多路GPS信号P（Y）码相位差的测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多路GPS信号的P（Y）码相位差的测量系统，该系统包括有直射信号捕获跟踪模块、阵列乘法器模块、高度测量模块。依据GPS的正交调制特性提取接收到的卫星信号的正交和同相信号，分离出C/A码和P(Y)码，然后分别对其进行等间距相同的延迟，再将其延迟后的信号和反射信号进行互相关运算，不同的延迟码片导致不同的非相干积分值，得到不同路GPS信号的P（Y）码相位差。该测量系统降低了硬件接收设备的复杂度，同时测量精度也得到了提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相位码的测量，更具体地说，是指一种利用导航卫星的直射信号 代替本地信号与反射信号进行互相关运算，利用互相关结果进行多路GPS信号P (Y)码相位 差的估计，进而将估计的结果应用在海面高度测量、海面风场反演、飞行器测姿、形变监测 等等应用方面。
技术介绍
近年来，基于全球导航卫星系统反射信号的微波遥感技术以其全天候、全天时、多 信号源、宽覆盖、高时空分辨率等应用优势，在遥感领域展现出广阔的应用前景。迅速发展 起来的GPS测量技术使传统大地测量学的面貌焕然一新，给测绘领域带来一场深刻的技术 革命。GPS测量技术是在海、陆、空任意测站点，通过天线连续接收GPS卫星的直射或者反射 信号，并计算测站点的三维坐标、海拔高度、运动载体的三维速度及时间等。目前在该
一般采用GPS接收机设备完成，在GPS接收机中由于C/A码周 期短，实现相关算法方便，很多研究人员已经通过测量多路GPS信号的C/A码相位差来进行 海面高度测量。在岸基实验方面，Martin-Neira等人在最早进行的大桥实验中对直射信号 和反射信号分别进行处理，在仅利用C/A码相位的情况下达到了 3m的测高精度Jreuhaft 等人在火山口湖实验中利用本地信号与直射和反射信号进行相关运算，利用非线性参数估 计的方法提取了直射和反射信号的载波相位差，并在Is时间内进行平均，获得了 2cm的测 高精度；Ruffini等人和Rivas等人分别在海港中平静海面的条件下利用码信号的载波相 位获得3.1cm和5cm的测闻精度。在机载实验方面，Lowe在实验中获得了 60cm的测闻精 度，并认为长时间的平均可使测高精度提高至5cm量级。通过上述实验，可见利用C/A码来进行多路GPS信号相位差的测高精度并不高。针 对上述问题，本专利技术提出一种利用直射信号与反射信号互相关的海面测高方法，该方法利 用GPS信号结构和特点，对直射信号的同相(包含C/A码)分量和正交(包含P(Y)码)分量 进行正交分离，采用正交分离后的直射信号代替本地信号与反射信号分别进行相关运算， 利用互相关结果进行多路GPS信号的相位差估计，从而实现接收机所在位置距离反射面的 高度测量。该系统避免了反射信号处理中本地信号的产生，降低了接收设备的复杂度，并利 用具有更高扩频增益的P(Y)码信号提高了相位差的估计精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多路GPS信号P (Y)码相位差的测量系统，该系统通过 在FPGA芯片上用Verilog HDL语言设计得到硬件的功效。在本专利技术中，采用时域伪码串行 载波串行的捕获跟踪方法对直射数字中频信号进行捕获跟踪；采用阵列乘法器进行多路直 射数字基频信号和反射数字基频信号的相关功率值的运算；采用跟踪峰值方法对多路不同 延时的直射数字基频信号和反射数字基频信号的相关功率值进行峰值检测处理；并根据海 面反射的空间几何关系对直射信号和反射信号之间的距离差和卫星高度角进行处理，得到信号处理平台至反射面的相对高程。