专利名称：一种基于周期累加平均的软件校准卫星导航信号采集设备采样率的方法
技术领域：
本发明属于卫星导航领域，具体地说，是指一种通过在软件接收机中进行多周期
累加平均处理和相关峰搜索来校准卫星导航信号采集设备采样率的方法。
背景技术：
软件接收机是实现卫星导航接收机性能改进、多功能多用途灵活集成、多星座多 频段兼容，以及展开各种卫星导航综合应用、边缘应用和专项应用研究的一种最有效的技 术途径。作为软件接收机的硬件平台，典型的卫星导航射频信号采集前端包括天线、放大 器、本地振荡器、混频器、滤波器、模数转换器(ADC)、数据传输和存储设备，其所采集得到的 数字卫星导航信号可以送入软件接收机中进行信号捕获、跟踪和导航定位解算处理。很多 采集前端硬件中频率源的实际输出频率会偏离制造商所标称的频率，其精度和稳定度将会 影响到所采集信号的中心频率和采样率。其中采样率误差将会直接影响到软件接收机的正 常工作对于信号捕获过程而言，不准确的采样率不仅使得载波多普勒的搜索窗格数增多， 而且使得每次相关运算所用的采样点数不准、以采样点序号表示的扩频码相位不准，导致 捕获时间加长，甚至捕不到信号；对于信号跟踪过程而言则会造成跟踪误差增大以至不能 进入跟踪状态或容易失锁；对于电文解调而言则易产生误码，从而带来星历参数的误差，使 得接收机位置解算产生误差或根本无法解算。 这种情况下，将接收机硬件的采样率校准到一定精度就成为了接收机正常工作的 前提。传统采用的方法是利用标准的频率计数器或时间间隔测量仪对需校准的频率进行测 量和数据处理，但这些仪器往往造价昂贵，且使用时需要由将接收机中待测的频率通过电 缆引出，给广大用户造成了不便。美国空军研究实验室的L. L. Liou， D. M. Lin， J. B. Tsui等 人在2005年发表的一篇论文"Frequency Calibration of A/D Converter in Software GPS Receivers"中提出了一种通过对软件接收机中得到的码相位和载波相位进行处理而 校准ADC采样率的方法，这种方法不需额外的硬件设备，但需要事先知道每个待校准设备 的射频前端电路所采用的特定变频方案，并进行特定的计算、数据分析和拟合处理，且仅达 到了 1Hz的校准精度。
发明内容
本发明为了解决传统方法使用不便的问题，及目前见诸报道的软件方法需要关于 设备变频方案先验参数、数据处理复杂且校准精度和信号可观测性不够高的问题，提出了
一种基于周期累加平均的软件校准卫星导航信号采集设备采样率的方法；本方法利用软
件接收机对输入信号进行独特的软件处理，得到剥离载波和电文而只含有扩频码和噪声的 信号，并设计了一种多周期累加平均和相关峰检测的方法以及一种分级搜索逻辑以找到准
确的真实采样率，其校准精度为累加平均时长的倒数(例如利用8s的累加时长即可得到 0. 125Hz的精度)；同时多周期的累加平均使得预相关解扩前的基带信号信噪比大为提高，信号的可观测性显著增强。
本发明提供的方法包括以下步骤 步骤一利用待校准设备采集卫星导航射频信号，将所采集的数字信号送入卫星 导航软件接收机进行捕获、跟踪和比特同步处理； 步骤二在比特同步以后，对步骤一所采集的数字信号进行载波剥离和导航电文 比特去除，得到只含有扩频码和噪声的信号； 步骤三通过对步骤二得到的信号进行多周期累加平均、相关运算和相关峰检测， 对设定的采样率在其误差范围内进行分级搜索，以找到准确的采样率。 其中在步骤一所述的信号捕获、跟踪和比特同步处理方法同具体所采集的卫星导 航信号结构有关，需采用具有周期性重复特点的扩频码。 在步骤二所述的载波剥离可以在信号跟踪环路的载波混频器中自动完成，而电文 去除是将载波剥离后仍含有扩频码的信号与比特同步后解调下来的电文比特流直接相乘。
