一種衛星導航信號的斜率位同步法
【專利摘要】本發明涉及一種衛星導航信號的位同步法，本發明的方法包括，捕獲GPS信號；對GPS信號跟蹤，解調出導航電文數據；計算導航電文數據每個點的能量并取模；逐個累加每個位置的能量值；利用曲線擬合，對某一位置的前5個點和后5個點直線擬合，然后求兩條直線的交點，此點就是位同步的比特位。利用本發明的曲線擬合求求斜率來實現位同步方法，在強信號或者弱信號下，利用斜率都能實現位同步，并且利用斜率能實現同步正確概率比直方圖更高，在更弱信號下，利用斜率也能實現位同步。
【專利說明】-種衛星導航信號的斜率位同步法
[0001] 本發明屬于信號與信息處理領域，具體設及衛星導航信號的斜率位同步方法。
【背景技術】
[0002] 位同步技術是GNSS接收機技術的重要組成部分，正確實現位同步是GNSS接收機實 現解調電文、偽距計算W及利用相干累加實現高靈敏跟蹤的基礎。
[0003] 傳統的直方圖方法是一種被廣泛使用的統計估計方法，它通過統計相關器或者鎖 相環輸出的前后數據的符號變化來進行檢測。為例，輸出數據的周期是Ims，一共有20 個比特翻轉候選位置，經過一段時間的統計，如果其中一個候選位置的符號變化明顯多于 其它位置，那么就判定該候選位置是比特邊界。2002年M.Ko化onen和S.Pietila提出了一種 新的位同步方法一 K-P法，運種方法將每個候選位置之后的20個數據進行累加，求包絡得到 相應的數據位能量，再將數據位能量通過一段時間的累積，獲得對應20個位置中數據位能 量最大的位置，即數據位邊緣位置。
[0004] 例如，在專利文獻1 (CN 101614804A，弱信號下GPS導航電文數據位同步的方法及 裝置）中，記載GPS接收機捕獲GI^衛星信號數據，然后計算單導航電文數據位內的位邊界的 最大似然率，然后根據最大似然率判斷導航電文數據位的邊界的數據值。
[0005] 目前的GPS導航定位，位同步也是很重要且關鍵的一塊，因為跟蹤獲得的I之路雖 然是導航電文數據，但是收獲的導航電文數據是比特數據，必須對其進行位同步帖同步解 調。對GPS接收機主要通過四個主要的功能來實現導航定位功能，對衛星的捕獲，捕獲后獲 得的GPS衛星信號進行跟蹤，然后是獲取GPS衛星信號中調制的導航電文信息，根據解調后 的導航電文獲取星歷進行用戶接收機所在的位置來計算，最終確定導航和定位功能。解調 過程相當重要，無論GI^接收機的基帶處理多么好，GPS接收機的捕獲和跟蹤靈敏度多么高， 當我們無法正確的解調處理GPS衛星的導航電文數據時，我們都不可能輸出定位信息或者 輸出錯誤的定位信息。而正確的解調導航電文信息的關鍵就是實現跟蹤的I之路的導航電 文數據的位同步過程，怎么樣快速并且準確的定位導航電文數據的數據邊界使研究重點。
[0006] 直方圖法是一種常用的比特同步算法，它只利用相關器輸出的符號信息進行統計 判決，實現簡單，計算量小，但其在低信噪比下的同步錯誤概率較大。直方圖優化算法在直 方圖法的基礎上增加了對前后兩次相關值能量的利用，計算量稍大，但同時在低信噪比下 的正確同步概率也得到了一定的提高。K-P算法基于最大似然估計，它通過對相關值能量做 相干累加和非相干累加進行判決，運算量相對來說較大，但在低信噪比下的正確同步概率 得到了較大的提高。專利文獻1針對研究GI^導航信號電文數據位同步采用計算導航電文數 據位內的位邊界的最大似然率，通過計算的最大似然率來判斷導航電文的邊界和數據值。 但是此方法在數據加入高斯噪聲的干擾下準確率有待提高。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術存在的不足，本發明提供一種基于斜率的位同步方法，在強信號與 弱信號下都能對GPS導航電文數據實現位同步。
[0008] 為實現上述目的，所提出的斜率位同步方法，包括如下步驟：
[0009] (1)捕獲 GI^ 信號。
[0010] (2)對GPS信號跟蹤，解調出導航電文數據。
[0011] (3)計算導航電文數據每個點的能量并取模。
[0012] (4)逐個累加每個位置(20個)的能量值。
[0013] (5)利用曲線擬合，對某一位置的前5個點和后5個點直線擬合，然后求兩條直線的 交點，此點就是位同步的比特位。
[0014] 進一步的，上述步驟(1)捕獲GI^信號，優選采用并行碼相位捕獲方法。
[0015] 所述并行碼相位捕獲方法具體包括W下步驟：
