP和QP表示为：
IP(n)＝aR(+0.5+τP)sinc(feTcoh)cos((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
QP(n)＝aR(+0.5+τP)sinc(feTcoh)sin((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
IE、QE和IL、QL同理可得。
步骤九：IE、IL和QE、QL送入码环鉴别器，鉴相方式可以采用多种方法，如前减后幅值法、非相干超前减滞后功率法、似相干点积功率法和相干点积功率法等。以非相干超前减滞后幅值法为例，这种方式是让码环不断地调整，使得E和L幅值相等，鉴相后经过码环路滤波器，通过码NCO就可以动态调整码相位偏移，就可以使得本地码对齐输入信号，计算公式为：
步骤十：IP和QP送入载波环鉴别器，载波鉴相方式也可以采用多种方法，但是采用二象限反正切函数鉴相器，它在各种科斯塔锁相环鉴相器中最为准确，鉴相后经过载波环路滤波器，通过载波NCO就可以动态调整载波跟踪频率，使CSK信号可以稳定解调，计算公式为：
步骤十一：每完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。
步骤十二：当电文跟踪解调完之后，将电文数据进行解析，然后通过定位算法计算，完成定位。给重复步骤一至步骤十一，就可以实现长时间连续定位。
本发明还提供一种低运算量码移键控信号跟踪装置，该装置包括：载波及码NCO更新模块、信号接收处理模块、信号截取模块、码相位偏移计算模块、循环移位模块Ⅰ、循环移位模块Ⅱ、解扩模块、积分模块、码环模块、载波环模块、电文提取模块和电文解析模块。
载波及码NCO更新模块，将预先更新得到的多普勒频移和码相位偏移的值输入载波NCO和码NCO。
具体地，跟踪前必须要获得的参数的前提是在卫星信号过程中产生的多普勒频移以及码相位偏移，将其输入到载波NCO和码NCO，此步骤是确保后续的跟踪信号时可以基本与本地伪码相位对齐，减少对信噪比的损耗。
信号接收处理模块，输入离散时间的数字中频信号，将所述载波NCO产生的同相载波与所述中频信号相乘，通过低通滤波器后，得到剥离载波后的同相i支路信号；同时，将所述载波NCO产生的正交相位载波与所述中频信号相乘，得到剥离载波后正交q支路信号。
具体地，接收卫星CSK调制信号经过下变频模块下变频成中频模拟信号，然后经过模数(A/D)转换器将其转变成离散的数字中频CSK信号，接收到的CSK信号数学模型为s(n)：
式中Ps为信号功率；fIF为载波中频频率；θ为初始载波相位；n(n)为高斯白噪声；Ci(n)为第i个CSK符号，该符号的选择在电文调制时，根据不同电文，通过映射关系决定，数学表达式为
Ci(n)＝cx(mod(m-mi,l))
Ci(t)＝cx(mod(t-miTc,lTc))
其中，cx为x号卫星产生的基本扩频码，l为cx周期内的码片数，Tc为码片间隔，mi为第i个符号相对应的移位数目。
载波NCO产生带多普勒偏移的相位为COS和SIN两路载波，与中频输入信号相乘分别得到包含所有信号能量的i支路信号，和只含噪声的q支路信号。用于载波跟踪环路和码跟踪环路的调整使得整个跟踪过程中i支路信号输出的信号功率最大，同时使得q支路信号输出尽可能地只包含噪声，从而减少对信号的强度的损耗。输入信号经过与本地经过多普勒频移调整的载波相乘，得到同相I和正交Q两路信号如下所示：
I(n)＝s(n)sin[2π(fIF+fd)t(n)]+n(n)
Q(n)＝s(n)cos[2π(fIF+fd)t(n)]+n(n)
信号截取模块，将剥离载波后的中频信号，经过位同步后，每次存储以R为周期的数据长度，按顺序分别截取1ms的所述同相i支路信号和所述正交q支路信号作为跟踪环信号的输入。
具体地，保存数据前必须要经过位同步，位同步的方法是读取最先进来的中频信号数据，每次读取1ms数据与本地的PRN码做相关，如出现相关峰，则说明当前的读取的数据CSK符号的周期里，然后接着依次读取下一个1ms数据继续与本地PRN码做相关运算，要是连续出现R个相关峰意味着进来的数据已经处于位同步状态。要是在某次相关运算并没有相关峰，说明此时并没有达到位同步状态，此时读取中频信号数据的位置处在两个不同的CSK符号之间，则需要通过将中频信号每次滑动一个码片与本地PRN码做相关运算，直至出现相关峰为止，接收信号与本地码对齐，此处是某个CSK符号开始的位置，达到位同步状态。位同步后，保存每次保存R个周期长度的数据，按顺序截取1ms的信号长度作为跟踪输入
