CN103336289A - 一种导航卫星信号处理的方法、相应的基带接收芯片及模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于卫星导航系统的信号处理方法，包括步骤：在卫星广播信号之前获取导航比特序列；在进行相干累加之前，用所述导航比特序列对接收到的卫星信号进行导航比特剥离。可以使得完成剥离操作之后的信号，可以进行时长超过一个导航比特长度（50bps信号为20毫秒，500bps信号为2毫秒）的相干累加，进而可以很大程度上提升接收机的灵敏度。同时，本发明还提供一种北斗卫星导航系统基带接收芯片、北斗卫星导航系统接收模块以及接收机。

Description

一种导航卫星信号处理的方法、相应的基带接收芯片及模块

技术领域

本发明涉及北斗卫星导航领域，特别涉及一种北斗导航卫星信号处理的方法及相应的芯片、模块。

背景技术

随着卫星导航系统（美国的GPS系统，中国的北斗系统，俄罗斯的Glonass系统，欧洲的伽利略系统等等）的逐步健全，接收机设计水平的提高，现今卫星导航技术已经得到广泛的应用，为日常生活带来了各种便利。同时，对于导航技术的要求也不再局限于开阔环境的基本位置服务，更多恶劣信号环境下的应用需求被重视，这样就要求接收机的能够有更高的灵敏度和更精确的测量结果。

由于传播导航信息的需要，导航卫星信号中会调制导航信息比特，通常分为50bps和500bps两种，以50bps卫星信号为例，导航比特的长度为20毫秒，这一结构特性决定了，在接收机设计中，很难进行超过20毫秒的相干累加积分，这样就很大程度上限制了接收机灵敏度的进一步提升。

在实际的应用中，通常有两种手段可以提高获得导航比特：一种是在接收机内部，收集一个完整周期的比特信息，然后根据其循环播发的特性预测下一次循环周期的比特。但这种方法存在的问题是，导航信息更新的准确时间点不能确定，另外一个循环周期内，对于保留字部分的比特也无法准确预测。一次错误的预测可能导致这个跟踪通道直接失锁丢失。另一种手段是，接收机通过外部注入的方法提前获得准确的导航比特，这就要求导航卫星接收机和另外的功能模块相结合，比如各种通信设备，当然这也是目前终端发展的方向。

发明内容

基于上述情况，本发明提出了一种用于卫星导航系统的信号处理方法，该方法主要利用接收机能够在信号到达之前，提前获得导航信息比特，在接收到信号的同时，先对信号进行解调，然后再进行相干累加，突破原导航比特的长度为20毫秒的限制，从而可以在很大程度上提升接收机的灵敏度。

一种用于卫星导航系统的信号处理方法，包括步骤：

一种用于卫星导航系统的信号处理方法，其特征在于，包括步骤：在卫星广播信号之前获取导航比特序列；在进行相干累加之前，用所述导航比特序列对接收到的卫星信号进行导航比特剥离。 

对所述相干累加的信号进行基带处理，得出导航卫星定位信息；再根据所述导航卫星定位信息进行解算，获得导航卫星接收机的位置和速度。

提供所述导航比特序列的设备是导航卫星地面控制站或导航卫星地面监测设备。 

所述比特剥离的方法采用BPSK解调方法。    

所述的导航卫星定位信息，包括信号传输时间和多普勒频移值。

当接收机获取到4颗或者4颗卫星以上的导航卫星定位信息之后，利用所述信息传输时间建立位置钟差方程组，算出接收机位置坐标；利用所述多普勒频移值建立速度频差方程组，解算出接收机速度。

更进一步，本发明还提供一种应用了上述方法的北斗卫星导航系统基带接收芯片。

更进一步，本发明还提供一种应用了上述基带接收芯片的北斗卫星导航系统基带接收芯片的北斗卫星导航系统接收模块。

该还包括一数据处理单元，用于将所述比特剥离模块导航比特剥离后的数据进行基带处理，得出导航卫星定位信息，最后通过导航卫星定位信息进行解算，获得导航卫星接收机的位置和速度。

更进一步，本发明还提供一种应用上述北斗卫星导航系统接收模块的接收机。

相对于现有技术，本发明提供的一种用于卫星导航系统的信号处理方法，通过在卫星广播信号之前，提前获取导航比特序列，用提前获取的导航比特序列对接收到的卫星信号进行导航比特剥离再进行相干累加的方式，使得完成剥离操作之后的信号，可以进行时长超过20毫秒（导航比特长度）的相干累加，从而可以很大程度上提升接收机的灵敏度。

