CN106226793B - 一种在轨导航信号iq相位一致性标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在轨导航信号IQ相位一致性标定方法，属于卫星导航领域。首先，对导航射频信号进行高速采样，对截取的导航信号采样数据进行正交解调得到两路基带数据，通过循环相关处理确定导航信号I支路伪随机码起始点，以此起始点滞后半个码片，按照伪随机码片间隔对Q路基带信号进行抽取，再生导航信号Q支路的码元，然后用本地I支路伪随机码和再生的Q支路码元分别对导航信号数据进行循环相关，分别确定导航信号中I支路和Q支路的伪随机码起始点，并结合采样率计算导航信号通道的相位一致性。该方法在数字域中进行，避免了传统测试设备中接收设备自身零值误差所引入的标定误差，标定精度高。

Description

一种在轨导航信号IQ相位一致性标定方法

技术领域

本发明涉及一种在轨导航信号IQ相位一致性标定方法，属于卫星导航领域。

背景技术

我国的在轨导航卫星播发的导航信号为QPSK调制导航信号，这种QPSK导航信号分为I支路短伪随机码信号和Q支路长伪随机码信号，在许多应用中为了提高Q支路信号的捕获速度，往往首先接收I支路信号，根据I支路信号相位值以及IQ相位差标定结果综合后得到的值作为Q支路信号接收的初始值，精确地确定卫星信号IQ相位一致性结果对确保长码信号导航接收机的测距精度和提高捕获速度非常重要。因此，需要周期性地对在轨导航卫星下行发播的导航信号中I支路和Q支路的伪随机码相位一致性进行精密标定，确定两个支路伪随机码之间的相位差。

目前对导航信号IQ通道相位一致性的标定方法基于高速示波器观察方法，QPSK调制信号由两路BPSK信号合成，通过参数设置，导航信号发生器分别产生独立Q支路和I支路的BPSK调制信号，用解调的导航信号中的秒脉冲触发高速示波器，观察BPSK调制信号的换相点波形下限点，确定支路的相位延时，两个支路的相位延时差相减得到通道相位一致性。专利201110010731.0《军用导航信号发射通道分数码片绝对时延标定方法(崔小准、谢军、刘崇华等)》中进行详细描述，但是，这种通过观察BPSK换相点的方法要求卫星导航信号发生器具有独立输出I支路和Q支路BPSK调制信号的能力，标定其中一个支路信号的相位时必须关闭另外的一个支路。实际应用中，如果为了标定相位一致性而进行I和Q路的独立发播，则必须关掉另外一路信号，这样破坏了导航信号的连续性、可用性，影响整个***的服务质量和导航定位性能。

专利201010051857.8《一种导航信号发射通道绝对时延的测试方法(崔小准、谢军、刘崇华等)》中提出一种数字软件接收机的标定方法，这种方法中通过本地伪随机样本数据对导航信号采样数据进行相关处理，求取相关峰值来确定通道伪随机码的起始位置。高精度的标定算法要求高采样率，导航信号的I支路伪随机码是短码，在高采样率情况下，标定算法可以完成一个周期的伪随机码数据样本的数据处理，因此采用这种方法进行I支路信号相位标定，但是Q支路是长周期伪随机码，同样采样率情况下，一个周期的数据样本量巨大，提出的算法无法满足，此外，在轨情况下，随机的一段时间的数据采集，也无法确定采样数据对应时刻的长码伪随机码，不知晓数据段对应的伪随机码，就无法提取相关峰，因此这种方法来不能用于在轨导航信号IQ相位一致性的标定。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种在轨导航信号IQ相位一致性标定方法，实现了导航信号发生器的导航信号测距和Q支路相位一致性的精密标定。

本发明的技术解决方案是：一种在轨导航信号IQ相位一致性标定方法，该方法包括如下步骤：

(1)、用A/D采样器对导航射频信号进行采样，采样频率f_s高于导航卫星下行发播的导航信号标称中心频率f_d的两倍以上；

(2)、截取连续一个伪随机码周期T_c的导航信号采样数据，样本数为N＝T_c×f_s，对截取的导航信号采样数据进行正交解调，得到两路基带数据和以及实际的导航信号中心频率f′_d；

(3)、生成一个伪码周期的I支路伪随机码本地样本数据样本数为N，分别采用对两路基带数据和进行循环相关处理，确定正交解调的哪一路输出为导航信号I支路基带信号，哪一路输出为导航信号Q支路基带信号以及I支路伪随机码起始点N₀；