码相位偏移计算模块，将截取的所述同相i路信号通过压缩感知算法得到1ms数据的码相位偏移量。
具体地，改进压缩感知基矩阵，具体步骤，以长度为1023码片的PRN码，每个CSK符号调制8bit电文数据为例说明：
由于码相位捕获精度至少为半个码片以上，则根据捕获得到的卫星号和CSK调制的阶数，选用本地PRN码每次循环移动半个码片，移动次数则以CSK调制阶数决定，比如S＝28＝256个不同码相位偏移，那么接收到信号只有256个不同码相位的可能。构造正交基矩阵C时，只需要256个不同码相位矩阵即可。按码相位按每次移位半个码片，则需要移位512次，得到正交基矩阵C如下。
接收信号r可以用正交基矩阵表示，向量η包含了PRN码的相位信息
根据CSK调制阶数选取维度M×N(M＜＜N)随机高斯矩阵作为观测矩阵，包含码相位信息的向量η从N维降为M维，这样就降低了运算复杂度，观测矩阵Φ表达式如下。
其中，N表示输入信号的点数，M表示压缩后的样本数，矩阵的每个单元均独立地服从均值为0，方差为1/M的高斯分布。
将步骤三的观测矩阵Φ对输入信号进行压缩，得到M维的观测向量y以及传感矩阵Θ。
y＝Φr＝ΦCη＝Θη
重构信号，采用正交匹配追踪(OMP)算法对稀疏信号进行重构，OMP算法步骤如下：
(1)初始化，令残余信号v0＝y，迭代次数i＝1，用于保存匹配列数的向量λ和匹配列的矩阵Λ初始为空集；
(2)计算传感矩阵Φ中每一列向量与残余信号v0的内积的绝对值，绝对值最大时达到匹配，记录的列数lk＝argmaxk＝0,1,2…511|vi-1,θk|
(3)更新用于保存匹配列数的向量λ和匹配列的矩阵Λ，即λ＝λ∪lk，Λ＝Λ∪θk
(4)求解稀疏系数η的估计值
(5)更新残余信号
(6)如果满足设定停止条件，则停止迭代，从稀疏系数找到非零值的位置即为码相位偏移值mi。
循环移位模块Ⅰ，通过步骤四得到的码相位偏移值mi，通过移位寄存器对本地PRN码循环移位，得到与输入信号对齐的P支路信号，数学表达式为：
Ci(n)＝cx(mod(m-mi,L))
其中，cx为x号卫星产生的基本扩频码，L为cx周期内的码片数，mi为第i个符号相对应的移位数目。
循环移位模块Ⅱ，P支路信号再送入移位寄存器，分别向前，向后移位半个码片就可以得到E支路信号和L支路信号。E支路信号数学表达式为：
Ci(n)＝cx(mod(m-(mi-0.5),L))
L支路信号数学表达式为：
Ci(n)＝cx(mod(m-(mi+0.5),L))
解扩模块，循环移位模块Ⅰ和循环移位模块Ⅱ所述的E支路信号、P支路信号和L支路信号分别与信号截取模块的i支路信号，q支路信号做相关运算就可以得到iE、iP、iL和qE、qP、qL。
相关结果iP和qP可以表示为：
iP(n)＝aR(τP)cos((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
qP(n)＝aR(τP)sin((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
其中，a为信号幅度；τP为本地复现PRN码与接收到的PRN码相位差；R(·)为PRN码的自相关函数；θe为本地载波NCO与接收信号的载波相位差；n为噪声。
同理，相关结果iE和qE表示为：
iP(n)＝aR(-0.5+τP)cos((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
qP(n)＝aR(-0.5+τP)sin((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
相关结果iL和qL表示为：
iP(n)＝aR(+0.5+τP)cos((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
qP(n)＝aR(+0.5+τP)sin((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
积分模块，通过积分-清除器，进一步提高解扩模块所述iE、iP、iL和qE、qP、qL的信噪比，输出信号IE、IP、IL和QE、QP、QL；
具体地，解扩得到的是解扩后基带信号数据，通过利用积分-清除器可以对解扩后基带信号进行相干积分，这样可以进一步提高信噪比，变为IE、IP、IL和QE、QP、QL。
相干积分结果IP和QP表示为：
IP(n)＝aR(+0.5+τP)sinc(feTcoh)cos((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