附图说明

图1是本发明的一种用于卫星导航系统的信号处理方法实施例的流程示意图。

图2 是本发明对导航卫星信号进行导航比特剥离原理说明图。

图3是本发明的一种北斗卫星导航系统接收模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合其中的较佳实施方式对本发明方案进行详细阐述。

图1中示出了本发明一种用于卫星导航系统的信号处理方法实施例的流程示意图。

如图1所示，本实施例中的方法包括步骤：

S101：在卫星广播信号之前获取导航比特序列。

由导航比特生成设备提供导航比特序列，在卫星广播信号之前获得该导航比特序列。这里说的导航比特生成设备可以是导航卫星地面控制站，也可以是导航卫星地面监测设备，它的主要功能是，在导航卫星广播信号之前，提供准确的导航比特序列。

传统的方法主要是利用导航信息循环播发的特性，导航卫星接收机首先接收并存储一个导航信息更新周期内完整的比特信息，然后根据其循环特性进行预测。但是这种方法存在的问题是：

1、导航信息并不是完全重复循环的，其中的保留字有可能会在不同的循环周期内发生变化；

2、下一轮更新的时间点不能精确确定。

所以，基于这两个特性，在接收机内部预测导航比特出错的概率很高，而地面站正是导航比特生成的地方，因此从地面控制站以及导航卫星地面监测设备直接获取导航比特这种方式可以得到完全精确的导航比特序列。

S102：利用提前提供的导航比特序列，对接收到的卫星信号进行导航比特剥离，剥离方法即为BPSK解调方法，如图2所示；

21是10bit的原始比特序列信号；

22是对101进行极性映射的结果，即1，-1，1，1，-1，1，-1，-1，1，-1，这里的1和-1仅仅表示信号的符号极性；

23是包含导航比特的信号示意，假设该信号能量幅值不变，强度为A，其中每一个导航比特的长度为20毫秒；

24是剥离导航比特后的信号，剥离过程即22和23对应的比特位置相乘，从而使得信号的符号极性一致。

S103：进行导航卫星信号的相干累加；在本实施例中，相干累加即为对导航卫星信号进行连续求和的过程；

在通常情况下，因为导航比特的不可预知性，接收机最大只能进行20毫秒的相干累加，如果超过20毫秒，就可能因为导航比特的符号极性相反而抵消绝大部分能量。而在接收机设计的时候，获取高灵敏度最有效、最直接的方法就是对信号进行较长时间的相关积分。如果对包含导航比特的信号示意23进行200毫秒的相干累加，由于导航比特正负极性刚好抵消，那么最终得到这200毫秒的能量值为0；采用本发明的方法，对剥离导航比特后的信号24进行200毫秒的相干累加，因为提前预知并剥离了导航比特序列，所以累加的结果即为这200毫秒的能量总和10A。

S104：进行导航卫星信号基带处理，得出导航卫星定位信息；

这个步骤中导航卫星信号基带处理，其处理过程包括对信号的跟踪误差鉴别、环路滤波、跟踪状态调整，以及根据接收机对卫星信号的跟踪状态提取该卫星信号的传输时间和多普勒频移值，最终得出导航卫星定位信息。由于导航卫星信号基带处理是一个常规技术，本实施例不再赘述。

S105：根据上述导航卫星定位信息进行解算，获得接收机的位置和速度。

根据上述导航卫星定位信息，包括信号传输时间和多普勒频移值。它们是一颗卫星的特征信息，当接收机获取到4颗或者4颗卫星以上的特征信息之后就可以，利用传输时间建立位置钟差方程组，可解算出接收机位置坐标；利用多普勒频移值建立速度频差方程组，解算出接收机速度。

如图3所示，北斗卫星导航系统接收模块工作示意图：

301导航比特生成设备，用于导航卫星广播信号之前，提供准确的导航比特序列。

302数据传输设备，接收上述的比特序列，导航比特数据，并及时下发给导基带接收芯片。

这里的数据传输设备，包括数据传输通路的节点以及下游终端设备，数据传输通路的节点形态取决于选择何种方式传输数据，比如，如果选用互联网传播，该节点可以是某个网站服务器，如果选用无线通信传播，该节点可以是无线通信基站，该节点的功能为，接收来自导航比特生成设备的导航比特数据，并及时下发给下游终端设备；下游的终端设备为要求利用卫星导航系统提供位置服务的终端设备，例如手机，个人数码产品等，该设备通过某种协议（例如3gpp协议），获取导航比特序列，然后发送给北斗卫星导航系统接收模块。

