一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，包括：步骤1)ARM端预测当前时刻的载波NCO和伪码NCO；步骤2)ARM端将载波NCO数值送入FPGA端以确定本地载波信号，FPGA端计算得到零中频同相分量IF

【技术实现步骤摘要】
一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法
本专利技术涉及GNSS掩星接收机领域，具体涉及一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法。
技术介绍
搭载于低轨卫星的GNSS掩星接收机可用于掩星事件探测，当GNSS卫星处于低仰角甚至负仰角时，由于卫星信号弱、多普勒变化剧烈导致传统闭环跟踪中锁相环往往无法正常工作，此时需要采用预测模式的开环模型进行跟踪，开环跟踪主要根据星历、卫星PVT数据和大气模型等参数进行跟踪参数预测，从而进一步实现跟踪。传统GNSS信号采用BPSK(BinaryPhaseShiftKeying,二进制相移键控)调制，往往只调制单个数据分量，而随着新一代导航信号调制系统的发展，在如GPSL5波段，北斗B2a、B1C以及伽利略E1、E5波段采用BOC(BinaryOffsetCarrier,二进制偏移载波)调制或QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying,正交相移键控)调制，包含两个信号分量：导频分量与数据分量，两个分量相互正交且使用不同的扩频码；数据分量调制有电文信息，可用来计算卫星的各类信息；导频通道通常调制有固定的子码而不调制电文，在积分结果中体现为无符号位跳变，该特性使得导频分量可以采用纯锁相环，进行更长时间相干积分，提高弱信号的跟踪能力。传统跟踪模式采用单独数据通道或导频通道进行跟踪，以及I/Q路积分和载噪比计算，未将两通道积分结果合成，载噪比较低且未能充分发挥新一代信号导频通道不调制电文的优势，无法充分利用双分量特性。现有双支路跟踪模式通过单独判断I路符号进行能量合成，在闭环跟踪中借助锁相环进行判断，将能量集中于I路，可根据导频分量I路积分符号值对数据分量进行符号去除，从而进一步进行能量合成，提高测量载噪比，提高载波相位精度；而在开环跟踪模式下，由于未采用反馈环路而是采用预测载波相位与码相位进行跟踪，与实际信号之间存在相位偏差导致，无法像传统闭环跟踪中将能量集中于I路，虽导频分量与数据分量存在固定相位联系，但本地载波并未对实际载波相位进行预测，无法将能量集中于I路，无法使用上述单独I路判断进行合成。且数据分量中调制的导航电文信息会引起信号比特反转，由于电文信息本地未知，在进行IQ路积分时无法将导航电文消除，导致不同时刻输入的积分值时加时减，相互正负抵消，导致导频分量与数据分量能量合成错误。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，将开环数据分量与导频分量能量进行合成，采用FPGA+ARM()结构，将跟踪环路置于FPGA中、将控制程序置于ARM中，两部分紧密衔接，其复杂度低，资源消耗小，相对传统接收机无需硬件改动。为实现上述目的，本专利技术提出了一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，所述方法包括：步骤1)ARM端根据接收机PVT数据、卫星星历、大气模型以及各类辅助捕获数据预测当前时刻的载波NCO和伪码NCO；步骤2)ARM端将载波NCO数值送入FPGA端以确定本地载波信号，FPGA端将对应同相本地载波信号和正交相本地载波信号分别与卫星中频信号相乘，得到零中频同相分量IFI和正交相分量IFQ；步骤3)ARM端将伪码NCO数值送入FPGA端以确定本地导频分量伪码和数据分量伪码相位，FPGA端将导频分量伪码和数据分量伪码分别与中频同相分量IFI和正交相分量IFQ相乘，得到导频分量IQ路和数据分量IQ路的能量值；步骤4)FPGA端将导频分量IQ路和数据分量IQ路积分能量值进行短时间相干积分，得到导频分量积分值和数据分量积分值；步骤5)ARM端从FPGA端读取导频分量积分值和数据分量积分值，对导频分量IQ路积分值和数据分量IQ路积分值进行幅值判断和符号判断，然后进行IQ路积分合成并将合成结果输入IQ路积分寄存器，到达总积分时间则从IQ路积分寄存器取出总积分结果，利用总积分结果进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：在ARM端，利用PVT数据、卫星星历以及开环大气模型解算出当前时刻的GNSS卫星位置、仰角以及相对方位角，中心频率以及多普勒频移，确定需要开环跟踪卫星；利用解算结果进行每秒内线性插值计算，得出当前时刻预测中心频率和前后时刻中心频率差分值，从而计算得出当前时刻载波NCO和伪码NCO。作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：对导频分量I路能量值Ip、导频分量Q路能量值Qp、数据分量I路能量值Id和数据分量Q路能量值Qd进行相干积分，得到：其中，SumIp为导频分量I路积分结果，SumQp为导频分量Q路积分结果，SumId数据分量I路积分结果，SumQd数据分量I路积分结果，A为信号幅度值，ωe为本地载波与输入中频载波频率差，θe为本地载波与中频载波相位差，D为数据分量中电文信息，取值为1或-1；Tcoh为短时积分时间，不超过D的跳变时间。作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：步骤5-1)ARM端从FPGA端读取SumIp、SumQp、SumId和SumQd；步骤5-2)计算导频符号决定位signp：signp＝sign(max{abs(SumIp),abs(SumQp)})*sign(max{abs(SumId),abs(SumQd)})其中，abs(·)为绝对值函数，max{,}为最大值函数，sign(n)为取符号位：1或-1；步骤5-3)根据导频符号决定位signp对导频分量与数据分量的IQ路进行合成：SumI(n)＝SumIp+signp*SumIdSumQ(n)＝SumQp+signp*SumQd其中，SumI(n)为第n次短时积分的I路合成结果，SumQ(n)为第n次短时积分的Q路合成结果；步骤5-4)将步骤5-3)的两路合成结果输入IQ路积分寄存器；步骤5-5)当IQ路积分寄存器获得ts次的I路合成结果和Q路合成结果，累加得到总积分时间的I路积分值SumIall和Q路积分值SumQall：其中，ts等于总积分时间除以短积分时间；步骤5-6)利用总积分时间的I路积分值SumIall和Q路积分值SumQall进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。本专利技术的优点在于：1、本专利技术提出一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，采用新型导频数据分量合成系统，可将导频分量IQ路与数据分量IQ路积分值进行综合评估，对数据分量IQ路符号位进行修正，从而得到正确IQ路合成结果，提高跟踪载噪比，提高载波相位测量精度，利于后续反演计算；与现有方法相比，该方法无需进行硬件改动，复杂度低，资源消耗小，在增加开环跟踪能量合成同时，亦可适用于传统闭环跟踪，提升了接收机工作性能，使用本方法后接收机载噪比相对传统跟踪环路提升至少3dB；2、本专利技术提出的能量合成方法可将导频分量和数据分量的相干积分结果进行实时合成，充分利用信号资本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，所述方法包括：/n步骤1)ARM端根据接收机PVT数据、卫星星历、大气模型以及各类辅助捕获数据预测当前时刻的载波NCO和伪码NCO；/n步骤2)ARM端将载波NCO数值送入FPGA端以确定本地载波信号，FPGA端将对应同相本地载波信号和正交相本地载波信号分别与卫星中频信号相乘，得到零中频同相分量IF

