一種掩星信號快速恢復方法
【專利摘要】一種掩星信號快速恢復方法是對掩星接收機跟蹤的掩星信號失鎖后快速恢復的方法；當接收機正常跟蹤掩星信號時，選擇高仰角衛(wèi)星通道作為參考通道，該高仰角衛(wèi)星為參考星。當掩星信號失鎖后，首先對外推多普勒信息進行快速傅里葉變換，進行并行碼相位搜索，得到信號碼相位信息，將得到的外推多普勒信息和信號碼相位信息置入信號跟蹤環(huán)路對掩星信號進行精細搜索，完成對掩星信號的實時跟蹤，得到1ms同相累加數(shù)據(jù)，將1ms同相累加數(shù)據(jù)進行比特同步，得到比特同步標志，在同步標志有效時，根據(jù)參考通道的Z計數(shù)值和V計數(shù)值以及ΔZ和ΔV，得到恢復后掩星信號的偽距測量信息。
【專利說明】一種掩星信號快速恢復方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星應用領域，涉及一種掩星信號快速恢復方法。
【背景技術】
[0002]近年來，地球大氣無線電GNSS掩星探測技術作為二十一世紀最先進的空間探測技術之一迅速發(fā)展起來，并且成為國內外眾多學者廣泛關注的焦點。GNSS掩星探測技術開辟了地球大氣探測嶄新的思路，可以實現(xiàn)對全球范圍的大氣層和電離層進行探測。其基本原理是:在低軌LEO衛(wèi)星上安裝星載多系統(tǒng)兼容GNSS掩星雙頻接收機，對GNSS衛(wèi)星進行臨邊觀測，當電波信號穿過電離層和中性大氣層傳播時，由于介質垂直折射指數(shù)變換，導致對電波的折射作用，使信號路徑發(fā)生彎曲，由此可反演獲得全球大氣折射率、氣壓、密度、溫度和水汽壓等大氣參數(shù)剖面及電離層電子密度剖面。掩星探測技術具有高精度、高垂直分辨率、長期穩(wěn)定、全球覆蓋、全天候和花費較低廉等優(yōu)勢，可彌補傳統(tǒng)大氣探測手段的不足，其探測資料對于提高數(shù)值天氣預報精度、臨近空間環(huán)境監(jiān)測與研究、氣候與全球變化研究、大氣模式研究和數(shù)據(jù)同化等方面具有重要的科學研究意義，在氣候學、氣象學、電離層和測地學等領域具有重大的科學研究價值和廣泛的實際應用前景。
[0003]星載多系統(tǒng)兼容GNSS掩星雙頻接收機是地球大氣無線電GNSS掩星探測技術的主要載荷設備，它通過對掩星信號的觀測得到大氣附加信號延遲，進而對大氣參數(shù)進行反演。由于掩星信號是弱信號，在掩星信號的傳播過程中，不可避免的會受到各種干擾的影響，例如大氣層衰減、多路徑干擾和電離層閃爍等，這些影響會不可避免的導致掩星信號的失鎖。
[0004]一種掩星信號快速恢復方法是對掩星信號失鎖后快速恢復的方法，它利用參考星通道實時記錄掩星信號的發(fā)射時間，利用多普勒多普勒外推方法對信號多普勒進行外推，利用快速傅里葉變換方法實現(xiàn)對信號碼相位的快速估計，從而可以在小于I秒的時間內快速恢復偽距測量信息。該方法可以推廣應用到其他星載導航接收機，提高接收機的定位連續(xù)性和有效性。
[0005]利用該發(fā)明可以很好的滿足后端反演軟件的需要，可應用于掩星星座和掩星地震預報等掩星信號接收及處理系統(tǒng)、GNSS海洋反射信號接收處理系統(tǒng)、高可靠星載衛(wèi)星導航接收機等工程應用領域，具有重要的應用價值和廣闊的推廣應用前景。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明解決的技術問題:適應工程應用需求，提供一種掩星信號的快速恢復方法，實用性強，可廣泛應用于掩星大氣探測、GNSS-R海洋遙感等領域。