QP(n)＝aR(+0.5+τP)sinc(feTcoh)sin((fIF+fd)t(n)+θe)+n(n)
IE、QE和IL、QL同理可得。
码环模块，用于积分模块所述IE、IL和QE、QL送入码环鉴别器，计算出本地复制的C/A码与输入C/A码之间的相位差异，再经过码环滤波器滤波之后作为载波及码NCO更新模块中所述码NCO的输入，以此来动态调整码相位。
具体地，IE、IL和QE、QL送入码环鉴别器，鉴相方式可以采用多种方法，如前减后幅值法、非相干超前减滞后功率法、似相干点积功率法和相干点积功率法等。以非相干超前减滞后幅值法为例，这种方式是让码环不断地调整，使得E和L幅值相等，鉴相后经过码环路滤波器，通过码NCO就可以动态调整码相位偏移，就可以使得本地码对齐输入信号，计算公式为：
载波环模块，用于积分模块所述IP和QP送入载波环鉴别器，计算出本地载波与输入信号之间的频率差异，经过载波环滤波器滤波之后作为载波及码NCO更新模块中所述载波NCO的输入，以此来动态调整载波频率。
具体地，IP和QP送入载波环鉴别器，载波鉴相方式也可以采用多种方法，但是采用二象限反正切函数鉴相器，它在各种科斯塔锁相环鉴相器中最为准确，鉴相后经过载波环路滤波器，通过载波NCO就可以动态调整载波跟踪频率，使CSK信号可以稳定解调，计算公式为：
电文提取模块，用于完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。
电文解析模块，用于通过跟踪得到的码相位，通过查表映射获得电文，然后通过电文解析模块将导航电文解析后，实现定位。
上述实施仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种低运算量码移键控信号跟踪方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：将预先更新得到的多普勒频移和码相位偏移的值输入载波NCO和码NCO；
步骤二：输入离散时间的数字中频信号，将步骤一所述载波NCO产生的同相载波与所述数字中频信号相乘，通过低通滤波器后，得到剥离载波后的同相i支路信号；同时，将步骤一所述载波NCO产生的正交相位载波与所述数字中频信号相乘，得到剥离载波后正交q支路信号；
步骤三：将所述剥离载波后的中频信号，经过位同步后，每次存储以R为周期的数据长度，按顺序分别截取1ms的所述同相i支路信号和所述正交q支路信号作为跟踪环信号的输入；
步骤四：将截取的所述同相i支路信号通过压缩感知算法得到1ms数据的码相位偏移量；
步骤五：提取本地PRN码通过所述码相位偏移量进行循环移位，得到即时支路信号；
步骤六：将所述即时支路信号送入移位寄存器，分别向前、向后移位半个码片，得到超前支路和滞后支路信号；
步骤七：将所述超前支路、即时支路和滞后支路信号分别与步骤三的所述同相i支路信号及所述正交q支路做相关运算，得到解扩后的基带信号iE、iP、iL和qE、qP、qL；
步骤八：通过积分-清除器，进一步提高所述iE、iP、iL和qE、qP、qL的信噪比，输出信号IE、IP、IL和QE、QP、QL；
步骤九：把所述信号IE、IL和QE、QL送入码环鉴别器，计算出本地复制的C/A码与输入C/A码之间的相位差异，再经过码环滤波器滤波之后作为步骤一种所述码NCO的输入，以此来动态调整码相位；
步骤十：把所述IP和QP送入载波环鉴别器，计算出本地载波与输入信号之间的频率差异，经过载波环滤波器滤波之后作为步骤一中所述载波NCO的输入，以此来动态调整载波频率；
步骤十一：每完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。
2.根据权利要求1所述的低运算量码移键控信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤三方法包括：
码移键控信号，简称CSK信号，以CSK(U,R)说明信号参数，其中U为调制阶数，R为所述一个CSK信号符号重复周期，所以每次保存的数据长度根据CSK调制信号的周期R来决定，除此之外，保存数据前还要准确识别出所述中频信号CSK符号开始位置，即需要经过位同步，方法是读取最先进来的中频信号数据，每次读取1ms数据与本地的PRN码做相关，如出现相关峰，则说明当前的读取的数据在CSK符号的周期里，然后接着依次读取下一个1ms数据继续与本地PRN码做相关运算，要是连续出现R个相关峰意味着进来的数据已经处于位同步状态。要是在某次相关运算并没有相关峰，说明此时并没有达到位同步状态，此时读取中频信号数据的位置处在两个不同的CSK符号之间，则需要通过将中频信号每次滑动一个码片与本地PRN码做相关运算，直至出现相关峰为止，此时接收信号与本地码对齐，此处是某个CSK符号开始的位置，达到位同步状态，这样就避免接下来读取的1ms数据长度跨越两个CSK符号，导致解调码相位偏移量失败。