【技术特征摘要】
1.一种GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，所述方法包括：
步骤1)ARM端根据接收机PVT数据、卫星星历、大气模型以及各类辅助捕获数据预测当前时刻的载波NCO和伪码NCO；
步骤2)ARM端将载波NCO数值送入FPGA端以确定本地载波信号，FPGA端将对应同相本地载波信号和正交相本地载波信号分别与卫星中频信号相乘，得到零中频同相分量IFI和正交相分量IFQ；
步骤3)ARM端将伪码NCO数值送入FPGA端以确定本地导频分量伪码和数据分量伪码相位，FPGA端将导频分量伪码和数据分量伪码分别与中频同相分量IFI和正交相分量IFQ相乘，得到导频分量IQ路和数据分量IQ路的能量值；
步骤4)FPGA端将导频分量IQ路和数据分量IQ路积分能量值进行短时间相干积分，得到导频分量积分值和数据分量积分值；
步骤5)ARM端从FPGA端读取导频分量积分值和数据分量积分值，对导频分量IQ路积分值和数据分量IQ路积分值进行幅值判断和符号判断，然后进行IQ路积分合成并将合成结果输入IQ路积分寄存器，到达总积分时间则从IQ路积分寄存器取出总积分结果，利用总积分结果进行载噪比计算，完成一次信号跟踪过程。


2.根据权利要求1所述的GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：
在ARM端，利用PVT数据、卫星星历以及开环大气模型解算出当前时刻的GNSS卫星位置、仰角以及相对方位角，中心频率以及多普勒频移，确定需要开环跟踪卫星；
利用解算结果进行每秒内线性插值计算，得出当前时刻预测中心频率和前后时刻中心频率差分值，从而计算得出当前时刻载波NCO和伪码NCO。


3.根据权利要求2所述的GNSS掩星双支路信号开环跟踪方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：
对导频分量I路能量值Ip、导频分量Q路能量值Qp、数据分量I路能量值Id和数据分量Q路能量值Qd进行相干积分，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓焱，王先毅，孙越强，杜起飞，白伟华，刘黎军，蔡跃荣，王冬伟，仇通胜，孟祥广，夏俊明，李伟，吴春俊，刘成，李福，乔颢，柳聪亮，赵丹阳，程双双，曹光伟，胡鹏，尹聪，张璐璐，张浩，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11