北斗星基高精度差分信息接收實現方法技術

本發明專利技術提供了一種北斗星基高精度差分信息接收方法，首先，基于匹配濾波器進行信號捕捉，然后采用二階鎖相環進行載波跟蹤，設計碼跟蹤環使得接收機的本地碼與接收信號保持同步，采用直方圖法進行位同步；然后對兩顆星播發的不同差分信息尋找幀頭，完成子幀同步，最后對通過校驗的子幀數據按照ICD文件的約定解析得到差分信息。本發明專利技術使得用戶在可以接受衛星信號的區域內均能接收到高精度的、標準格式的北斗二代差分信息，從而實現全天候的、連續的、廣域的高精度差分服務。

【技術實現步驟摘要】
北斗星基高精度差分信息接收實現方法
本專利技術涉及一種差分信息接收方法。
技術介紹
全球導航衛星系統(GNSS，GlobalNavigationSatelliteSystem)目前正以飛快的速度發展，其應用領域的不斷廣泛化，對導航定位的精度也提出更高的要求。為了消除衛星軌道誤差，電離層折射等引起的誤差，在衛星定位中，廣泛使用著差分GNSS技術。差分GNSS定位(DGNSS)是一種目前較為廣泛的實時定位技術，其實質是在一個測站對兩個目標的觀測量、兩個測站對一個目標的觀測量或一個測站對一個目標的兩次觀測量之間進行求差，其目的在于消除公共項，包括公共誤差和公共參數，是改善GNSS定位或授時性能的一種方法。北斗二代衛星導航定位系統是我國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，可提供定位、測速和授時服務。隨著北斗導航系統的逐步完善，北斗系統接收機的設計也逐步成熟。采用北斗衛星導航系統是必然趨勢，用戶對北斗定位精度的需求也愈加多樣化，用戶對高精度的定位與授時服務的需求也愈加迫切。因此加強北斗二代衛星導航系統的建設具有很大的軍事戰略意義和民用經濟效益。目前，我國北斗二號一期工程設計了精度達到1米級的廣域差分增強服務。但根據目前的大系統指標測試，其精度性能尚未達到設計指標，無法滿足我國各行業用戶對于北斗1米級以及分米級的導航定位服務需求。國內一些研究機構也研究了北斗的差分增強服務，如武漢大學進行的廣域精密實時定位系統的研究，其生成的精密產品主要采用3G和Internet等播發手段，可用于單頻偽距差分用戶，定位精度約為1.5米。隨著北斗衛星導航系統的應用越來越廣泛，已經并不僅僅局限于傳統的測繪領域，在精密農業、海洋資源勘探、精細農業、林業、智能交通、國土資源調查等重要行業領域都對高精度的實時定位服務產生了巨大的需求。發展趨勢也由之前的局限差分逐漸關注到大范圍的廣域差分實時精密定位領域。而目前已有的地基增強系統播發手段單一，且技術體制導致系統容量有限，難以服務于廣域大規模用戶。我國的衛星導航地基增強系統還處于研究階段，國內的地基增強設備也正在建設之中，尚未實現大規模應用。
技術實現思路
為了克服現有技術的不足，本專利技術提供一種星基高精度差分信息接收方法，接收由中國區域定位系統的GEO衛星信號，對其進行捕獲、跟蹤、解擴、解調，得到其上調制的北斗二代高精度差分信息，輸出到差分解算模塊，進而使得用戶可以得到高精度的定位結果。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：步驟1.基于匹配濾波器進行信號捕捉，將匹配濾波器中的一個臂及其對應的一位本地碼存儲器稱為一節，如果信號在某一節上的能量滿足則認為信號存在；如果則認為信號有存在的可能，要求匹配濾波器再一次以同一參數做一次積分進行確認，如果信號在同一節上再次出現則確認成功，根據節號轉跟蹤，否則認為信號不存在，繼續進行搜索試探；門限σn為噪聲信號功率的開方，虛警概率Pfa為10-1；步驟2.