一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統及方法
【專利摘要】本發明提供了一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統及方法，該系統包括：Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊、導航數據生成模塊、兩個乘法器和時鐘模塊，通過兩個乘法器，分別將導航數據生成模塊生成的衛星導航數據信號與偽隨機碼生成模塊生成的偽隨機序列擴頻碼信號相乘后得到數字擴頻信號，將數字擴頻信號與Chirp信號生成模塊生成的Chirp信號相乘后調制為衛星導航信號；所述的時鐘模塊，用于生成驅動Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊和導航數據生成模塊工作的時鐘信號。基于上述系統及本發明提供的方法，利用Chirp信號波長和頻率有規律變化的特點，解決載波相位測量整周模糊的問題，利用Chirp信號具有很強自相關性的特點，提高測距精度和信號接收信噪比。
【專利說明】
_種利用Gh i rp信號生成衛星導航信號的系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及衛星導航技術領域，具體涉及一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統及方法。【背景技術】
[0002]目前，在衛星導航領域普遍采用BPSK(Binary Phase Shift Keying，二相相移鍵控)調制，使用頻率固定的載波信號。在載波相位測量中，由于載波的波長相同，無法區分， 存在整周模糊度的問題。
[0003]在衛星導航系統的載波相位測量中為解算整周模糊度，需要進行多頻測量和長時間觀測。在現有的衛星導航技術中提高測距精度的方法包括:1.提高測距碼的碼速率，但使用這種方法會占用更多信號帶寬，衛星導航頻段受帶寬限制能提高的測距精度有限。2.采用載波相位測量，該方法存在整周模糊度解算的問題，需要多頻或長時間解算得到整周模糊度。3.使用外部增強或輔助來修正測距誤差，這種方法依賴外部輔助，無法獨立運行。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于，為了解決上述現有的衛星導航技術中信號載波相位測量整周模糊度的問題和提高測距精度的問題，本發明以Chirp信號作為衛星導航信號的載波，利用 Chirp信號的波長和頻率有規律的變化區分各個載波波長，從而解決了整周模糊度的問題。
[0005]為實現上述目的，本發明提出的一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統，該系統包括:Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊、導航數據生成模塊、兩個乘法器和時鐘模塊，其中:
[0006]所述的Chirp信號生成模塊，用于產生頻率線性連續變化的周期性Chirp信號，作為衛星導航信號的載波信號；
[0007]所述的偽隨機碼生成模塊，用于產生衛星導航的偽隨機序列擴頻碼信號；
[0008]所述的導航數據生成模塊，用于生成衛星導航數據信號；
[0009]所述的兩個乘法器，分別用于將衛星導航數據信號與偽隨機序列擴頻碼信號相乘后生成數字擴頻信號，和用于將數字擴頻信號與Chirp信號相乘后調制為衛星導航信號；
[0010]所述的時鐘模塊，用于生成驅動Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊和導航數據生成模塊工作的時鐘信號，以保持各模塊同步工作。
[0011]作為上述技術方案的進一步改進，所述的偽隨機碼生成模塊根據衛星導航信號用途，生成滿足碼周期和碼速率設計要求的偽隨機序列擴頻碼信號。
[0012]作為上述技術方案的進一步改進，所述的導航數據生成模塊生成包含衛星星歷和歷書的衛星導航電文數據信息。
[0013]作為上述技術方案的進一步改進，所述的Chirp信號的頻率變化周期與擴頻碼周期或數據bit周期相同。
[0014]基于上述一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統，本發明還提供了一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的方法，該方法包括以下步驟:
[0015]步驟1，所述的Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊和導航數據生成模塊在時鐘模塊生成的各時鐘信號的驅動下同步工作；[〇〇16]步驟2,將導航數據生成模塊生成的衛星導航數據信號與偽隨機碼生成模塊產生的偽隨機序列擴頻碼信號相乘，生成數字擴頻信號；
[0017]步驟3,將步驟2中生成的數字擴頻信號與Chirp信號生成模塊產生的Chirp載波信號相乘，調制得到衛星導航信號。
[0018]作為上述技術方案的進一步改進，所述的時鐘模塊通過對星載原子鐘產生的時鐘做倍頻和分頻處理實現。
[0019]作為上述技術方案的進一步改進，所述的衛星導航數據信號中包含衛星播發的星歷數據、歷書數據和星基增強信息。
[0020]作為上述技術方案的進一步改進，所述的數字擴頻信號通過偽隨機序列采用直接序列擴頻產生。
