一种导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量方法及设备与流程

本发明涉及导航信号测量领域，尤其是一种导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量方法及设备。

背景技术：

目前，导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量方法主要有两种：

第一种是通过导航监测接收机进行测量，这需要监测接收机具备在多个固定相关器间隔下的测量能力。采用监测接收机测量可以消除调制数据、授权码等因素的影响，但因受硬件实现条件限制，相关器间隔比较大，且不能随意设置，这导致监测接收机对信号细微特征反应不够灵敏。针对目前广泛研究和使用的boc调制信号，监测接收机采用非匹配的特定处理方式，此时导航信号质量的评估需对匹配接收情况下的s曲线过零点偏移进行测量分析。

第二种是通过高速示波器对射频信号进行采集，采取离线分析方法获得分析结果。目前北斗、gps、galileo导航系统在一个频点上均播发有多路导航信号，在将多路导航信号合成过程中存在交调信号，且合成信号的伪码中存在无周期授权码及无周期数据调制，采用该合成信号进行分析时，分析结果易受交调分量、授权码及数据调制的影响，导致可能出现波动较大，甚至结果相反的情况。示波器采集信号的过程中，虽然示波器的采样率较高，但是示波器的存储深度较小，数据采集难以进行跟踪解调，接收信号分量存在无周期授权部分，无法分析授权码信号分量对应的s曲线过零点偏移。同时，在采集数据的离线分析方法中，需要依据相关函数先产生鉴相曲线，再搜索鉴相曲线的过零点偏移，算法比较复杂，计算时间长。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种计算复杂度低、测量精度高的导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量方法及设备。

本发明能够以多种方式实现，包括方法、系统、设备、装置或计算机可读介质，在下面论述本发明的几个实施例。

一种导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量方法，包括步骤：

采集导航信号数据；

计算采集信号鉴相曲线过零点偏移；

计算参考信号鉴相曲线过零点偏移；

计算相同相关器间隔下的采集信号鉴相曲线过零点偏移与参考信号鉴相曲线过零点偏移的差值，得到导航信号鉴相曲线的过零点偏移。

进一步地，计算采集信号鉴相曲线过零点偏移的步骤包括：

(2-1)对采集的信号进行滤波处理；

(2-2)若信号采集为同源采集，直接进入伪码搜索处理，否则通过频率搜索完成对信号的频率估计，并进入伪码搜索处理；

(2-3)对信号进行伪码搜索处理，确定信号伪码起始相位位置；

(2-4)计算信号相关函数，搜索相关函数主峰，计算相关器间隔下的信号鉴相曲线过零点偏移。

进一步地，步骤(2-2)频率搜索步骤为选择任一短码，调整码数字控制振荡器和载波数字控制振荡器的频率控制字进行频点遍历，以产生新的伪码和载波，利用新产生的载波对所述信号进行下变频处理，再与新产生的伪码进行相关处理，以相关函数输出最大为判据确定频率所在区间。

进一步地，步骤(2-3)伪码搜索步骤为对下变频处理后的信号进行滤波处理，重新计算码数字控制振荡器的频率控制字，利用更新后的伪码速率重新产生伪码，并利用新生成的伪码重新计算相关函数最大值，相关函数最大值对应的采样点即为伪码相位起始位置。

进一步地，标记伪码相位起始位置为取数位置，后续处理中，从采集信号的取数位置开始取数。

进一步地，步骤(2-4)计算信号相关函数步骤中，信号采样率达到预设精度时，从所述取数位置开始重新取数，直接利用相位搜索步骤生成的伪码和载波获得信号的相关函数；信号采样率未达到预设精度时，调整码相位控制字重新产生伪码以获得信号的相关函数。

进一步地，步骤(2-4)计算相关器间隔下的信号鉴相曲线过零点偏移的步骤包括移动相关函数，使得相关函数最大值位于纵轴上，环路锁定时，信号鉴相曲线过零点偏移为超前相关器与滞后相关器工作点间隔的一半。

进一步地，计算相关器间隔下的信号鉴相曲线过零点偏移前，对相关函数的主峰进行插值处理。

进一步地，计算参考信号鉴相曲线过零点偏移的步骤包括提取信号采集时刻对应的导航电文，将所述导航电文合成理想基带信号，产生伪码，采用步骤(2-4)方法获得不同相关器间隔下参考信号鉴相曲线过零点偏移，其中，信号采集为同源采集时，按照约定码速率产生伪码，信号采集为非同源采集时，按照步骤(2-2)中估计的频率偏移补偿码速率，并根据补偿后的码速率产生伪码。

一种导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量设备，包括处理器，所述处理器用于执行权利要求1-8任一所述步骤。