3.根据权利要求1所述的低运算量码移键控信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤四具体为：
将读取的一个周期信号进行压缩感知运算，得到其码相位，码相位的偏移量则是跟踪解调的关键，针对通过压缩感知获取码相位偏移量，首先根据需要跟踪的卫星号，通过本地PRN码发生器，生成本地的PRN码序列，由于C/A码具有良好的自相关，可以作为稀疏基，通过大量的实验表明码片精度在半个码片以内即可实现码相位的正确识别，所以在生成稀疏矩阵的时候要先对C/A码进行两倍采样，然后根据预先设定的调制阶数进行循环移位，生成稀疏矩阵；
压缩感知算法的观测矩阵用来做压缩，是降低运算量的关键。常见的观测矩阵随机高斯矩阵、随机伯努利矩阵、哈达玛矩阵；
然后通过将信号与测量矩阵相乘，得到信号的测量结果。在压缩感知中，采集的测量数据数量通常远少于信号的维数；
信号恢复：利用接收到的中频信号作为测量数据和观测矩阵，通过稀疏优化算法来恢复原始信号，所述优化算法包括基于L1范数的最小化、迭代硬阈值法、CoSaMP、SPGL1中的一种，从而得到读取信号的码相位偏移量。
4.根据权利要求1所述的低运算量码移键控信号跟踪方法，其特征在于，该方法还包括步骤十二：当电文跟踪解调完之后，将电文数据进行解析，然后通过定位算法，完成定位，给重复步骤一至步骤十一，就可以实现长时间连续定位。
5.一种低运算量码移键控信号跟踪装置，其特征在于，该装置包括：
载波及码NCO更新模块，用于将预先更新得到的多普勒频移和码相位偏移的值输入载波NCO和码NCO；
信号接收处理模块，用于输入离散时间的数字中频信号，将所述载波NCO产生的同相载波与所述中频信号相乘，通过低通滤波器后，得到剥离载波后的同相i支路信号；同时，将所述载波NCO产生的正交相位载波与所述中频信号相乘，得到剥离载波后正交q支路信号；
信号截取模块，用于将剥离载波后的中频信号，经过位同步后，每次存储以R为周期的数据长度，按顺序分别截取1ms的所述同相i支路信号和所述正交q支路信号作为跟踪环信号的输入；
码相位偏移计算模块，用于将截取的所述同相i路信号通过压缩感知算法得到1ms数据的码相位偏移量；
循环移位模块Ⅰ，用于提取本地PRN码通过所述码相位偏移量进行循环移位，得到即时支路信号；
循环移位模块Ⅱ，用于将所述即时支路信号送入移位寄存器，分别向前、向后移位半个码片，得到超前支路信号和滞后支路信号；
解扩模块，将所述超前支路信号、即时支路信号和滞后支路信号分别与所述同相i支路信号及所述正交q支路信号做相关运算，得到解扩后的基带信号iE、iP、iL和qE、qP、qL；
积分模块，通过积分-清除器，进一步提高解扩模块所述iE、iP、iL和qE、qP、qL的信噪比，输出信号IE、IP、IL和QE、QP、QL；
码环模块，用于积分模块所述IE、IL和QE、QL送入码环鉴别器，计算出本地复制的C/A码与输入C/A码之间的相位差异，再经过码环滤波器滤波之后作为载波及码NCO更新模块中所述码NCO的输入，以此来动态调整码相位；
载波环模块，用于积分模块所述IP和QP送入载波环鉴别器，计算出本地载波与输入信号之间的频率差异，经过载波环滤波器滤波之后作为载波及码NCO更新模块中所述载波NCO的输入，以此来动态调整载波频率；
电文提取模块，用于完成一次跟踪就可以取出压缩感知算法得到的码相位偏移量，通过信号的周期数来确定分组，将其查表映射得到的电文排序好，方便后续的电文内容信息的提取，直至完成整段信号的跟踪过程。
6.根据权利要求5所述的低运算量码移键控信号跟踪装置，其特征在于，该跟踪装置还包括电文解析模块，用于通过跟踪得到的码相位，通过查表映射获得电文，然后通过所述电文解析模块将导航电文解析后，实现定位。