[0016] 11)對輸入的數字中頻信號SiF(n)分別與本地復制的正弦與余弦載波信號進行混 頻，對復數形式的混頻結果i+化進行傅里葉變換。
[0017] 12)將C/A碼發生器生成本地相應的C/A碼進行傅里葉變換，然后取其共輛值。
[0018] 13)將上述11)的結果和12)的結果進行相乘，將所得的乘積再進行反傅里葉變換 得到在時域內的相關結果，對運些相關值進行檢測來判斷信號是否存在。
[0019] 14)在完成當前頻帶的捜索與檢測后，復制另一個頻率值的載波，然后重復上述步 驟11)和步驟13)，完成下一個頻帶的捜索與檢測。當捜索另一個信號時，然后重復上述步驟 11)，步驟12)，步驟13)。
[0020] 15)重復14)，直到32個衛星都捜索與檢測完。
[0021] 進一步的，上述步驟（2)對GPS信號跟蹤，解調出導航電文數據，優選包括W下步 驟：
[0022] 21)載波環復制本地載波與中頻信號混頻相乘，其中I支路是與正弦復制載波相 乘，Q支路是與余弦復制載波相乘。
[0023] 22)I，Q支路上的混頻結果分別與CA碼發生器產生的超前碼、滯后碼、即時碼相關。
[0024] 23)相關結果再經積分-清除器后分別輸出相干積分值。
[0025] 24)即時支路上的I、Q的積分值作為載波環鑒別器的輸入，其他支路作為碼環鑒別 器輸入。
[0026] 25)載波環和碼環各自根據其鑒別器輸出的結果來調節載波NCO和CA碼NCO的輸 出，使載波環復制的本地載波與接收載波一致，碼環所復制的CA碼即時碼與接收CA碼一致
[0027] 26)運行過程中，載波環根據復制的載波W信號狀態輸出多普勒頻移、積分多普勒 和載波相位測量值，同時碼環根據其所復制的C/A碼信號狀態輸出碼相位和偽距測量值，載 波環鑒別器解調出導航電文數據。
[0028] 進一步的，上述步驟(3)計算導航數據每個點的能量并取模，優選包括W下步驟：
[0029] 由上述2)步驟得到導航電文數據，每個候選位置之前的20個數據進行累加，求包 絡得到相應的數據位能量，巧
它代表每個候選位置的能量值，n為數據 長度。取Ci = I bi I，i = 0，1，2...，它代表每個數據位能量取絕對值。
[0030] 進一步的，上述步驟(4)逐個累加每位置上的能量值，優選包括W下步驟：
[0031] 取
它代表逐個累加每個位置的能量值，k = n/20向下取整。
[0032] 進一步的，上述步驟(5)對某一位置的前5個點和后5個點直線擬合，然后求兩條直 線的交點，循環取點求最大交點，該點是位同步的比特位。優選具體包括W下步驟：
[0033] 對某一點的前5個點和后5個點直線擬合(例如第8個點，前5個點為3,4,5,6,7，后5 個點為9，10，11，12，13 )，然后求兩條直線的交點，循環取點，求出最大的交點，對最大交點 四舍五入取整，此點就是位同步的比特位。
[0034] 本發明的有益效果：
[0035] 本發明提出是一種利用曲線擬合求斜率來實現位同步方法，運種方法沒有出現在 已有的專利或者論文中。
[0036] 利用本發明的曲線擬合求求斜率來實現位同步方法，具有W下優點：
[0037] (1)在強信號或者弱信號下，利用斜率都能實現位同步；
[0038] (2)在強信號或者弱信號下，在完成捕獲與跟蹤后，利用斜率能實現正確同步概率 比直方圖要高得多；
[0039] 在更弱信號下，利用斜率也能實現位同步。
【附圖說明】
[0040] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。但是需要注意的是，附圖僅示出 了本發明的若干實施方案，因此不能認為附圖是對本發明范圍的限制，因為本發明的范圍 還承認其他的等同實施方案。
[0041 ]圖1為本發明方法的結構框圖。
[0042] 圖2為本發明一個實施方式的流程圖第一部分。
[0043] 圖3為本發明一個實施方式的流程圖第二部分。
[0044] 圖4為本發明一個實施方式的流程圖第=部分。
[0045] 圖5為編號能量值圖。
[0046] 圖6為斜率位同步圖。
【具體實施方式】
[0047] 為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明 本發明的【具體實施方式】。附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本發明的限制。本領域的普 通技術人員將理解對本文所述的裝置和方法做出的許多實施例、改變和替換都在本發明的 范圍和主旨之內。
[004引實施例一.