(4)、根据导航信号I支路基带信号中I支路伪随机码起始点N₀和导航信号Q支路基带信号再生本地Q支路伪随机码，按照采样率f_s对本地Q支路伪随机码进行采样，生成N点本地Q支路伪随机码样本数据

(5)、对步骤(2)中截取的N点导航信号采样数据进行希尔伯特变换，采用实际导航信号的中心频率f′_d对导航复数信号进行载波相位旋转，将导航信号采样数据转换为导航信号基带复数数据；

(6)、用本地I支路伪随机码本地样本数据对导航信号基带复数数据进行循环相关处理，搜索相关峰值，确定I支路随机码起始点N_R；

(7)、用本地导航Q支路伪随机码样本数据对导航信号基带复数数据进行循环相关处理，搜索相关峰值，确定Q支路随机码起始点N_D；

(8)、根据采样率、I支路和Q支路伪随机码起始点计算导航序号相位一致性:T_P＝(N_R-N_D)/f_s，如果T_P为正数，表示Q支路伪随机码相位滞后I支路伪随机码相位的时间为|T_P|，否则，表示Q支路伪随机码相位超前I支路伪随机码相位的时间超前|T_P|。

步骤(2)中确定正交解调的哪一路输出为I支路基带信号，哪一路输出为Q支路基带信号以及I支路伪随机码起始点N₀的具体方法为：用I支路伪随机码样本数据分别与两路基带数据和进行循环相关处理，搜索最大相关峰值，具有最大相关峰值的输出支路为I支路基带信号，另外一路则为Q支路基带信号，所述最大相关峰值对应的序号为I支路伪随机码起始点N₀。

步骤(4)根据I支路伪随机码起始点N₀和Q支路基带信号，再生本地Q支路伪随机码的具体方法为：当Q支路伪随机码码速率为f_c时，从I支路的伪随机码起始点延时半个码片样本点数开始，即从N₀+N_c/2取整的序号开始，按照伪随机码片间隔，对数字正交解调输出的Q支路基带信号进行抽取，对抽取后的信号进行过零检测，正信号则取+1，负信号则取-1，从而得到与I支路伪随机码周期相同的本地Q支路伪随机码。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明对导航信号高速直接A/D采样，在数字域进行相位一致性标定，数字处理中的样本点之间相位时延关系可以精密确定，避免了传统测试设备中接收设备自身零值误差所引入的标定误差；

(2)本发明采用正交解调实现IQ扩频码基带信号的生成和分离，用再生的Q支路扩频码元作为Q支路相位标定所使用的本地基带数据样本，解决Q支路扩频码未知情况下本地码元的生成问题，这样就可以实现Q支路信号伪随机码相位的数字标定算法；

(3)本发明采用数字域相处理，通过相关峰值来确定码片的起始点，标定精度取决于采样频率，采样频率10GHz时，精度可以达到0.2ns，相对传统方法，标定精度提高一个数量级以上；

(4)本发明在相位一致性标定过程中不需要分别关闭I支路信号和Q支路信号，不破坏导航卫星使用的连续性和可用性。

附图说明

图1为本发明方法实现原理图；

图2为本发明导航信号采样数据的功率谱；

图3a为本发明数字科斯塔斯环I低通滤波器输出的基带波形；

图3b为本发明数字科斯塔斯环Q低通滤波器输出的基带波形；

图4为本发明中数字科斯塔斯环I支路基带数据与导航信号的I支路伪随机码本地样本数据的循环相关曲线；

图5为本实Q支路伪随机码再生过程的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明方法的流程框图。主要步骤如下：

1、用高速A/D采样器对低噪声放大器输出导航信号进行采样，采样频率f_s高于导航信号标称中心频率f_d两倍以上；假设导航信号中心频率为f_d＝1207.14MHz，用10GHz采样率采样，采样后的数据功率频谱如图2所示。

2、假设导航信号I支路伪随机码周期为T_c，任意时刻连续截取一个伪随机码周期长度的导航信号采样数据，数据个数为N＝T_c×f_s。导航采样数据为：

本实施例中，T_c＝1ms，则随机的某个时刻开始连续截取N＝10e9×1e-3＝1e7个样本数据。

各个读取的导航信号采样数据样本用以下形式表示：

s(k)＝d_I(k)cos(ω_ckT_s+φ_c(k))+d_Q(k)sin(ω_ckT_s+φ_c(k))(1)