CN202311337259.0A 2023-10-16 2023-10-16 一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置 Pending CN117406252A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311337259.0A CN117406252A (zh) 2023-10-16 2023-10-16 一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311337259.0A CN117406252A (zh) 2023-10-16 2023-10-16 一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117406252A true CN117406252A (zh) 2024-01-16

Family

ID=89497326

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311337259.0A Pending CN117406252A (zh) 2023-10-16 2023-10-16 一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117406252A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5241561A (en) Radio receiver
US7526015B2 (en) Parallel correlator implementation using hybrid correlation in spread-spectrum communication
US7885317B2 (en) AltBoc receiver
US6044105A (en) Doppler corrected spread spectrum matched filter
US7545854B1 (en) Doppler corrected spread spectrum matched filter
EP2280491B1 (en) Apparatus and method for estimating a frequency shift and a time shift
WO2014195712A1 (en) Receiver and method for direct sequence spread spectrum signals
JP2003514425A (ja) 順次捕捉、マルチバンド、マルチチャネル、整合型フィルタ
JP2008512883A (ja) ガリレオの複数のＡｌｔＢＯＣ信号を復調する受信機及びその方法
JPH06296171A (ja) 広帯域伝送システム
CN113141195B (zh) 一种在直扩系统解扩的解调方法及存储介质
CN105765872A (zh) 扩频信号的生成方法、生成装置、接收方法和接收装置
EP3182606A1 (en) Blanking using signal-based thresholding schemes
CN116366092A (zh) 一种多普勒捕获方法、装置和存储介质
JP2006261985A (ja) スペクトル拡散通信用受信機
US7558312B2 (en) Parallel correlator implementation using block integration for spread-spectrum communication
CN116094890B (zh) 一种基于一体化信号的通信信号传输方法
CN117406252A (zh) 一种低运算量码移键控信号跟踪方法及装置
CN108957492B (zh) 一种gps的l1c/a和l1c联合捕获方法
CN113347130A (zh) 基于msk/gmsk调制的序列索引扩频方法及装置
CN112764065B (zh) 一种oqpsk卫星双向时间比对信号频率同步方法
US7298776B2 (en) Acquisition of a gated pilot signal with coherent and noncoherent integration
US7711038B1 (en) System and method for despreading in a spread spectrum matched filter
Li et al. Two-Step Frame Header Detection Algorithm for VDE Uplink
CN116381739A (zh) AltBOC信号的处理方法、系统和卫星信号接收机

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination