[發(fā)明專利]一種基于周期累加平均的軟件校準(zhǔn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)采集設(shè)備采樣率的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910236295.1
• 申請(qǐng)日: 2009-11-02
• 公開（公告）號(hào): CN101699311A
• 公開（公告）日: 2010-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 寇艷紅;周興云;張海濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S1/02
• 分類號(hào): G01S1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，具體地說，是指一種通過在軟件接收機(jī)中進(jìn)行多周期累加平均處理和相關(guān)峰搜索來校準(zhǔn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)采集設(shè)備采樣率的方法。

背景技術(shù)

軟件接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)性能改進(jìn)、多功能多用途靈活集成、多星座多頻段兼容，以及展開各種衛(wèi)星導(dǎo)航綜合應(yīng)用、邊緣應(yīng)用和專項(xiàng)應(yīng)用研究的一種最有效的技術(shù)途徑。作為軟件接收機(jī)的硬件平臺(tái)，典型的衛(wèi)星導(dǎo)航射頻信號(hào)采集前端包括天線、放大器、本地振蕩器、混頻器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)設(shè)備，其所采集得到的數(shù)字衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)可以送入軟件接收機(jī)中進(jìn)行信號(hào)捕獲、跟蹤和導(dǎo)航定位解算處理。很多采集前端硬件中頻率源的實(shí)際輸出頻率會(huì)偏離制造商所標(biāo)稱的頻率，其精度和穩(wěn)定度將會(huì)影響到所采集信號(hào)的中心頻率和采樣率。其中采樣率誤差將會(huì)直接影響到軟件接收機(jī)的正常工作：對(duì)于信號(hào)捕獲過程而言，不準(zhǔn)確的采樣率不僅使得載波多普勒的搜索窗格數(shù)增多，而且使得每次相關(guān)運(yùn)算所用的采樣點(diǎn)數(shù)不準(zhǔn)、以采樣點(diǎn)序號(hào)表示的擴(kuò)頻碼相位不準(zhǔn)，導(dǎo)致捕獲時(shí)間加長，甚至捕不到信號(hào)；對(duì)于信號(hào)跟蹤過程而言則會(huì)造成跟蹤誤差增大以至不能進(jìn)入跟蹤狀態(tài)或容易失鎖；對(duì)于電文解調(diào)而言則易產(chǎn)生誤碼，從而帶來星歷參數(shù)的誤差，使得接收機(jī)位置解算產(chǎn)生誤差或根本無法解算。

這種情況下，將接收機(jī)硬件的采樣率校準(zhǔn)到一定精度就成為了接收機(jī)正常工作的前提。傳統(tǒng)采用的方法是利用標(biāo)準(zhǔn)的頻率計(jì)數(shù)器或時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x對(duì)需校準(zhǔn)的頻率進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，但這些儀器往往造價(jià)昂貴，且使用時(shí)需要由將接收機(jī)中待測(cè)的頻率通過電纜引出，給廣大用戶造成了不便。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的L.L.Liou，D.M.Lin，J.B.Tsui等人在2005年發(fā)表的一篇論文“Frequency?Calibration?of?A/D?Converter?in?Software?GPS?Receivers”中提出了一種通過對(duì)軟件接收機(jī)中得到的碼相位和載波相位進(jìn)行處理而校準(zhǔn)ADC采樣率的方法，這種方法不需額外的硬件設(shè)備，但需要事先知道每個(gè)待校準(zhǔn)設(shè)備的射頻前端電路所采用的特定變頻方案，并進(jìn)行特定的計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和擬合處理，且僅達(dá)到了1Hz的校準(zhǔn)精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)方法使用不便的問題，及目前見諸報(bào)道的軟件方法需要關(guān)于設(shè)備變頻方案先驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜且校準(zhǔn)精度和信號(hào)可觀測(cè)性不夠高的問題，提出了一種基于周期累加平均的軟件校準(zhǔn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)采集設(shè)備采樣率的方法；本方法利用軟件接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行獨(dú)特的軟件處理，得到剝離載波和電文而只含有擴(kuò)頻碼和噪聲的信號(hào)，并設(shè)計(jì)了一種多周期累加平均和相關(guān)峰檢測(cè)的方法以及一種分級(jí)搜索邏輯以找到準(zhǔn)確的真實(shí)采樣率，其校準(zhǔn)精度為累加平均時(shí)長的倒數(shù)(例如利用8s的累加時(shí)長即可得到0.125Hz的精度)；同時(shí)多周期的累加平均使得預(yù)相關(guān)解擴(kuò)前的基帶信號(hào)信噪比大為提高，信號(hào)的可觀測(cè)性顯著增強(qiáng)。

本發(fā)明提供的方法包括以下步驟：

步驟一：利用待校準(zhǔn)設(shè)備采集衛(wèi)星導(dǎo)航射頻信號(hào)，將所采集的數(shù)字信號(hào)送入衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)進(jìn)行捕獲、跟蹤和比特同步處理；

步驟二：在比特同步以后，對(duì)步驟一所采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波剝離和導(dǎo)航電文比特去除，得到只含有擴(kuò)頻碼和噪聲的信號(hào)；

步驟三：通過對(duì)步驟二得到的信號(hào)進(jìn)行多周期累加平均、相關(guān)運(yùn)算和相關(guān)峰檢測(cè)，對(duì)設(shè)定的采樣率在其誤差范圍內(nèi)進(jìn)行分級(jí)搜索，以找到準(zhǔn)確的采樣率。

其中在步驟一所述的信號(hào)捕獲、跟蹤和比特同步處理方法同具體所采集的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)結(jié)構(gòu)有關(guān)，需采用具有周期性重復(fù)特點(diǎn)的擴(kuò)頻碼。

在步驟二所述的載波剝離可以在信號(hào)跟蹤環(huán)路的載波混頻器中自動(dòng)完成，而電文去除是將載波剝離后仍含有擴(kuò)頻碼的信號(hào)與比特同步后解調(diào)下來的電文比特流直接相乘。

在步驟三所述的多周期累加平均利用擴(kuò)頻碼周期重復(fù)的特性，通過對(duì)R個(gè)碼周期的采樣點(diǎn)進(jìn)行累加平均處理，到達(dá)提高信噪比從而提高信號(hào)可觀測(cè)性的目的。接著將累加平均后的信號(hào)與本地參考碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。由于采樣率誤差會(huì)對(duì)累加效果和相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的相關(guān)峰造成很大影響，故而可以利用這種對(duì)采樣率誤差的敏感性來尋找準(zhǔn)確的實(shí)際采樣率值。其中R的取值受到衛(wèi)星載波f_L上多普勒頻率變化的影響而有所不同，載波多普勒頻率變化量Δf_d所依據(jù)的公式為式中n為一個(gè)擴(kuò)頻碼周期上的采樣點(diǎn)數(shù)(以最小值計(jì))。

本發(fā)明提供的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.本發(fā)明提供的方法相對(duì)于采用頻率計(jì)數(shù)器的方法而言不需額外的硬件設(shè)備和采樣率輸出端口，因而成本低廉、使用靈活方便。