式中s(k)为导航信号的采样数据，k为样本点序号，k∈[1,N]，为采样的最小时间间隔，φ_c(k)为信号的载波初始相位；d_I(k)导航信号中调制的I支路信号幅度值；d_Q(k)为导航信号中调制的Q支路信号幅度值；ω_c为数字域导航信号的载波中心频率，采样率为10GHz，标称导航信号中心频率为1207.14MHz，则ω_c＝2π×1207.14(弧度/秒)；

3、采用数字科斯塔斯环对截取的导航的样本数据进行IQ支路的基带数据分离，得到两路基带数据和以及实际的导航信号中心频率f′_d：

首先生成两个正交的本地载波数据，本地载波信号1为：

s_c(k)＝cos(ω₀kT_s+φ₀(k)) (2)

式中ω₀为本地载波中心频率；φ₀(k)为本地载波的初始相位。

本地载波信号2为：

s_s(k)＝sin(ω₀kT_s+φ₀(k)) (3)

然后分别对截取的导航的样本数据乘法运算，乘法器1输出为：

乘法器2输出为：

对乘法器后的输出信号进行低通滤波器，假设环路在跟踪状态ω_c≈ω₀，低通滤波器将高频成份(ω_c+ω₀)抑制，则低通滤波器1的输出：

这里相差

低通滤波器2输出为：

低通滤波器输出的波形如图3所示。

采用交叉环结构的Costa环，其鉴相器输出为：

Z₀＝Z_csgn(Z_s)-Z_ssgn(Z_c) (8)

假如环路在跟踪状态，相位误差足够小，鉴相器输出为：

采用环路滤波器对鉴相器输出信号进行低通滤波器，这里使用一阶无源超前滞后滤波器,其传输方程的数学表达形式为：

式中时间常数τ₁和τ₂按以下公式计算：

式中，K_V为科斯塔斯环的环路增益，ω_n为环路的自由振荡频率，ζ为环路的阻尼系数。

环路滤波器输出信号对数字压控振荡器(VCO)进行控制，实现跟踪载波信号的产生，信号频率为：

ω₂＝ω₀+K₀u_f (13)

式中K₀为VCO控制增益，u_f为环路滤波器的输出信号。

Costas完成信号跟踪后，对VOC输出信号频率求平均可以得到导航信号的实际中心频率f_d′。

4、对Costas环中两路低通滤波器输出信号数据分别与I支路伪随机码本地样本数据进行循环相关处理。

根据采样率，生成一个伪随机码周期长度的导航信号的I支路伪随机码本地样本数据：

Costas环输出的第一路基带数据为：

Costas环输出的第一路基带数据为：

Costas环输出的第一路基带数据与导航信号的I支路伪随机码本地样本数据的循环相关处理，计算循环相关值幅度：

式中FFT()表示对括号中数据进行傅立叶变换，FFT*()表示对数据进行傅立叶变换后并进行共轭处理，IFFT()表示对括号中数据进行逆傅立叶变换。

搜索循环相关值幅度数据中的最大值P_I及对应的序号N_I，其中最大峰值对应的相关曲线如图4所示。

Costas环输出的第二路基带数据与I支路伪随机码本地样本数据的循环相关处理，计算循环相关值幅度：

搜索循环相关值幅度数据中的最大值P_Q及对应的序号N_Q。

5、比较循环相关幅度峰值P_I和P_Q的大小，具有最大相关峰值的数字科斯塔斯环输出支路确定为导航信号的I支路信号，则另外一路则对应导航信号的Q支路信号，最大相关峰值对应的序号为导航信号I支路的伪随机码点N₀；

6、根据伪随机码码速率f_c和采样率f_s，计算一个码片所含的样本数N_c＝f_s/f_c，则导航信号I支路时延起始点延时半个码样本点数，即就是从N₀+N_c/2取整的序号开始，按照伪随机码片间隔，对数字科斯塔斯环的输出中对应的导航信号Q支路基带数据进行抽取，在IQ存在相位不一致情况下，抽取时刻也基本位于基带码片的中间，这样保证了抽取信号电平的正确性，对抽取后的信号进行过零检测，正信号则取+1，负信号则取-1，从而得到Q伪随机码码片，实现Q支路的码元再生，得到一个与I支路伪随机码周期等长度的Q支路再生伪随机码。Q支路码元再生过程的示意图如图5所示。