[0049] 參照附圖1，本實施例的斜率位同步方法包括如下步驟：
[0050] (1 )，捕獲信號，即對GPS信號進行捕獲。
[0051 ] (2)追蹤信號，對GPS信號跟蹤，解調出導航電文數據。
[0052] (3)計算能量值，計算解調出的導航電文數據每個點的能量并取模，逐個累積每個 位置20個的能量值。
[0053] (4)計算位同步，利用曲線擬合，將某一位置的前5個點和后5個點直線擬合，然后 求兩條直線的交點，此點就是位同步的比特位。
[0054] 實施例二：
[0055] 參照附圖2-6,本實施例的斜率位同步方法包括如下步驟：
[0056] 步驟一、捕獲信號：
[0057] 開始，讀取數據。
[0058] 11)對輸入的數字中頻信號SiF(n)分別與本地復制的正弦與余弦載波信號進行混 頻，對復數形式的混頻結果i+化進行傅里葉變換。
[0059] 12)將C/A碼發生器生成本地相應的C/A碼進行傅里葉變換，然后取其共輛值。
[0060] 13)將上述11)的結果和12)的結果進行相乘，將所得的乘積再進行反傅里葉變換 得到在時域內的相關結果，對運些相關值進行檢測分析來判斷信號是否存在。
[0061] 14)在完成當前頻帶的捜索與檢測后，復制另一個頻率值的載波，然后重復上述步 驟11)和步驟13)，完成下一個頻帶的捜索與檢測。當捜索另一個信號時，然后重復上述步驟 11)，步驟12)，步驟13)。
[0062] 15)重復14)，直到32個衛星都捜索與檢測完。
[0063] 步驟二、GPS信號跟蹤，解調出導航電文數據：
[0064] 21)載波環復制本地載波與中頻信號混頻相乘，其中I支路是與正弦復制載波相 乘，Q支路是與余弦復制載波相乘。
[0065] 22)I，Q支路上的混頻結果分別與CA碼發生器產生的超前碼、滯后碼、即時碼相關。
[0066] 23)相關結果再經積分-清除器后分別輸出相干積分值。
[0067] 24)即時支路上的I、Q的積分值作為載波環鑒別器的輸入，其他支路作為碼環鑒別 器輸入。
[0068] 25)載波環和碼環各自根據其鑒別器輸出的結果來調節載波NCO和CA碼NCO的輸 出，使載波環復制的本地載波與接收載波一致，碼環所復制的CA碼即時碼與接收CA碼一致
[0069] 26)運行過程中，載波環根據復制的載波W信號狀態輸出多普勒頻移、積分多普勒 和載波相位測量值，同時碼環根據其所復制的C/A碼信號狀態輸出碼相位和偽距測量值，載 波環鑒別器解調出導航電文數據。
[0070] 步驟=、計算導航數據每個點的能量并取模：
[0071] 由上述步驟二得到導航電文數據，每個候選位置之前的20個數據進行累加，求包 絡得到相應的數據位能量，取
它代表每個候選位置的能量值，n為數據 長度。取Ci = I bi I，i = 0，1，2...，它代表每個數據位能量取絕對值。
[0072] 步驟四、逐個累加每位置上的能量值。
[0073] 巧
它代表逐個累加每個位置的能量值，k = n/20向下取整。
[0074] 例如，附圖5-6為能量值圖。
[0075] 步驟五、對某一位置的前5個點和后5個點直線擬合，然后求兩條直線的交點，循環 取點求最大交點，該點是位同步的比特位。
[0076] 對某一點的前5個點和后5個點直線擬合，例如附圖4中第8個點，前5個點為3,4,5， 6,7,后5個點為9,10,11，12,13)，然后求兩條直線的交點，循環取點，求出最大的交點，對最 大交點四舍五入取整，此點就是位同步的比特位。