在步骤三所述的多周期累加平均利用扩频码周期重复的特性，通过对R个码周期 的采样点进行累加平均处理，到达提高信噪比从而提高信号可观测性的目的。接着将累加 平均后的信号与本地参考码进行相关运算。由于采样率误差会对累加效果和相关运算结果 的相关峰造成很大影响，故而可以利用这种对采样率误差的敏感性来寻找准确的实际采样 率值。其中R的取值受到卫星载波^上多普勒频率变化的影响而有所不同，载波多普勒频
率变化量Afd所依据的公式为一
/I
人
，式中n为一个扩频码周期上的
采样点数(以最小值计)。
本发明提供的方法具有以下优点 a.本发明提供的方法相对于采用频率计数器的方法而言不需额外的硬件设备和 采样率输出端口 ，因而成本低廉、使用灵活方便。 b.本发明提供的方法相对于美国空军研究实验室所提出的软件校准方法而言不
需预知射频前端电路的特定变频方案并进行相应不同的数据处理，而且校准精度得到提
高，经理论分析和试验验证只需8s时长的数据即可达到0. 125Hz的精度。 c.本发明提供的方法所采用的周期累加平均法同时增强了信号的可观测性，使得
使用 普通天线进行预相关卫星导航信号质量监测成为可能。
图1是本发明的基于卫星导航软件接收机和周期累加平均法校准信号采集设备 采样率的软件组成示意图和方法步骤流程图； 图2是本发明所采用的周期累加平均法中采样率误差的影响示意图； 图3是应用本发明提供的方法所得到的GPS信号采集设备采样率搜索结果图； 图4是应用本发明提供的方法所得到的GPS信号累加平均处理后的基带预相关信
号时域波形图。
具体实施例方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。 本发明提供一种基于周期累加平均的软件校准卫星导航信号采集设备采样率的
方法，所述方法软件组成和处理流程如图1所示，具体通过以下步骤实现 步骤一利用待校准设备采集卫星导航射频信号，将所采集的数字信号送入卫星
导航软件接收机进行捕获、跟踪和比特同步处理。 首先，由卫星导航信号采集设备所采集的数字信号可以来自真实卫星信号，也可 以来自硬件卫星导航信号模拟器所产生的信号，选取调制有载波和一定周期扩频码的信号 分量送入软件接收机进行信号捕获和跟踪；对于调制有电文的信号分量，需进行进一步的 比特同步处理。 采集设备输入端的射频信号可以表示为s的=』^. D(f)e(,)eos[2,(/i + /)
0》 式中C(t)表示扩频码；^表示载波频率；D(t)表示导航电文数据；A表示信号 的幅度；fd表示由多普勒效应产生的频率偏移；n(t)表示热噪声，其双边带功率谱密度是 N0/2。 式(1)中的信号经过采集设备接收前端滤波器之后可以表示如下形式 ~的=0考.〖J^.D,的^(0編2,(A +/^] (2》 式中表示滤波器的等效增益；DF(t)和CF(t)分别代表经过滤波的导航电文数
据和扩频码；nF(t)表示带限白噪声，这时噪声的功率是 N。， 是滤波器的带宽。 滤波后的信号经过模数转换(ADC)后，得到的采样(可以是直接射频采样，也可以
是下变频频到模拟中频之后的采样)后的数字中频信号可表示为~〖i'〗=G， -p^-i^O^rjeosp^S +/rf》iX
(3) 式中Ts表示采样间隔，fIF表示数字中频信号的中心频率，DF(iTs)和cF(iTs)分别
表示导航电文数据和扩频码的采样点。 获得数字中频信号后，可以将这些信号送入卫星导航软件接收机进行信号捕获和 跟踪，如果信号上调制有电文，则进行比特同步处理，这些功能均包含在一般的卫星导航软 件接收机信号处理过程中。 步骤二，在比特同步以后，对步骤一所采集的数字信号进行载波剥离和导航电文 比特去除，得到只含有扩频码和噪声的信号。 在步骤一中信号达到跟踪状态后，输入的数字中频信号与载波跟踪环的本地载波
NCO产生的参考载波进行相乘(即载波混频)后将载波剥离；如图l所示，对于调制有电文