采用二階鎖相環進行載波跟蹤；二階鎖相環的鑒相算法為PD＝Qp·sgn(Ip)，其中，PD為計算得到的本地復現的載波信號與接收到的中頻信號之間的相位誤差；Ip和Qp分別表示某一時刻跟蹤環路同相I和正交Q即時支路的累加和輸出；sgn(x)為符號函數；在通道積分時間T內，本地載波相位的變化Δθ＝2-31fs·T·ΔCrInc，其中，ΔCrInc為向硬件寫入的載波頻率修正量，fs為中頻信號采樣頻率；接收機根據上述計算的結果調整本地產生的載波信號的相位，使本地載波與輸入信號之間的相位時刻保持一致，完成載波環功能；步驟3.設計碼跟蹤環，使得接收機的本地碼與接收信號保持同步；碼跟蹤環的鑒相算法為其中IE、QE、IL、QL分別為延遲鎖定環超前碼和滯后碼在I、Q兩支路上的輸出，CdPd為計算得到的碼相位差異；碼跟蹤環的開環增益有用信號幅度A＝(Ip+QP+max(Ip,Qp))/2，DiνCode+1的含義為本地碼產生器的碼相位累加器CodeDCO經DiνCode+1分頻得到本地碼產生器時鐘；對于早遲間距為一個碼片寬度的早晚差冪鑒相器，輸出變化ΔCdPd＝Kcd×ΔCdInc，CdInc為碼鐘控制字；步驟4.采用直方圖法進行位同步；然后對兩顆星播發的不同差分信息尋找幀頭，完成子幀同步；步驟5.對子幀做校驗，舍棄校驗不過的子幀，通過校驗的子幀數據按照ICD文件的約定解析得到差分信息。本專利技術的有益效果是：此方法使得用戶在可以接受衛星信號的區域內均能接收到高精度的、標準格式的北斗二代差分信息，用戶可進一步結合北斗二代雙頻載波相位測量和高精度結算軟件來獲得高精度定位結果，克服局域播發差分信息覆蓋范圍有限的缺陷，從而實現全天候的、連續的、廣域的高精度差分服務。附圖說明圖1是C波段北斗差分信息接收機結構示意圖；圖2是科斯塔斯環算法結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術進一步說明，本專利技術包括但不僅限于下述實施例。本專利技術實施例的技術特征在于：首先，解決了北斗星基差分信息與GPS差分信息的兼容性問題，使用類似RTCM3.1協議輸出北斗二代高精度差分信息。其次，由于差分信息的播放是不同衛星使用不同的信息速率，2顆衛星的信息組合起來共同播發差分信息，所以接收機軟件中對不同衛星的跟蹤、解擴、解調，采用不同的處理方式。該方法的實施基于以下條件：1.使用2顆GEO衛星分別轉發不同類型的差分信息；2.2顆衛星使用不同的信息速率，不同的電文形式，調制不同的差分信息。星基差分信息接收機與其他GNSS接收機類似，衛星信號的搜索、捕獲、跟蹤都需要在碼環和載波環耦合下工作。但C波段衛星信號功率電平較弱，信噪比也較低，因此必須合理設置和選取各種環路參數，優化環路設計，在硬件資源允許的情況下，增加匹配濾波器的階數和頻譜估計算法，選取恰當的積分時間，在動態性和噪聲特性間取得合理折衷，可將系統功能最好實現。本專利技術包括以下步驟：步驟1：基于匹配濾波器的信號捕捉接收機啟動時或衛星信號丟失后進入信號的捕捉狀態，接收機對衛星信號的載波頻率和擴頻碼相位進行尋找，估計它們的大概值。因此捕捉狀態對信號的搜索是在二維空間上進行的。本方法基于的硬件平臺使用的是中國科學院自動化研究所設計的GNSS衛星無線電導航接收機基帶處理器芯片NUMEN2，該芯片具有一個1024節匹配濾波器，配合本方法設計的雙門限方法可以實現對微弱信號的快速高靈敏度的捕捉。步驟2：接收同頻點不同信息速率衛星信號的信號處理方法星基差分系統采用兩顆衛星，使用C波段載波和10.23MHz的偽碼分別以250bps和200bps的信息速率播發不同類型的差分信息，所以在跟蹤、位同步、幀同步及解調電文均需單獨處理。由于兩種電文的一位分別包括4個和5個擴頻碼周期，所以在跟蹤狀態下相關通道的積分時間要分別設為4ms和5ms，這樣兩種電文的一位分別可以包括4個和5個擴頻碼周期。