專利名稱：一種衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)字基帶信號(hào)的精密延遲實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航及仿真技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)是一種衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)字基帶信號(hào) 的精密延遲實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位的基本原理是地面接收機(jī)測(cè)量相對(duì)于四顆衛(wèi)星的實(shí)際距 離，構(gòu)成一個(gè)空間幾何方程，再根據(jù)衛(wèi)星星歷中的衛(wèi)星坐標(biāo)求解接收機(jī)所在位置的空間坐 標(biāo)。距離誤差是最終定位誤差的主要來(lái)源。實(shí)際定位過(guò)程中，衛(wèi)星和接收機(jī)之間存在著相 對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離在不斷變化，由于電磁波以光速傳播，這種距離變化 就會(huì)導(dǎo)致電磁波的傳播時(shí)間變化。從接收機(jī)的角度看，接收信號(hào)是一個(gè)以衛(wèi)星時(shí)鐘基準(zhǔn)為 參考、延遲量在不斷變化的信號(hào)，不同衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的延遲量皆不同。除了衛(wèi)星和接 收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的信號(hào)延遲外，電離層和對(duì)流層都會(huì)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的傳播帶來(lái) 額外延遲量。在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器中，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)字基帶信號(hào)產(chǎn)生后，一個(gè)重要的工作就是實(shí) 現(xiàn)該信號(hào)的延遲。信號(hào)發(fā)生器的時(shí)延控制常用以下三種方法實(shí)現(xiàn)(1)模擬時(shí)延控制模擬時(shí)延控制的技術(shù)原理是基于當(dāng)一個(gè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)濾波器時(shí)，必將產(chǎn)生一定的 群時(shí)延。因此可以讓信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)若干個(gè)模擬濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)延控制，但是 這種方法中模擬濾波器時(shí)延受到包括溫度等外界的影響極大，精度也不高。(2) NCO時(shí)延控制NCO時(shí)延控制方法采用基于碼NCO(Numerical Controlled Oscillator，數(shù)控振蕩 器)的DDS技術(shù)。NCO方法通過(guò)控制碼NCO的周期和相位來(lái)模擬多普勒引起的偽距、偽距 率變化的原理跟一般直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDFS)類 似，只是輸出是具有方波波形的碼鐘。碼DDS無(wú)需查找幅度表，而是將碼元相位累加器值與 設(shè)定進(jìn)位值進(jìn)行比較，當(dāng)大于此值時(shí)，NCO輸出高電平；反之則輸出低電平，以此作為偽隨 機(jī)碼發(fā)生器的時(shí)鐘基準(zhǔn)。其主要參數(shù)包括頻率控制字、相位控制字。NCO方法存在以下三個(gè) 問(wèn)題A.初始相位控制精度受NCO工作時(shí)鐘頻率限制，致使偽距控制精度降低，零值不 確定度增大；B. NCO方法實(shí)現(xiàn)的時(shí)延是一個(gè)時(shí)間平均的結(jié)果，其不能實(shí)現(xiàn)單個(gè)偽碼或小時(shí)間片 斷的精確時(shí)延，即不能夠精確實(shí)時(shí)反映出信號(hào)時(shí)延的變化；C.由于碼NCO的相位截?cái)嘈?yīng)引起雜散效應(yīng)，導(dǎo)致偽碼相位抖動(dòng)惡化，信號(hào)質(zhì)量 下降。(3)數(shù)字延遲濾波器采用數(shù)字延遲濾波器具有延遲精度可控，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)偽碼的精確時(shí)延。但衛(wèi)星 導(dǎo)航信號(hào)模擬器中信號(hào)延遲量(即偽距)變化范圍大，且精度要求高。如GPS導(dǎo)航信號(hào)模擬器中偽距要求為26000000. 02米，變化速度可達(dá)數(shù)百米每秒。單個(gè)數(shù)字延遲濾波器的延 遲量固定，無(wú)法適應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器偽距急劇的變化的需求。而實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)字延遲濾 波器運(yùn)算量大，無(wú)法滿足信號(hào)實(shí)時(shí)仿真的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了 一種衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)字基帶信號(hào)的精密延遲方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為導(dǎo)航信號(hào)模擬器首先產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的數(shù)字基帶部分和 偽距。偽距被分解為大數(shù)延遲和小數(shù)延遲，大數(shù)延遲通過(guò)多個(gè)整時(shí)鐘周期的延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)，小 數(shù)延遲則通過(guò)數(shù)字延遲處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字基帶信號(hào)產(chǎn)生后，先進(jìn)行大數(shù)延遲，再進(jìn)行小數(shù)延 遲，最終實(shí)現(xiàn)給定偽距延遲。