的信号，在达到比特同步以后，将解调下来的导航电文比特流与载波剥离之后的信号相乘
以去除电文，这样得到的输出信号可以表示成如下形式<formula>formula see original document page 5</formula> (4) 式中n。(iTs)表示带限噪声的同相分量的采样点。 步骤三，通过对步骤二得到的信号进行多周期累加平均、相关运算和相关峰检测， 对设定的采样率在其误差范围内进行分级搜索，以找到准确的采样率。 周期累加平均算法的原理是利用扩频码周期性重复的特点，通过对多个码周期中对应位置的采样点进行累加平均处理，从而提高信号的信噪比，提高在获得解扩增益前的 基带预相关信号的可观测性。因此要求所处理的信号上调制的扩频码具有一定的周期。
当采样率是扩频码速率的整数倍时(如果实际的采样率不是扩频码速率的整数 倍，可以通过在软件接收机中采用重采样的方法来调整数字中频信号的采样率，而不影响 这里的分析)，假设一个扩频码周期上有n个采样点，将式(4)表示的信号累加平均处理R 个周期采样点以后，得到的信号如下<formula>formula see original document page 6</formula>
式中上标J表示第J个周期的采样点。 重写式(5)成如下形式<formula>formula see original document page 6</formula> 式中CA[i]表示经过R周期累加平均后的扩频码采样点，由于采样率是扩频码速 率的整数倍，所以每个周期中第i个采样点的值都是相同的，因此经过周期累加平均处理 之后，信号的功率没有改变；NA[i]表示经过R周期的累加后的噪声采样点，对于噪声来说， 每个周期中第i个采样点是相互独立的。不失一般性，以下对Nji]的第一个点进行分析 式中nJ(Ts)是一个高斯随机变量，其均值为O，方差为N = Beq N。。因为nJ(Ts) 是不同扩频码周期的第一个噪声采样点，所以可以认定n/(T》是相互独立的高斯变量，那 么由式(7)可以看出NJ1]也是一个高斯变量，它的均值为O，方差 由式(8)可知，经过周期累加平均之后，噪声的功率下降为原来的1/R倍，而信号 的功率没有变化，所以相应的信噪比提高了 R倍。 在实际的周期累加平均处理过程中其效果会受到很多因素的影响，诸如卫星多普 勒频率的变化，信号采集设备的采样率不准以及重采样的频率无法真正达到扩频码速率的 整数倍。以上这些因素都会造成相应的频率偏差，下面分析一下卫星多普勒频率变化的约 束条件。 在周期累加平均过程中，最大的时间偏移应小于一个采样间隔，可以表示成如下 形式
<formula>formula see original document page 6</formula> 这里AT。表示由于多普勒频率变化引起的码片时间长度的变化量；1是扩频码一
个周期的码片数，即码长。相应的码速率偏差可以表示成如下形式
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中Af。表示码多普勒的变化量。 将式(9)代入式(10)计算可得到如下形式
/ ^ A(」 夕f
、/ -n + l, . 式中Afd表示载波多普勒的变化量，Afd = f JCX Af。。式(11)表明周期累加平 均算法所能处理的信号时长受多普勒频率变化的限制。 实际情况下硬件采集前端频率源的实际输出频率往往会偏离制造商所标称的频 率，造成采样率不准，这样在进行周期累加平均时，就无法保证所处理的每个周期的第一个 采样点就是真实的第一个采样点。比如，对于标称的采样率，l个周期的采样点数是5000 个，而对于真正的采样率，1个周期的采样点是4999个，那么当以标称的采样率进行累加 时，就会把第二个周期的第二个采样点累加到第一个周期的第一个采样点上，这样就会导 致整个周期上的很多点累加到错误的位置，具体过程如图2所示，而且随着时间的加长，相 应加错的点数将会逐渐增加。经分析可知由采样率不准产生的影响将比重采样率无法到达 码频率整数倍的影响大得多。 为了找到准确的采样率，可以对卫星导航软件接收机输出的剥离载波和电文后的 数据以不同的采样率进行周期累加平均，然后同本地码做相关，那么相关值最大的采样率 可作为对采集设备的真实采样率的估计。这一估计采用了时长为R1T。的输入信号，理论上