本专利技术的一种多路GPS信号P (Y)码相位差的测量系统，该测量系统包括有直射信号捕获跟踪模块(10 )、阵列乘法器模块(20 )、高度测量模块(30 );直射信号捕获跟踪模块(10)用于对直射数字中频信号sD_IF(n)进行捕获、跟踪及导航电文的解调，得到载波频率控制字Few，反射卫星高度角ε，反-直延迟值N，直-基正交sD_BB_P(n)，直-基同相sD_BB_e(n);其中，反射卫星高度角ε输出给高度测量模块(30);载波频率控制字Fcw、直-基正交sD_BB_P(n)、直-基同相sD_BB_c(n)、反-直延迟值N分别输出给阵列乘法器模块(20)；阵列乘法器模块(20)利用多路延迟器阵列对反射数字中频信号sK_IF(n)、直-基正交sD_BB_P(n)和直-基同相sD_BB_e(n)进行处理，得到直-基正交互相关功率值ΧΡ( τ n)和直-基同相互相关功率值XJ τ n)，并输出到高度测量模块(30)；高度测量模块(30)包括反-基正交功率值曲线拟合模块(304)、反-基同相功率值曲线拟合模块(305 )、P (Y)码峰值检测模块(302)、C/A码峰值检测模块(303)、高度计算模块(301)；反-基正交功率值曲线拟合模块(304)将多个反-基正交功率值，即反-基正交初始功率值Xpft0、反-基正交第一功率值Xp(1)、反-基正交第二功率值Xp(2)、……、反-基正交第M功率值XP(M)按照散射信号相关功率模型<|YD(A，f) |2>进行曲线拟合，输出P (Y)码的一维功率值-时延函数ΧΡ( τ)。反-基同相功率值曲线拟合模块(305)将多个反-基同相功率值，即反-基同相初始功率值χ_)、反-基同相第一功率值xc(1)、反-基同相第二功率值xc(2)……、反-基同相第M功率值Xe(M)按照散射信号相关功率模型〈IYS (△，f) 12>进行曲线拟合，输出C码的一维功率值-时延函数\(τ)。P (Y)码峰值检测模(302)块对P (Y)码的一维功率值-时延函数ΧΡ(τ)进行采用峰值跟踪法，拟合出峰值点 ，计算出峰值点对应的时延值，再将其转化为反射信号和直射信号之间的距离差P ρ。C/A码峰值检测模块(303)对C/A码的一维功率值-时延函数Xe(T)进行采用峰值跟踪法，拟合出峰值点，计算出峰值点对应的时延值，再将其转化为反射信号和直射信号之间的距离差P。。高度计算模块(301)对多路P (Y)码相位差计算直射信号和反射信号的距离差 Pp、多路码相位差计算直射信号和反射信号的距离差P。、反射卫星高度角ε进行处理，根据海面反射的空间几何关系，信号处理平台与反射点的相对高程的计算公式为IsinE其中h表示信号处理平台与反射点的相对高程，则\ =，hp表示多路GPS信号P⑴2sin^码的相位差的高度测量结果，<，h。表示多路GPS信号C/A码的相位差的高度测2smi*量结果，两者的测高精度可进行对比。本专利技术多路GPS信号P (Y)码相位差的测量系统的优点在于①利用P(Y)码相位差进行测高可以满足不同观测平台的需求，同时也满足高精度测高的需求。②利用P(Y)码相位差进行测高对环境的要求较宽松，应用范围不受限制，具有遥感卫星信号测量的特点，即宽覆盖、高时空分辨率等。③在信号处理中，利用接收到的直射信号代替本地信号和反射信号进行互相关运算的处理方式，避免了产生本地信号，降低了接收设备的硬件复杂度。④利用多路GPS信号的C/A码相位差进行测高获得的测量结果，可以与利用多路 GPS信号的P (Y)码相位差进行测高获得的测量结果进行精度对比。对比可知P (Y)码的测量精度更高。附图说明图1是本专利技术利用多路GPS信号的P(Y)码相位差、C/A码相位差进行互相关测高装置的结构示图。图2是本专利技术阵列乘法器模块结构示图。图3是本专利技术高度测量模块结构示图。具体实施方式GPS信号上存在着C/A码和P (Y)码两种测距码，C/A码只调制在LI载波信号上， 周期为1ms，码率为1.023Mcps ;而？化)码同时调制在LI和L2载波信号上，周期为7天，码率为 10. 23Mcps。