數(shù)字延遲處理包括數(shù)據(jù)插值、數(shù)字延遲濾波和抽選過(guò)程。小數(shù)延遲信號(hào)在數(shù)據(jù)插 值后進(jìn)行反鏡像濾波，抽選前進(jìn)行抗混疊濾波。數(shù)字延遲濾波器的參數(shù)是預(yù)先設(shè)計(jì)好的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)讀出放在 內(nèi)存中，直接與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行時(shí)域乘法。預(yù)先設(shè)計(jì)了多組數(shù)字延遲濾波器，每組數(shù)字延遲濾 波器對(duì)應(yīng)一個(gè)延遲量和唯一的地址。根據(jù)小數(shù)值獲得延遲濾波器的地址，再讀取延遲濾波 器的參數(shù)。將偽距拆分為大數(shù)延遲和小數(shù)延遲兩個(gè)部分。大數(shù)延遲為時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，通 過(guò)多個(gè)整時(shí)鐘周期來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)整時(shí)鐘周期的延遲。小數(shù)延遲為時(shí)鐘周期的 小數(shù)倍，通過(guò)數(shù)字延遲濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)延遲后的信號(hào)通過(guò)上變頻調(diào)制到衛(wèi)星載波頻 率，產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航模擬射頻信號(hào)。每個(gè)濾波器組都具有一個(gè)唯一的地址，該地址對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)定的延遲量范圍，當(dāng)小 數(shù)延遲量位于標(biāo)定延遲量范圍之內(nèi)，則通過(guò)地址可獲得與該標(biāo)定延遲量對(duì)應(yīng)的濾波器。數(shù)字延遲處理過(guò)程如圖2所示，包含以下過(guò)程過(guò)程1 插值內(nèi)插使采樣率升高，即為“升采樣”。內(nèi)插的實(shí)現(xiàn)方法是在輸入采樣數(shù)據(jù)χ (η)的間 隔中插入L-I個(gè)零點(diǎn)(L為整數(shù))，使得在時(shí)間間隔T內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)擴(kuò)展了 L倍。內(nèi)插的結(jié) 果，在頻帶內(nèi)產(chǎn)生了鏡像頻帶，因而必須使用反鏡像濾波器以消除鏡像頻帶。反鏡像濾波， 從時(shí)域角度看就是把插入的L-I個(gè)0值加以平滑，以恢復(fù)原來(lái)的波形。反鏡像濾波器Ii1 (η) 是一個(gè)N階具有第一類線性相位的FIR濾波器，即有Ill (η) = Ill (N-n-1)，N為濾波器階數(shù)。過(guò)程2:延遲濾波輸出的信號(hào)X1 (η)與選定的延遲濾波器進(jìn)行時(shí)域相乘，實(shí)現(xiàn)延遲；過(guò)程3 抽選數(shù)據(jù)抽選是對(duì)輸入的采樣數(shù)據(jù)每隔D點(diǎn)(D為整數(shù))選用一個(gè)，使得在時(shí)間間隔T 內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)被壓縮到1/D，D通常稱為“抽選因子”。h2(n)是一個(gè)抗混疊濾波器。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)抽選之后，信號(hào)的采樣頻率變?yōu)樵瓉?lái)的 1/D，可能會(huì)產(chǎn)生頻帶混疊，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)抽選之前，要用抗混疊濾波器h2 (η)對(duì)原始信號(hào) x2 (η)進(jìn)行濾波。數(shù)字延時(shí)處理的各個(gè)過(guò)程可以由公式表示
過(guò)程1 插值 過(guò)程2 延遲濾波 過(guò)程3 抽取 令
,即τ =mL+p，綜合上述公式得到 由于導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度快，偽距變化大，本發(fā)明采用大數(shù)和小數(shù)分別實(shí)現(xiàn)的方法， 即可保證偽距的變化范圍，又可保證控制精度。采用預(yù)先設(shè)計(jì)的多組數(shù)字延遲濾波器避免 了濾波器設(shè)計(jì)需要的復(fù)雜計(jì)算，既可保證運(yùn)算速度，又可保證控制精度，該方法在精密導(dǎo)航 信號(hào)模擬中具有重要應(yīng)用價(jià)值。


圖1為單顆導(dǎo)航衛(wèi)星模擬信號(hào)產(chǎn)生框圖。圖2為延遲濾波器的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。圖3為原始信號(hào)與延時(shí)后信號(hào)圖。
具體實(shí)施例方式單顆導(dǎo)航衛(wèi)星模擬信號(hào)產(chǎn)生框圖如圖1所示，導(dǎo)航信號(hào)模擬器的仿真部分產(chǎn)生導(dǎo) 航電文、偽距和邏輯時(shí)間等數(shù)據(jù)。靜密時(shí)鐘源為碼產(chǎn)生器和載波產(chǎn)生提供頻率基準(zhǔn)，碼產(chǎn)生 器產(chǎn)生衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼，衛(wèi)星導(dǎo)航電文被該碼所調(diào)制，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字基帶信號(hào)。圖1中虛線框內(nèi)部分是信號(hào)延遲產(chǎn)生的方案，即將偽距拆分為大數(shù)延遲和小數(shù)延 遲兩個(gè)部分。大數(shù)延遲為時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，通過(guò)多個(gè)整時(shí)鐘周期來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)執(zhí)行程序?qū)?