所能达到的频率分辨率(即频率校准精度)为^7。具体的采样率搜索处理可以分为如下
的三级步骤以提高效率。 步骤a:以待校准设备制造商所标称的采样率为中心频率，搜索范围不小于 ± A fp步进为2 A f2，对剥离载波和电文后的数字信号进行R周期累加平均处理，然后同本 地码做相关； 步骤b :以步骤a中相关值最大的采样率为中心频率，搜索范围不小于± A&，步 进为2 A f3，对剥离载波和电文后的数字信号进行R周期累加平均处理，然后同本地码做相 关； 步骤c :以步骤b中相关值最大的采样率为中心频率，搜索范围不小于± A&，步 进为i，对剥离载波和电文后的数字信号进行R周期累加平均处理，然后同本地码做相
关，最终找到的相关值最大的采样率作为校准后的采样率，校准精度为^T 。 其中± Af是所预估的实际采样率与标称采样率的偏差范围，R可由式(11)算得， 1为扩频码的码长，T。为一个码片的时长；A&和Af3的取值可以在一定范围内适当调整， 一般使每级搜索次数大致相当即可。 以下以具体数值进一步说明本发明。针对一组在《A Software-Defined GPS and GalileoReceiver :A Single-Frequency Approach》 一 书(作者为Kai Borre， Dennis M. Akos，NicolajBertelsen，Peter Rinder，Soren Holdt Jensen)的附录光盘中公开的GPS LI C/A码信号，是由Colorado大学采集的一组真实卫星信号，中频是fw二 9. 55MHz，标称采 样率是38. 192MHz。由信号结构确定的参数有^= 1575. 42MHz，l = 1023，Tc= 1/1. 023MHz。对这组数字信号进行捕获、跟踪、比特同步、载波剥离和电文去除。假设实际采样率与标称 采样率的偏差不超过士100Hz，且根据约略估计的卫星多普勒变化和式(11)计算出R1T。= 8s，则对采样率的搜索可分如下三级步骤来进行 步骤a :以38. 192MHz为中心频率，搜索范围为士100Hz，步进为10Hz，对剥离载波
和电文后的数字信号进行8000周期的累加平均处理，然后同本地码做相关； 步骤b :以步骤a中相关值最大的采样率为中心频率，搜索范围为士10Hz，步进为
1Hz，对剥离载波和电文后的数字信号进行8000周期的累加平均处理，然后同本地码做相
关； 步骤c :以步骤b中相关值最大的采样率为中心频率，搜索范围为士lHz，步进为 0. 25Hz，对剥离载波和电文后的数字信号进行8000周期的累加平均处理，然后同本地码做 相关，最终找到的相关值最大的采样率作为校准的采样率。 上述三个步骤的搜索结果如图3所示。最终得到的采样率校准值是Fs = 38191951. 75Hz。由于进行了 8000个周期的累加平均，累加的时间是8s，则相应的频率分辨 率是O. 125Hz，所以在采样率搜索过程中，最小频率步进取到0. 25Hz即可。
在按照上述方法校准了采样率之后，由GPS软件接收机的处理可以得到准确的码 频率f。(含多普勒)，设定重采样率FKS = 60 f。，根据前面校准之后的采样率Fs计算lms (— 个码周期)的采样点数M，根据重采样率F^计算lms的重采样点数N，对剥离载波和电文后
的数字信号进行重采样。注意实际的重采样率# = ^*^ ，因此实际重采样率无法真正达到