参见图1所示，本专利技术是一种利用导航卫星的直射信号代替本地信号与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多路GPS信号P（Y）码相位差的测量系统，其特征在于：该测量系统包括有直射信号捕获跟踪模块（10）、阵列乘法器模块（20）、高度测量模块（30）；直射信号捕获跟踪模块（10）用于对直射数字中频信号sD?IF(n)进行捕获、跟踪及导航电文的解调，得到载波频率控制字FCW，反射卫星高度角ε，反?直延迟值N，直?基正交sD?BB?P(n)，直?基同相sD?BB?C(n)；其中，反射卫星高度角ε输出给高度测量模块（30）；载波频率控制字FCW、直?基正交sD?BB?P(n)、直?基同相sD?BB?C(n)、反?直延迟值N分别输出给阵列乘法器模块（20）；阵列乘法器模块（20）利用多路延迟器阵列对反射数字中频信号sR?IF(n)、直?基正交sD?BB?P(n)和直?基同相sD?BB?C(n)进行处理，得到直?基正交互相关功率值XP(τn)和直?基同相互相关功率值XC(τn)，并输出到高度测量模块（30）；高度测量模块（30）包括反?基正交功率值曲线拟合模块（304）、反?基同相功率值曲线拟合模块（305）、P（Y）码峰值检测模块（302）、C/A码峰值检测模块（303）、高度计算模块（301）；反?基正交功率值曲线拟合模块（304）将多个反?基正交功率值，即反?基正交初始功率值XP(0)、反?基正交第一功率值XP(1)、反?基正交第二功率值XP(2)、……、反?基正交第M功率值XP(M)按照散射信号相关功率模型进行曲线拟合，输出P（Y）码的一维功率值?时延函数XP(τ)。反?基同相功率值曲线拟合模块（305）将多个反?基同相功率值，即反?基同相初始功率值XC(0)、反?基同相第一功率值XC(1)、反?基同相第二功率值XC(2)……、反?基同相第M功率值XC(M)按照散射信号相关功率模型进行曲线拟合，输出C码的一维功率值?时延函数XC(τ)。P（Y）码峰值检测模（302）块对P（Y）码的一维功率值?时延函数XP(τ)进行采用峰值跟踪法，拟合出峰值点，计算出峰值点对应的时延值，再将其转化为反射信号和直射信号之间的距离差ρp。C/A码峰值检测模块（303）对C/A码的一维功率值?时延函数XC(τ)进行采用峰值跟踪法，拟合出峰值点，计算出峰值点对应的时延值，再将其转化为反射信号和直射信号之间的距离差ρc。高度计算模块（301）对多路P（Y）码相位差计算直射信号和反射信号的距离差ρp、多路码相位差计算直射信号和反射信号的距离差ρc、反射卫星高度角ε进行处理，根据海面反射的空间几何关系，信号处理平台与反射点的相对高程的计算公式为其中h表示信号处理平台与反射点的相对高程，则hp表示多路GPS信号P(Y)码的相位差的高度测量结果，hc表示多路GPS信号C/A码的相位差的高度测量结果，两者的测高精度可进行对比。FDA00002451778100021.jpg,FDA00002451778100022.jpg,FDA00002451778100023.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种多路GPS信号P (Y)码相位差的测量系统，其特征在于该测量系统包括有直射信号捕获跟踪模块(10 )、阵列乘法器模块(20 )、高度测量模块(30 ); 直射信号捕获跟踪模块(10)用于对直射数字中频信号sD_IF(n)进行捕获、跟踪及导航电文的解调，得到载波频率控制字F ，反射卫星高度角ε，反-直延迟值N，直-基正交sD_BB_P(n)，直-基同相sD_BB_e(n);其中，反射卫星高度角ε输出给高度测量模块(30);载波频率控制字Fcw、直-基正交sD_BB_P(n)、直-基同相sD_BB_c(n)、反-直延迟值N分别输出给阵列乘法器模块(20)； 阵列乘法器模块(20)利用多路延迟器阵列对反射数字中频信号sK_IF(n)、直-基正交sD-BB-P(η)和直-基同相sD_BB_。