[0077] W上是對本發明的較佳實施方式進行了具體說明，但本發明創造并不限于上述實 施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可做出種種的等同變形或替 換，運些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。
【主權項】
1. 一種衛星導航信號的斜率位同步法，其特征在于包括如下步驟： (1) 捕獲GPS信號； (2) 對GPS信號跟蹤，解調出導航電文數據； (3) 計算導航電文數據每個點的能量并取模； (4) 逐個累加每個位置(20個)的能量值； (5) 利用曲線擬合，對某一位置的前5個點和后5個點直線擬合，然后求兩條直線的交 點，此點就是位同步的比特位。2. 根據權利要求1所述的斜率位同步法，所述步驟（1)捕獲GPS信號采用并行碼相位捕 獲方法。3. 根據權利要求2所述的斜率位同步法，所述并行碼相位捕獲方法具體包括以下步驟： 11) 對輸入的數字中頻信號SIF(n)分別與本地復制的正弦與余弦載波信號進行混頻，對 復數形式的混頻結果i+jq進行傅里葉變換。 12) 將C/A碼發生器生成本地相應的C/A碼進行傅里葉變換，然后取其共輒值。 13) 將上述11)的結果和12)的結果進行相乘，將所得的乘積再進行反傅里葉變換得到 在時域內的相關結果，對這些相關值進行檢測來判斷信號是否存在。 14) 在完成當前頻帶的搜索與檢測后，復制另一個頻率值的載波，然后重復上述步驟 11)和步驟13)，完成下一個頻帶的搜索與檢測。當搜索另一個信號時，然后重復上述步驟 11)，步驟12)，步驟13)。 重復14)，直到32個衛星都搜索與檢測完。4. 根據權利要求3所述的斜率位同步法，所述步驟(2)對GPS信號跟蹤，解調出導航電文 數據包括以下步驟： 21) 載波環復制本地載波與中頻信號混頻相乘，其中I支路是與正弦復制載波相乘，Q支 路是與余弦復制載波相乘。 22) 1，Q支路上的混頻結果分別與CA碼發生器產生的超前碼、滯后碼、即時碼相關。 23) 相關結果再經積分-清除器后分別輸出相干積分值。 24) 即時支路上的I、Q的積分值作為載波環鑒別器的輸入，其他支路作為碼環鑒別器輸 入。 25) 載波環和碼環各自根據其鑒別器輸出的結果來調節載波NCO和CA碼NCO的輸出，使 載波環復制的本地載波與接收載波一致，碼環所復制的CA碼即時碼與接收CA碼一致 運行過程中，載波環根據復制的載波以信號狀態輸出多普勒頻移、積分多普勒和載波 相位測量值，同時碼環根據其所復制的C/A碼信號狀態輸出碼相位和偽距測量值，載波環鑒 別器解調出導航電文數據。5. 根據權利要求4所述的斜率位同步法，所述步驟(3)計算導航數據每個點的能量并取 模包括以下步驟： 由上述2)步驟得到導航電文數據，每個候選位置之前的20個數據進行累加，求包絡得 到相應的數據位能量，：它代表每個候選位置的能量值，η為數據長 度。取Ci = I bi I，i = 0，1，2...，它代表每個數據位能量取絕對值。6. 根據權利要求5所述的斜率位同步法，所述步驟(4)逐個累加每位置上的能量值包括 以下步驟：它代表逐個累加每個位置的能量值，k = n/20向下取整。7.根據權利要求6所述的斜率位同步法，所述步驟(5)利用曲線擬合，對某一位置的前5 個點和后5個點直線擬合，然后求兩條直線的交點，此點就是位同步的比特位，具體包括以 下步驟： 對某一點的前5個點和后5個點直線擬合，然后求兩條直線的交點，循環取點，求出最大 的交點，對最大交點四舍五入取整，此點就是位同步的比特位。
【文檔編號】G01S19/37GK106019335SQ201610519891
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】劉怡俊, 葉劍科
【申請人】廣東工業大學