幀同步時，由于兩種電文幀與子幀的編排方式不同，所以在搜索幀同步頭和電文存儲、校驗時均采用不同的參數。分別解析兩顆衛星的電文，得到北斗二代軌道差分信息和時鐘差分信息。步驟3：類似RTCM10403.1協議格式的差分數據輸出為差分GNSS服務的RTCM標準協議是國際海運事業無線電技術委員會(RTCM，RadioTechnicalCo本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種北斗星基高精度差分信息接收方法，其特征在于包括下述步驟：步驟1.基于匹配濾波器進行信號捕捉，將匹配濾波器中的一個臂及其對應的一位本地碼存儲器稱為一節，如果信號在某一節上的能量滿足則認為信號存在；如果則認為信號有存在的可能，要求匹配濾波器再一次以同一參數做一次積分進行確認，如果信號在同一節上再次出現則確認成功，根據節號轉跟蹤，否則認為信號不存在，繼續進行搜索試探；門限σn為噪聲信號功率的開方，虛警概率Pfa為10?1；步驟2.采用二階鎖相環進行載波跟蹤；二階鎖相環的鑒相算法為PD＝Qp·sgn(Ip)，其中，PD為計算得到的本地復現的載波信號與接收到的中頻信號之間的相位誤差；Ip和Qp分別表示某一時刻跟蹤環路同相I和正交Q即時支路的累加和輸出；sgn(x)為符號函數；在通道積分時間T內，本地載波相位的變化Δθ＝2?31fs·T·ΔCrInc，其中，ΔCrInc為向硬件寫入的載波頻率修正量，fs為中頻信號采樣頻率；接收機根據上述計算的結果調整本地產生的載波信號的相位，使本地載波與輸入信號之間的相位時刻保持一致，完成載波環功能；步驟3.設計碼跟蹤環，使得接收機的本地碼與接收信號保持同步；碼跟蹤環的鑒相算法為其中IE、QE、IL、QL分別為延遲鎖定環超前碼和滯后碼在I、Q兩支路上的輸出，CdPd為計算得到的碼相位差異；碼跟蹤環的開環增益有用信號幅度A＝(Ip+QP+max(Ip,Qp))/2，DivCode+1的含義為本地碼產生器的碼相位累加器CodeDCO經DivCode+1分頻得到本地碼產生器時鐘；對于早遲間距為一個碼片寬度的早晚差冪鑒相器，輸出變化ΔCdPd＝Kcd×ΔCdInc，CdInc為碼鐘控制字；步驟4.采用直方圖法進行位同步；然后對兩顆星播發的不同差分信息尋找幀頭，完成子幀同步；步驟5.對子幀做校驗，舍棄校驗不過的子幀，通過校驗的子幀數據按照ICD文件的約定解析得到差分信息。...

【技術特征摘要】
1.一種北斗星基高精度差分信息接收方法，其特征在于包括下述步驟：步驟1.基于匹配濾波器進行信號捕捉，將匹配濾波器中的一個臂及其對應的一位本地碼存儲器稱為一節，如果信號在某一節上的能量滿足則認為信號存在；如果則認為信號有存在的可能，要求匹配濾波器再一次以同一參數做一次積分進行確認，如果信號在同一節上再次出現則確認成功，根據節號n求得本地碼的滑移量，控制通道轉入跟蹤狀態，否則認為信號不存在，繼續進行搜索試探；門限σn為噪聲信號功率的開方，虛警概率Pfa為10-1；步驟2.采用二階鎖相環進行載波跟蹤；二階鎖相環的鑒相算法為PD＝Qp·sgn(Ip)，其中，PD為計算得到的本地復現的載波信號與接收到的中頻信號之間的相位誤差；Ip和Qp分別表示某一時刻跟蹤環路同相I和正交Q即時支路的累加和輸出；sgn(x)為符號函數；在通道積分時間T內，本地載波相位的變化Δθ＝2-31fs·T·ΔCrInc，其中，ΔCrInc為向硬件寫入的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙愛萍，邢燕，葛建，胡永輝，陳穎鳴，劉楓，成芳，
申請(專利權)人：中國科學院國家授時中心，
類型：發明
國別省市：陜西;61