按照采样率f_s对再生后的码元进行采样，生成N点本地导航Q支路伪随机码样本数据：

6、对截取的导航信号采样数据进行希尔伯特变换，N点导航信号采样数据希尔伯特变换后转换为复数：

式中Hibert()表示对括号中数据进行希尔伯特变换，导航采样数据的复数形式为：

根据Costas环计算得到的下行发播导航信号的实际中心频率，对导航复数信号进行载波相位旋转，变换为基带复数数据：

式中

7、用本地导航测距伪随机码样本数据对导航信号基带复数据进行循环相关处理，搜索相关峰值，确定导航信号I支路随机码起始点样本序号N_R；

8、用科斯塔斯环再生的码元生成传输支路伪随机码样本数据对导航信号基带复数据进行循环相关处理，搜索相关峰值，确定导航信号Q支路随机码起始点样本序号N_R；

9、根据采样率和导航信号I支路及Q支路伪随机码起始样本点序号计算导航序号相位一致性：

T_P＝(N_R-N_D)/f_s (26)

如果T_P为正数，表示Q支路伪随机码相位滞后I支路伪随机码相位的时间为|T_P|，否则就是Q支路伪随机码相位超前I支路伪随机码相位的时间超前|T_P|。

采用本发明通过相关峰值来确定码片的起始点，标定精度取决于采样频率，本实施例采样频率10GHz时，精度可以达到0.2ns，相对传统方法，标定精度提高一个数量级以上。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种在轨导航信号IQ相位一致性标定方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、用A/D采样器对导航射频信号进行采样，采样频率f_s高于导航卫星下行发播的导航信号标称中心频率f_d的两倍以上；

(2)、截取连续一个伪随机码周期T_c的导航信号采样数据，样本数为N＝T_c×f_s，对截取的导航信号采样数据进行正交解调，得到两路基带数据和以及实际的导航信号中心频率f′_d；

(3)、生成一个伪码周期的I支路伪随机码本地样本数据样本数为N，分别采用对两路基带数据和进行循环相关处理，确定正交解调的哪一路输出为导航信号I支路基带信号，哪一路输出为导航信号Q支路基带信号以及I支路伪随机码起始点N₀；

(4)、根据导航信号I支路基带信号中I支路伪随机码起始点N₀和导航信号Q支路基带信号再生本地Q支路伪随机码，按照采样率f_s对本地Q支路伪随机码进行采样，生成N点本地Q支路伪随机码样本数据

(5)、对步骤(2)中截取的N点导航信号采样数据进行希尔伯特变换，采用实际导航信号的中心频率f′_d对导航复数信号进行载波相位旋转，将导航信号采样数据转换为导航信号基带复数数据；

(6)、用本地I支路伪随机码本地样本数据对导航信号基带复数数据进行循环相关处理，搜索相关峰值，确定导航信号I支路伪随机码起始点N_R；

(7)、用本地导航Q支路伪随机码样本数据对导航信号基带复数数据进行循环相关处理，搜索相关峰值，确定导航信号Q支路伪随机码起始点N_D；

(8)、根据采样率、导航信号I支路和Q支路伪随机码起始点计算导航信号相位一致性:T_P＝(N_R-N_D)/f_s，如果T_P为正数，表示Q支路伪随机码相位滞后I支路伪随机码相位的时间为|T_P|，否则，表示Q支路伪随机码相位超前I支路伪随机码相位的时间超前|T_P|。

2.根据权利要求1所述的一种在轨导航信号IQ相位一致性标定方法，其特征在于步骤(3)中确定正交解调的哪一路输出为I支路基带信号，哪一路输出为Q支路基带信号以及I支路伪随机码起始点N₀的具体方法为：用I支路伪随机码样本数据分别与两路基带数据和进行循环相关处理，搜索最大相关峰值，具有最大相关峰值的输出支路为I支路基带信号，另外一路则为Q支路基带信号，所述最大相关峰值对应的序号为I支路伪随机码起始点N₀。

3.根据权利要求1所述的一种在轨导航信号IQ相位一致性标定方法，其特征在于步骤(4)根据I支路伪随机码起始点N₀和Q支路基带信号，再生本地Q支路伪随机码的具体方法为：当Q支路伪随机码码速率为f_c时，从I支路的伪随机码起始点延时半个码片样本点数开始，即从N₀+N/2取整的序号开始，按照伪随机码片间隔，对数字正交解调输出的Q支路基带信号进行抽取，对抽取后的信号进行过零检测，正信号则取+1，负信号则取-1，从而得到与I支路伪随机码周期相同的本地Q支路伪随机码。