303导航比特剥离单元，用于在卫星广播信号之前获取导航比特序列；在进行相干累加之前，用所述导航比特序列对接收到的卫星信号进行导航比特剥离，在这里导航比特剥离单元可集成为北斗卫星导航系统基带接收芯片。

304数据处理单元，用于将所述比特剥离模块导航比特剥离后的数据进行基带处理，得出导航卫星定位信息，最后通过导航卫星定位信息进行解算，获得导航卫星接收机的位置和速度。

303导航比特剥离单元与304数据处理单元可集成为导航接收模块，为北斗卫星导航系统接收模块的接收机的主要组成部分。另外，也有集成了射频及基带芯片、甚至集成了应用处理器（AP）的一体化芯片，都在本发明的保护范围之内。此外，兼容各种导航卫星系统的双模/多模基带芯片、模块，只要应用了本发明所说的方法，都应该在本发明的保护范围之内。

本模块的工作原理是，导航比特生成设备301在导航卫星信号广播之前提前提供导航比特序列，并发送给数据传输设备302，数据传输设备302再传输给导航比特剥离单元303，导航比特剥离单元303在接收比特序列后，并先将接收到的卫星信号进行比特剥离、相干累加；在通过数据处理单元进行基带处理，得出导航卫星定位信息，最后通过导航卫星定位信息进行解算，获得接收机的位置和速度（即导航报文）。

这个原理中的导航比特剥离主要是解决在通常情况下，因为导航比特的不可预知性，接收机最大只能进行20毫秒的相干累加，如果超过20毫秒，就可能因为导航比特的符号极性相反而抵消绝大部分能量的问题。如果对包含导航比特的信号进行200毫秒的相干累加，由于导航比特正负极性刚好抵消，那么最终得到这200毫秒的能量值为0的问题。在经过比特剥离模块处理后的剥离导航比特后的信号，在进行200毫秒的相干累加时，因为提前预知并剥离了导航比特序列，所以累加的结果即为这200毫秒的能量总和10A，这样的信号可大大提升接收机的灵敏度。

这个原理中导航卫星信号基带处理，其处理过程包括对信号的跟踪误差鉴别、环路滤波、跟踪状态调整，以及根据接收机对卫星信号的跟踪状态提取该卫星信号的传输时间和多普勒频移值，最终得出导航卫星定位信息。根据上述导航卫星定位信息，包括信号传输时间和多普勒频移值。它们是一颗卫星的特征信息，当接收机获取到4颗或者4颗卫星以上的特征信息之后就可以，利用传输时间建立位置钟差方程组，可解算出接收机位置坐标；利用多普勒频移值建立速度频差方程组，解算出接收机速度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于卫星导航系统的信号处理方法，其特征在于，包括步骤：在卫星广播信号之前获取导航比特序列；在进行相干累加之前，用所述导航比特序列对接收到的卫星信号进行导航比特剥离。

2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，对所述相干累加的信号进行基带处理，得出导航卫星定位信息；再根据所述导航卫星定位信息进行解算，获得导航卫星接收机的位置和速度。

3.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，提供所述导航比特序列的设备是导航卫星地面控制站或导航卫星地面监测设备。

4.根据权利要求1或2或3所述的信号处理方法，其特征在于，所述比特剥离的方法采用BPSK解调方法。

5.根据权利要求1或2或3所述的信号处理方法，其特征在于，所述的导航卫星定位信息，包括信号传输时间和多普勒频移值。

6.根据权利要求5所述的信号处理方法，其特征在于，当接收机获取到4颗或者4颗卫星以上的导航卫星定位信息之后，利用所述信息传输时间建立位置钟差方程组，算出接收机位置坐标；利用所述多普勒频移值建立速度频差方程组，解算出接收机速度。

7.一种应用了如权利要求1-6所述方法的北斗卫星导航系统基带接收芯片。

8.一种包括如权利要求7所述方法的北斗卫星导航系统接收模块。

9.根据权利要求8所述的北斗卫星导航系统接收模块，其特征在于，还包括一数据处理单元，用于将所述比特剥离模块导航比特剥离后的数据进行基带处理，得出导航卫星定位信息，最后通过导航卫星定位信息进行解算，获得导航卫星接收机的位置和速度。

10.一种应用了如权利要求8或9所述北斗卫星导航系统接收模块的接收机。

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