本发明实施例可实现的积极有益技术效果包括：通过扣除参考信号鉴相曲线过零点偏移，减小了分量间伪码、数据等对偏移量计算影响，获得的不同时间段采集信号的鉴相曲线过零点偏移一致性好，测量精度高，适用于导航载荷失真引起的鉴相曲线过零点计算和分析，为导航载荷的优化设计、交付、测试、快速评估提供了有效手段；不受传统监测接收机相关器间隔设置的限制，不需要解调和提取电文即可获得授权码相位关系，可完成长码信号分量对应的鉴相曲线过零点偏移快速高精度测量；不需要计算导航信号的鉴相曲线，计算复杂度低。

本发明的其他方面和优点根据下面结合附图的详细的描述而变得明显，所述附图通过示例说明本发明的原理。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实施例提供的导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量方法流程图；

图2为本发明实施例提供的相关函数主峰示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

图1为本发明实施例提供的导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量方法流程图，如图1所示，包括步骤：

(1)采集导航信号数据；

(2)计算采集信号鉴相曲线过零点偏移；

(3)计算参考信号鉴相曲线过零点偏移；

(4)计算相同相关器间隔下的采集信号鉴相曲线过零点偏移与参考信号鉴相曲线过零点偏移的差值，得到导航信号鉴相曲线的过零点偏移。

采集导航信号数据步骤包括：采集导航载荷的pps(pulsepersecond，每秒脉冲数)信号、导航电文以及卫星时间；利用导航载荷的pps信号维持本地秒时间，确保本地秒时间与载荷秒时间一致；在pps上升沿采集导航信号，且在触发采集信号时，同步记录触发采集时的周计数、秒计数，依据周计数、秒计数从导航信号的电文中提取导航电文，并从本地授权码产生模块提取授权码。授权码提取过程不受传统监测接收机相关器间隔设置的限制，不需要解调和提取电文即可获得授权码相位关系。

计算采集信号鉴相曲线过零点偏移的步骤包括：

(2-1)对采集的信号进行滤波处理；

(2-2)若信号采集为同源采集，直接进入伪码搜索处理，否则通过频率搜索完成对信号的频率估计，并进入伪码搜索处理；

(2-3)对信号进行伪码搜索处理，确定信号伪码起始相位位置；

(2-4)获得信号相关函数，搜索相关函数主峰，计算相关器间隔下的信号鉴相曲线过零点偏移。

步骤(2-1)对采集的信号进行滤波处理的步骤包括：按照分析对象带宽要求，利用理想滤波器滤除带外信号，理想滤波器的特性如下：

滤波方法为对信号数据进行fft(傅立叶)变换，计算fft变换后fl、fh对应点的位置，计算公式为pointl＝fl×ldata/fs、pointh＝fh×ldata/fs，其中ldata表示信号数据的长度，通常信号数据长度为一个短码的伪码周期，fs表示采样速率。除保留[pointl,pointh]和[ldata-pointh,ldata-pointl]区间内的数据外，其余信号数据全部置零，然后对保留下来的信号数据再进行ifft变换，得到经理想滤波器滤波后的信号数据。

步骤(2-2)若信号采集为同源采集(采集设备基准频率采用载荷输出的频率)，跳过频率搜索步骤，直接对信号下变频处理并进入伪码搜索处理，若信号采集为非同源采集，通过频率搜索完成对信号的频率估计，然后进入伪码搜索处理。

频率搜索步骤为选择任一短码，调整码数字控制振荡器的频率控制字fcwcode和载波数字控制振荡器的频率控制字fcwcar进行粗略搜索，以产生新的伪码和载波。示例性地，fcwcar在多普勒范围[-dplmax,dplmax]内，按照ldata/4fs间隔进行各个频点的遍历，例如在fcwcar＝-dplmax、fcwcode＝-fcwcar×rc/fc下(其中fc为标称的载波频率，rc为标称的伪码速率)，产生频率为fc+fcwcar的载波和速率为rc+fcwcode的伪码，长度为ldata，利用新产生的载波对信号进行下变频处理后，与新产生的伪码进行相关处理，即s(t)表示经滤波处理后的信号，c(t)为本地复现的伪码，conj表示共轭操作，利用相关输出最大max(r)为判据，确定频率的可能区间，然后在频率可能区间内进行频率步进更小的搜索，仍以相关输出最大为判据，频率估记误差控制在hz量级。

步骤(2-3)伪码搜索步骤为对下变频处理后的信号进行滤波处理，重新计算码数字控制振荡器的频率控制字，利用更新后的伪码速率重新产生伪码，并利用新生成的伪码重新计算相关函数最大值，相关函数最大值对应的采样点即为伪码相位起始位置。

具体地，利用频率精细搜索后更新获得的fcwcar对信号进行下变频处理，并采用理想滤波器滤除二倍频分量，滤波器的特性如下:

重新计算fcwcode＝-fcwcar×rc/fc，利用更新后的伪码速率rc+fcwcode重新产生伪码，长度为ldata，按照计算相关函数r的最大值，相关函数最大值对应的采样点即为伪码的相位起始点位置，标记伪码相位起始位置为取数位置，后续处理中，从采集信号的取数位置开始取数。

步骤(2-4)计算信号相关函数步骤中，信号采样率达到预设精度时，从上述取数位置开始重新取数，直接利用相位搜索步骤生成的伪码和载波获得信号的相关函数；信号采样率未达到预设精度时，调整码相位控制字重新产生伪码以获得信号的相关函数。

示例性地，若信号采样率能达到千分之一码片精度，在标记位置开始进行重新取数，更新s(t)，利用相位搜索步骤生成的伪码和载波获得信号的相关函数考虑多数情况下，监测接收机采用的鉴相算法为非相干处理，所以对相关输出进行取模操作；若信号采样率未达到千分之一码片精度，调整伪码数字控制振荡器的相位控制字以获得高精度相关函数，通过不断调整伪码数字控制振荡器的相位初值来重新产生伪码，将每次产生的伪码分别与下变频处理后的信号相乘并取积分，得到完整的覆盖正负一个码片的相关函数主峰。

信号采集设备记录下触发采集信号的时刻，并依据该时刻产生长码序列，确保采集信号中的长码和本地长码一致，利用从短码中估计的频率偏移信息进行频率修正，并补偿至长码中，采用与短码处理相同的处理方式获得具有千分之一分辨率的相关函数，通过对相关函数的处理，获得长码信号分量对应的鉴相曲线过零点偏移。

优化地，计算相关器间隔下的信号鉴相曲线过零点偏移前，对相关函数的主峰进行插值处理。示例性地，在相关函数主峰分辨率在千分之一码片基础上，采用三次样条插值方法，每两个相邻点之间插入100个点，完成对相关函数主峰的插值处理，以增加相关函数的分辨率和连续性。

步骤(2-4)计算相关器间隔下的信号鉴相曲线过零点偏移的步骤包括移动相关函数，使得相关函数最大值位于纵轴上，环路锁定时，信号鉴相曲线过零点偏移为超前相关器与滞后相关器工作点间隔的一半。

图2为本发明实施例提供的相关函数主峰示意图，其宽度为±1码片，纵轴表示相关峰的幅度，横轴表示时延。移动相关函数使得相关函数最大值点c位于纵轴上，超前相关器工作点对应相关函数位置a，坐标记为(xa,ya)，滞后相关器间隔工作点对应相关函数位置b，坐标记为(xb,yb)，当环路锁定时，超前相关器输出的幅度等于滞后相关器输出的幅度，即ya＝yb，相关器间隔dspace＝|xa|+|xb|时，鉴相曲线过零点偏移为：

即环路锁定时，信号鉴相曲线过零点偏移为超前相关器与滞后相关器工作点间隔的一半。

若需计算相关器间隔从0趋近于2个码片时的信号鉴相曲线过零点偏移量，从c点开始，按照预计步进确定横线yab＝yc-n×cstep，n＝1,2,3lm，m和cstep依据分析的范围和精度进行选择，对相关函数进行主峰搜索，搜索yab与相关函数的交叉点，找到交叉点后即可获得交叉点在横轴上的坐标，然后按照公式计算相关器间隔为dspace时信号鉴相曲线过零点偏移，n从1遍历至m，即可获得连续的各种相关器间隔下对应的信号鉴相曲线过零点偏移。

因受长码、数据位、交调分量等因素的影响，不同时刻下计算的信号鉴相曲线过零点偏移有较大差别，甚至出现偏差相反的情况，这说明直接计算的结果不能真实反映导航载荷生成过程中失真引起的鉴相曲线过零点偏移，需要扣除理想信号本身引起的零点偏移才能准确反映导航载荷生成过程中失真引起的鉴相曲线过零点偏移。

步骤(3)计算参考信号鉴相曲线过零点偏移的步骤包括提取信号采集时刻对应的导航电文，将所述导航电文合成理想基带信号，产生伪码，采用步骤(2-4)方法获得不同相关器间隔下参考信号鉴相曲线过零点偏移，其中，信号采集为同源采集时，按照约定码速率产生伪码，信号采集为非同源采集时，按照步骤(2-2)中估计的频率偏移补偿码速率，并根据补偿后的码速率产生伪码。

一种导航信号鉴相曲线的过零点偏移测量设备，包括处理器，处理器用于执行权利要求1-8所述步骤。

本发明的不同方面、实施例、实施方式或特征能够单独使用或任意组合使用。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。