码频率f。的整数倍，这将对码片边沿产生一定的影响，但较之采样率不准确所产生的影响 要小得多。图4给出了不同周期下累加平均处理后前30个码片的采样点时域波形，所处理 卫星的PRN号是21，信号采集时卫星的仰角是73。，方位角是89。，信号的载噪比C/N。大 约为50dB-Hz。从图4中可以看出，当没有进行周期累加平均处理时，信号仍在噪声之下，所 以无法观测到码片的波形；经过100周期的周期累加平均处理之后，所带来的增益大约是 20dB，因此从图中可以观测到码片的大致波形，但是不够清晰；随着累加平均处理的周期增 多，相应的码片波形会越来越清晰；从最后一个图可以看出，经过8000个周期累加之后，码 片的波形变得很清晰，还可以看出由于接收机采集卡滤波器的影响，码片边沿有明显的振 铃效应。这样在校准了采样率之后卫星导航信号的可观测性大大增强，使得采用普通天线 进行预相关卫星导航信号质量监测成为可能。
权利要求
一种基于周期累加平均的软件校准卫星导航信号采集设备采样率的方法，其特征在于包括如下步骤步骤一利用待校准设备采集卫星导航射频信号，将所采集的数字信号送入卫星导航软件接收机进行捕获、跟踪和比特同步处理；步骤二在比特同步以后，对步骤一所采集的数字信号进行载波剥离和导航电文比特去除，得到只含有扩频码和噪声的信号；步骤三通过对步骤二得到的信号进行多周期累加平均、相关运算和相关峰检测，对设定的采样率在其误差范围内进行分级搜索，以找到准确的采样率。
2. 根据权利要求1所述的一种基于周期累加平均的软件校准卫星导航信号采集设备 采样率的方法，其特征在于所述步骤二具体为在软件接收机跟踪过程中载波跟踪环的载 波混频器对输入的数字信号与本地载波NCO产生的参考载波相乘(即载波剥离)，将产生的基带信号不进行码相关解扩而直接与步骤一中比特同步后解调下来的原始电文比特流相 乘(即电文去除)，得到只含有扩频码和噪声的信号。
3. 根据权利要求1所述的一种基于周期累加平均的软件校准卫星导航信号采集设备 采样率的方法，其特征在于所述步骤三具体为步骤a :以待校准设备制造商所标称的采样率为中心频率，搜索范围不小于± A fp步 进为2 A&，对步骤二得到的信号进行R周期累加平均处理，然后同本地码做相关；步骤b :以步骤a中相关值最大的采样率为中心频率，搜索范围不小于± A f2，步进为 2Af3，对步骤二得到的信号进行R周期累加平均处理，然后同本地码做相关；步骤C :以步骤b中相关值最大的采样率为中心频率，搜索范围不小于± A f3，步进为^r，进行R周期累加平均处理，然后同本地码做相关，最终找到的相关值最大的采样率作为校准的采样率，校准精度为^T 。其中± Af是所预估的实际采样率与标称采样率的偏差范围，l为扩频码的码长，Tc为 一个码片的时长；A f2和A f3的取值可以在一定范围内适当调整， 一般使每级搜索次数大 致相当即可。
全文摘要
本发明公开了一种基于周期累加平均的软件校准卫星导航信号采集设备采样率的方法，包括步骤1，利用待校准设备采集卫星导航射频信号，将所采集的数字信号送入卫星导航软件接收机进行捕获、跟踪和比特同步处理；步骤2，在比特同步以后，对步骤1所采集的数字信号进行载波剥离和导航电文比特去除，得到只含有扩频码和噪声的信号；步骤3，通过对步骤2得到的信号进行多周期累加平均、相关运算和相关峰检测，对设定的采样率在其误差范围内进行分级搜索，以找到准确的采样率。本发明提供的方法比采用频率计数器的方法成本低廉、使用灵活方便；相对于美国空军所提出的软件校准方法使用范围广，校准精度提高。
文档编号G01S1/00GK101699311SQ20091023629
公开日2010年4月28日 申请日期2009年11月2日 优先权日2009年11月2日
发明者周兴云, 寇艳红, 张海涛 申请人:北京航空航天大学