現(xiàn)整時(shí)鐘周期的延遲。小數(shù)延遲為時(shí)鐘周期的小數(shù)倍，通過(guò)數(shù)字延遲濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng) 過(guò)延遲后的信號(hào)通過(guò)上變頻調(diào)制到衛(wèi)星載波頻率，產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航模擬射頻信號(hào)。每個(gè)濾波器組都具有一個(gè)唯一的地址，該地址對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)定的延遲量范圍，當(dāng)小 數(shù)延遲量位于標(biāo)定延遲量范圍之內(nèi)，則通過(guò)地址可獲得與該標(biāo)定延遲量對(duì)應(yīng)的濾波器。數(shù)字延遲處理過(guò)程如圖2所示，包含以下過(guò)程過(guò)程1:插值內(nèi)插使采樣率升高，即為“升采樣”。內(nèi)插的實(shí)現(xiàn)方法是在輸入采樣數(shù)據(jù)χ (η)的間 隔中插入L-I個(gè)零點(diǎn)(L為整數(shù))，使得在時(shí)間間隔T內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)擴(kuò)展了 L倍。內(nèi)插的結(jié) 果，在頻帶內(nèi)產(chǎn)生了鏡像頻帶，因而必須使用反鏡像濾波器以消除鏡像頻帶。反鏡像濾波， 從時(shí)域角度看就是把插入的L-I個(gè)0值加以平滑，以恢復(fù)原來(lái)的波形。反鏡像濾波器Ii1 (η) 是一個(gè)N階具有第一類線性相位的FIR濾波器，即有Ill (η) = Ill (N-n-1)，N為濾波器階數(shù)。
過(guò)程2:延遲濾波輸出的信號(hào)Xl (η)與選定的延遲濾波器進(jìn)行時(shí)域相乘，實(shí)現(xiàn)延遲；過(guò)程3 抽選數(shù)據(jù)抽選是對(duì)輸入的采樣數(shù)據(jù)每隔D點(diǎn)(D為整數(shù))選用一個(gè)，使得在時(shí)間間隔T 內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)被壓縮到1/D，D通常稱為“抽選因子”。h2(n)是一個(gè)抗混疊濾波器。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)抽選之后，信號(hào)的采樣頻率變?yōu)樵瓉?lái)的 1/D，可能會(huì)產(chǎn)生頻帶混疊，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)抽選之前，要用抗混疊濾波器h2 (η)對(duì)原始信號(hào) x2 (η)進(jìn)行濾波。數(shù)字延時(shí)處理的各個(gè)過(guò)程可以由公式表示 信號(hào)延遲前后的波形如圖3所示，圖3的上部為原始信號(hào)，下部為經(jīng)延遲處理的fi 號(hào)。采用不同的延時(shí)濾波器組得到的延遲量不同。
權(quán)利要求
一種衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)字基帶信號(hào)的精密延遲實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于1)、偽距被分解為大數(shù)延遲和小數(shù)延遲，大數(shù)延遲通過(guò)多個(gè)整時(shí)鐘周期的延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)，小數(shù)延遲則通過(guò)數(shù)字延遲處理來(lái)實(shí)現(xiàn)；2)、數(shù)字延遲處理包括數(shù)據(jù)插值、數(shù)字延遲濾波和抽選過(guò)程，小數(shù)延遲信號(hào)在數(shù)據(jù)插值后進(jìn)行反鏡像濾波，抽選前進(jìn)行抗混疊濾波；插值采用內(nèi)插，內(nèi)插的實(shí)現(xiàn)方法是在輸入采樣數(shù)據(jù)x(n)的間隔中插入L 1個(gè)零點(diǎn)(L為整數(shù))，使得在時(shí)間間隔T內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)擴(kuò)展了L倍；延遲濾波輸出的信號(hào)x1(n)與選定的延遲濾波器進(jìn)行時(shí)域相乘，實(shí)現(xiàn)延遲；數(shù)據(jù)抽選是對(duì)輸入的采樣數(shù)據(jù)每隔D點(diǎn)選用一個(gè)，D為整數(shù)，使得在時(shí)間間隔T內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)被壓縮到1/D；3)、預(yù)先設(shè)計(jì)多組數(shù)字延遲濾波器，每組數(shù)字延遲濾波器對(duì)應(yīng)一個(gè)延遲量和唯一的地址。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)字基帶信號(hào)的精密延遲實(shí)現(xiàn)方法。該方法將偽距被分解為大數(shù)延遲和小數(shù)延遲，大數(shù)延遲通過(guò)多個(gè)整時(shí)鐘周期的延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)，小數(shù)延遲則通過(guò)數(shù)字延遲處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字延遲處理包括數(shù)據(jù)插值、數(shù)字延遲濾波和抽選過(guò)程。小數(shù)延遲信號(hào)在數(shù)據(jù)插值后進(jìn)行反鏡像濾波，抽選前進(jìn)行抗混疊濾波。本發(fā)明采用大數(shù)和小數(shù)分別實(shí)現(xiàn)的方法，既可保證偽距的變化范圍，又可保證控制精度。
文檔編號(hào)G01S19/13GK101907715SQ20101024589
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者單慶曉, 周永彬, 張傳勝, 明德祥, 楊俊 , 王躍科, 邢克飛, 鐘小鵬, 陳建云 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)