(η)进行处理，得到直-基正交互相关功率值Xp( τ η)和直-基同相互相关功率值XJ τη)，并输出到高度测量模块(30)； 高度测量模块(30)包括反-基正交功率值曲线拟合模块(304)、反-基同相功率值曲线拟合模块(305)、Ρ (Y)码峰值检测模块(302)、C/A码峰值检测模块(303)、高度计算模块(301)； 反-基正交功率值曲线拟合模块(304)将多个反-基正交功率值，即反-基正交初始功率值Xpftl)、反-基正交第一功率值XP(1)、反-基正交第二功率值ΧΡ(2)、……、反-基正交第M功率值ΧΡ(Μ)按照散射信号相关功率模型<|YS(A，f) |2>进行曲线拟合，输出P (Y)码的一维功率值-时延函数ΧΡ(τ)。反-基同相功率值曲线拟合模块(305)将多个反-基同相功率值，即反-基同相初始功率值Χ_)、反-基同相第一功率值Xc(1)、反-基同相第二功率值Xc(2)……、反-基同相第M功率值Xew按照散射信号相关功率模型〈IYS (△，f) 12>进行曲线拟合，输出C码的一维功率值-时延函数X&)。P (Y)码峰值检测模(302)块对P (Y)码的一维功率值-时延函数ΧΡ(τ)进行采用峰值跟踪法，拟合出峰值点，计算出峰值点对应的时延值，再将其转化为反射信号和直射信号之间的距离差P ρ。C/A码峰值检测模块(303)对C/A码的一维功率值-时延函数进行采用峰值跟踪法，拟合出峰值点，计算出峰值点对应的时延值，再将其转化为反射信号和直射信号之间的距离差P co 高度计算模块(301)对多路P (Y)码相位差计算直射信号和反射信号的距离差Pp、多路码相位差计算直射信号和反射信号的距离差P。、反射卫星高度角ε进行处理，根据海面反射的空间几何关系，信号处理平台与反射点的相对高程的计算公式为2.根据权利要求1所述的多路GPS信号P(Y)码相位差的测量系统，其特征在于阵列乘法器模块(20)对反射数字中频信号sK_IF(n)、直-基正交sD_BB_P(n)和直-基同相sD_BB_c(n)的处理步骤如下步骤201 :载波NCO根据载波频率控制字Few产生对应频率的正弦波和余弦波，产生的波形取决于ROM中存放的是正弦表还是余弦表； 步骤202 :正弦乘法器中将反射数字中频信号sK_IF(n)和正弦表输出的正弦信号进行相乘，输出反射数字基频信号的正交分量，即反-基正交sK_P(n)； 余弦乘法器将反射数字中频信号sK_IF(n)和余弦表输出的余弦信号进行相乘，输出反射数字基频信号的同相分量，即反-基同相sK_c(n)。步骤203 :延迟器P将直-基正交sD_BB_P(n)延迟N个时间单位，即信号将转换成延迟直-基正交sD_BB_P(n-NA) ;N是直射信号捕获跟踪模块输出的采用直射闭环反射开环的方式对反射信号相对于直射信号的延迟相位的估计值，△是延迟的时间步长；同理可得延迟器Pl将延迟直-基正交sD_BB_P(n_NA)延迟I个时间步长Λ，即信号将转换成第一延迟直-基正交sD_BB_P(η-ΝΔ-Δ)； 延迟器ρ2将第一延迟直-基正交sD_BB_P(n-NA-A)延迟I个时间步长Λ，即信号将转换成第二延迟直-基正交s請_ρ(η-ΝΔ-2Δ)；……； 延迟器PM将第M-1延 迟直-基正交81),_1)(11州八-(1-1)八)延迟I个时间步长Λ，ΒΡ信号将转换成第M延迟直-基正交sD_BB_P(η-ΝΔ-ΜΔ)； 延迟器c将直-基同相sD_BB_c(n)延迟N个时间单位，即信号将转换成延迟直-基同相sD_BB_c(n-NA) #是直射信号捕获跟踪模块输出的采用直射闭环反射开环的方式对反射信号相对于直射信号的延迟相位的估计值，Λ是延迟的时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟强，杨东凯，秦瑾，张波，张帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：