[0021]本發明的一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的方法優點在于:
[0022]本發明中的系統及方法利用了Chirp信號波長和頻率有規律變化的特點，解決載波相位測量整周模糊的問題，利用Chirp信號具有很強自相關性的特點，提高測距精度和信號接收信噪比，利用Chirp信號頻譜均勻的特點，提高了頻譜利用率，特別適合于衛星導航定位中，以進一步實現高精度導航定位。【附圖說明】[〇〇23]圖1為本發明中的一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統結構組成框圖。 [〇〇24]圖2為本發明中以Chirp信號作載波的衛星導航信號在基帶頻率的時域圖。[〇〇25]圖3為本發明中以Chirp信號作載波的衛星導航信號在基帶頻率的頻域圖。[〇〇26]圖4為本發明中以Chirp信號作載波的衛星導航信號在基帶頻率的自相關圖。[〇〇27]圖5為本發明中以Chirp信號作載波的衛星導航信號與GPS系統的C/A碼信號的自相關性對比圖。【具體實施方式】[〇〇28]下面結合附圖和實施例對本發明所述的一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統及其實現方法進行詳細說明。[〇〇29]如圖1所示，本發明提供的一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統包括: Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊、導航數據生成模塊、兩個乘法器和時鐘模塊，信號沿著圖1所示的箭頭方向流動。
[0030] Chirp信號是一種頻率隨時間逐漸增加或減小的信號，Chirp信號的幅度保持恒定，Chirp信號的帶寬為頻率的變化范圍。Chirp信號具有很強的自相關性，常用在雷達中， 實現脈沖壓縮技術，以獲得更高的時空分辨率，并且提高信號接收的信噪比。線性Chirp信號運用于擴頻技術中，其頻譜大致為均勻分布。Chirp信號在時域波形上，其波長和頻率隨時間按設定的規律變化，如頻率隨時間而線性變大或減小，頻率隨時間而指數變大或減小。 [〇〇31]所述的Chirp信號生成模塊，用于生成Chirp信號，作為衛星導航信號的載波信號，Chirp信號的頻率周期性變化，周期為一個數據bit，或者為一個擴頻碼周期，或者為幾個數據bit，或者為一幀數據。Chirp信號的頻率可以由小到大，也可以由大到小變化。[〇〇32]所述的偽隨機序列擴頻碼具有周期性，一個周期的偽隨機序列擴頻碼如GPS系統所使用的C/A碼，包含1023個碼片，每個碼片符號按BPSK調制到載波上。GPS系統的L1頻率上的C/A碼信號，其一個數據bit上調制了 20個周期的偽隨機序列擴頻碼。[〇〇33]所述的偽隨機碼生成模塊可生成全球衛星定位系統(GNSS)常用的擴頻碼信號，如 GPS系統的C/A碼擴頻信號或北斗衛星導航系統的擴頻碼信號。該偽隨機碼生成模塊可通過生成GNSS使用的Gold碼擴頻碼作為偽隨機序列擴頻碼信號。采用Gold碼的好處在于，其碼長經過折衷選擇，便于性能不高的民用接收機使用;具有優良的自相關性和互相關性。該偽隨機序列擴頻碼還可以采用如混沌碼等其他格式的擴頻碼。[〇〇34]偽隨機序列用于直接序列擴頻和測距，是衛星導航中的通用技術。用偽隨機序列做直接序列擴頻產生數字擴頻信號，其優點在于:功率譜密度低，抗干擾，為無線電測距提供手段。偽隨機序列用作直接序列擴頻碼，各顆衛星的測距信號通過使用不同偽隨機序列擴頻碼來區分。偽隨機序列用于無線電測距，衛星信號與本地接收機信號的偽隨機序列對齊時，會產生一個自相關峰，根據自相關峰出現的時延，測量衛星信號到接收機的傳播時間，從而測得距離。[〇〇35]所述的導航數據生成模塊可生成為GNSS的衛星播放的導航數據信號。該導航數據信號中可包含衛星播發的星歷數據、歷書數據和星基增強信息。[〇〇36]所述的兩個乘法器，分別用于將衛星導航數據信號與偽隨機序列擴頻碼信號相乘后生成數字擴頻信號，和用于將數字擴頻信號與Chirp信號相乘后調制為衛星導航信號。
[0037]所述的時鐘模塊用于生成時鐘信號，作為時間標準驅動Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊和導航數據生成模塊工作，保持各模塊同步工作。時鐘模塊通過對星載原子鐘提供的基準時鐘信號做倍頻和分頻處理實現。倍頻和分頻是把基準時鐘頻率進行倍增或分數除，其在硬件上通過倍頻器、分頻器、鎖相環、計數器和乘法器等元件來實現。原子鐘是一種基于原子的光子躍迀時間為基準的計時器，其時間基準精度高，目前，最精確的授時時鐘采用原子鐘。衛星導航系統對時鐘準確度要求高，因此本發明采用了原子鐘。[〇〇38]其中調制的原理是:利用衛星導航數據信號和偽隨機序列擴頻碼信號對齊、相乘得到+/-1序列信號，然后將生成的數字擴頻信號與Chirp信號相乘，改變Chirp信號的相位， 最終獲得衛星導航信號。信號對齊通過各模塊的時鐘同步控制。上述調制過程的目的是把信息加載到適合于在衛星信道中傳播的載波上。[〇〇39]基于上述的利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統，本發明還提供了一種利用 Chirp信號生成衛星導航信號的方法，該方法包括以下步驟:
[0040]步驟1，所述的Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊和導航數據生成模塊在時鐘模塊生成的各時鐘信號的驅動下同步工作；[〇〇41]步驟2,將導航數據生成模塊生成的衛星導航數據信號與偽隨機碼生成模塊產生的偽隨機序列擴頻碼信號相乘，生成數字擴頻信號；
[0042]步驟3,將步驟2中生成的數字擴頻信號與Chirp信號生成模塊產生的Chirp載波信號相乘，調制得到衛星導航信號。[〇〇43]如圖2、圖3和圖4展示了基于Chirp信號作為載波的衛星導航信號在基帶頻率的時域圖、頻域圖和自相關特性圖。該信號在基帶的中心頻率為4MHz，頻率變化率為2GHz/s， Chirp信號的周期為lms，即Chirp信號的帶寬為2MHz。所使用擴頻碼為GPS系統的C/A碼信號所采用的1號Go Id碼。
[0044]如圖2所示的時域波形圖，使用Chirp信號做載波的衛星導航信號的幅度值為1，信號的頻率為由小到大線性增加，變化率為2GHz/S，信號的相位翻轉由衛星導航信號的擴頻碼調制產生。信號載波的頻率線性增加意味著波長的線性減小，變化中的波長在載波相位測量中可用于區分每一個波長，解決了載波相位測量中整周模糊的問題。[〇〇45]如圖3所示的頻域圖，使用2MHz帶寬的Chirp信號做載波，使用2MHz帶寬的GPS系統的C/A碼實現擴頻調制，總的帶寬為4MHz。
[0046]如圖4所示的信號自相關圖，使用Chirp信號做載波的衛星導航信號的自相關圖包絡為sine函數形狀，第一過零點時延值為0.005ms。[〇〇47]如圖5所示，基于Chirp作為載波的衛星導航信號和GPS系統的C/A碼信號自相關性的對比圖，說明了其更好的自相關特性。基于Chirp信號作載波的衛星導航信號的自相關峰形狀更窄，因而具有更高的測距精度。[〇〇48]綜上所述，本發明所提供的生成衛星導航信號的系統及方法中，通過利用Chirp信號作為衛星信號的載波，這樣可以提高信號的自相關性，進而改善測距精度和接收信噪比， 同時利用Chirp信號載波的頻率和波長變化規律，可以解決載波相位測量中整周模糊的問題。使用Chirp載波調制的衛星導航信號具有更均勻的頻譜，但會占用更多信號帶寬，增加的帶寬為Chirp信號的頻率變化范圍。
[0049]最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.一種利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統，其特征在于，該系統包括:Chirp信號 生成模塊、偽隨機碼生成模塊、導航數據生成模塊、兩個乘法器和時鐘模塊，所述的Chirp信號生成模塊，用于產生頻率線性連續變化的周期性Chirp信號，作為衛 星導航信號的載波信號；所述的偽隨機碼生成模塊，用于產生衛星導航的偽隨機序列擴頻碼信號；所述的導航數據生成模塊，用于生成衛星導航數據信號；所述的兩個乘法器，分別用于將衛星導航數據信號與偽隨機序列擴頻碼信號相乘后生 成數字擴頻信號，和用于將數字擴頻信號與Chirp信號相乘后調制為衛星導航信號；所述的時鐘模塊，用于生成驅動Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊和導航數據生 成模塊工作的時鐘信號，以保持各模塊同步工作。2.根據權利要求1所述的利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統，其特征在于，所述 的偽隨機碼生成模塊根據衛星導航信號用途，生成滿足碼周期和碼速率設計要求的偽隨機 序列擴頻碼信號。3.根據權利要求1所述的利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統，其特征在于，所述 的導航數據生成模塊生成包含衛星星歷和歷書的衛星導航電文數據信息。4.根據權利要求1所述的利用Chirp信號生成衛星導航信號的系統，其特征在于，所述 的Chirp信號的頻率變化周期與擴頻碼周期或數據bit周期相同。5.—種利用Chirp信號生成衛星導航信號的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:步驟1，所述的Chirp信號生成模塊、偽隨機碼生成模塊和導航數據生成模塊在時鐘模塊生成的各時鐘信號的驅動下同步工作；步驟2,將導航數據生成模塊生成的衛星導航數據信號與偽隨機碼生成模塊產生的偽 隨機序列擴頻碼信號相乘，生成數字擴頻信號；步驟3,將步驟2中生成的數字擴頻信號與Chirp信號生成模塊產生的Chirp載波信號相 乘，調制得到衛星導航信號。6.根據權利要求5所述的利用Chirp信號生成衛星導航信號的方法，其特征在于，所述 的時鐘模塊通過對星載原子鐘產生的時鐘做倍頻和分頻處理實現。7.根據權利要求5所述的利用Chirp信號生成衛星導航信號的方法，其特征在于，所述 的衛星導航數據信號中包含衛星播發的星歷數據、歷書數據和星基增強信息。8.根據權利要求5所述的利用Chirp信號生成衛星導航信號的方法，其特征在于，所述 的數字擴頻信號通過偽隨機序列采用直接序列擴頻產生。
【文檔編號】G01S19/44GK106019343SQ201610318061
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】范江濤, 馬冠, 馬冠一, 李婧華, 萬慶濤, 王曉嵐, 張 杰
【申請人】中科凱普（天津）衛星導航通信技術有限公司