[0007]本發(fā)明的技術解決方案是:一種掩星信號快速恢復方法，包括如下步驟:
[0008](I)選擇高仰角直達星通道作為參考通道，一個掩星通道用于接收一顆掩星的信號；在當前TIC時刻，根據(jù)掩星通道以及參考通道記錄的各自通道的Z計數(shù)值和V計數(shù)值，確定兩通道的Z計數(shù)差值和V計數(shù)差值:ΛΖ和Λ V ;同時根據(jù)掩星通道在當前TIC時刻計算的掩星信號的多普勒和多普勒變化率信息進行多普勒外推；并判斷下一 TIC時刻的掩星信號是否失鎖，若未失鎖，則轉步驟(2);否則轉步驟(3)；
[0009](2)根據(jù)掩星通道的Z計數(shù)值、V計數(shù)值得到掩星信號的發(fā)射時間，以及本地計數(shù)器得到的掩星信號接收時間，進而得到掩星信號的偽距測量信息；將該TIC時刻作為當前TIC時刻，返回步驟(I)循環(huán)執(zhí)行；
[0010](3)首先對外推多普勒信息進行快速傅里葉變換，進行并行碼相位搜索，得到信號碼相位信息，將得到的外推多普勒信息和信號碼相位信息置入信號跟蹤環(huán)路對掩星信號進行精細搜索，完成對掩星信號的實時跟蹤，得到Irns同相累加數(shù)據(jù)，將Ims同相累加數(shù)據(jù)進行比特同步，得到比特同步標志，進入下一步；
[0011](4)判斷比特同步標志是否有效，若有效，則根據(jù)步驟(I)中參考通道的Z計數(shù)值和V計數(shù)值以及ΛΖ和Λ V，得到掩星通道的實際Z計數(shù)值和V計數(shù)值，從而得到掩星信號的發(fā)射時間，同時根據(jù)本地計數(shù)器得到的掩星信號的接收時間，得到恢復后掩星信號的偽距測量信息；將當前失鎖掩星信號對應TIC時刻的下一 TIC時刻作為當前TIC時刻，返回步驟(I)循環(huán)執(zhí)行；否則，則對外推多普勒信息再次進行外推，返回步驟(3)重復進行。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果:
[0013]( I)本發(fā)明根據(jù)參考星通道實時記錄的參考星Z計數(shù)值和V計數(shù)值，以及參考通道參考星與掩星通道掩星Z計數(shù)與V計數(shù)的差值ΛΖ和Λ V，得到掩星通道掩星信號實際的Z計數(shù)值和V計數(shù)值，從而得到掩星信號的發(fā)射時間，利用多普勒多普勒外推方法對信號多普勒進行外推，利用快速傅里葉變換方法實現(xiàn)對信號碼相位的快速估計，從而可以在小于I秒的時間內快速恢復偽距測量信息。該方法可以推廣應用到其他星載導航接收機，提高接收機的定位連續(xù)性和有效性。
[0014](2)本發(fā)明利用參考星通道記錄掩星信號通道的發(fā)射時間，當掩星信號失鎖重捕達到比特同步后，利用記錄的發(fā)射時間快速恢復掩星信號通道的Z計數(shù)和V計數(shù)，當Z計數(shù)和V計數(shù)恢復后，即可輸出偽距測量信息，無需做幀同步；利用掩星信號正常跟蹤時的信號多普勒和多普勒變化率對多普勒信息進行外推；當掩星信號失鎖后，利用外推多普勒對信號進行快速捕獲；采用FFT (快速傅里葉變換)方法快速獲取掩星信號的碼相位信息。能夠快速、準確的對失鎖后的掩星信號進行恢復。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1 一種掩星信號快速恢復方法實現(xiàn)流程
[0016]圖2信號跟蹤環(huán)路實現(xiàn)流程
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明做詳細說明，具體一種掩星信號快速恢復方法，其技術【具體實施方式】如下:
[0018]星載多系統(tǒng)兼容GNSS掩星雙頻接收機是地球大氣無線電GNSS掩星探測技術的主要載荷設備，在掩星雙頻接收機中，主要包含用于捕獲直達星信號的直達通道和用于捕獲掩星信號的掩星通道兩類通道。其中直達通道用于對直達星信號進行捕獲跟蹤，從而實現(xiàn)定位解算，而掩星通道則用于對低仰角的GNSS信號進行捕獲跟蹤，輸出其偽距、載波相位等測量信息，用于反演電離層電子密度、中性大氣溫濕壓等參數(shù)信息。[0019] 由于掩星信號是弱信號，在掩星信號的傳播過程中，會受到各種干擾的影響，這些影響會不可避免的導致掩星信號的失鎖。為能對失鎖后的掩星信號能進行Is快速恢復，本發(fā)明將分兩個部分:正常跟蹤部分(BlockI)和信號失鎖后快速恢復部分(BlockII)對其技術實施方式進行詳細說明。
[0020](一)Block I
[0021]當掩星接收機穩(wěn)定跟蹤掩星信號時，進行選取參考星通道、記錄掩星信號發(fā)射時間、掩星信號多普勒外推等工作，詳述如下:
[0022]( I)選取參考通道
[0023]參考星通道的選取要保證參考星是健康的，持續(xù)時間足夠長。一般情況下，可以選取高仰角(一般大于45度)的直達星通道作為參考通道。
[0024](2)記錄掩星信號發(fā)射時間
[0025]掩星通道以及參考通道根據(jù)預設的TIC周期實時記錄的各自通道的Z計數(shù)值和V計數(shù)值。
[0026]本發(fā)明中TIC指接收機內部的周期計數(shù)，TIC周期可根據(jù)不同需求設定為10ms、IOOms等，下同。
[0027]導航星信號發(fā)射時間是用Z計數(shù)值和V計數(shù)值來表征的，即只要知道了信號真實的Z計數(shù)值和V計數(shù)值，就得到了導航星信號的發(fā)射時間。
[0028]Z計數(shù)即1.5s計數(shù)，V計數(shù)為Ims計數(shù)，設參考星Z計數(shù)值為R_Z，V計數(shù)值為R_V，掩星Z計數(shù)值為occ_z，v計數(shù)值為occ_v，那么當接收機正常跟蹤掩星信號時，參考星與掩星的Z、V計數(shù)差值為:
[0029]Δ Z=R_Z-0CC_Z
[0030]Δ V=R_V-0CC_V
[0031]由上式可知，設掩星接收機與參考星之間的距離變化率為AR_D，掩星接收機與掩星之間的距離變化率為A0CC_D，只要滿足以下條件:
[0032]I Δ 0CC_D- Δ R_D |〈C/1000
[0033]上式中C為光速，值為299792458m/s。
[0034]那么ΛΖ和Λ V在短時間內(Is)是不變的。根據(jù)衛(wèi)星運動規(guī)律，在短時間內(Is)上述條件是成立的。
[0035]因此，只要實時記錄參考星的Z計數(shù)值和V計數(shù)值以及ΛΖ和Λ V值，即可得到掩星信號的發(fā)射時間信息。
[0036]下面根據(jù)信號發(fā)射時間及接收時間計算掩星的偽距:
[0037]P = At*c，其中P為掩星的偽距，c為光速，At=I；_Tt，為掩星信號的傳播時間；
[0038]信號發(fā)射時間:Tt=(Ζ-ΔΖ)*1.5+(V-Δ V)/1000 ；
[0039]信號接收時間:!；，由掩星雙頻接收機本地時間計數(shù)器維持；
[0040](3)信號多普勒外推
[0041]當掩星雙頻接收機正常跟蹤掩星信號時，可以得到精確的信號多普勒信息dop、多普勒變化率信息r_dop和對應的時標信息h，但是當掩星信號接近失鎖時，環(huán)路跟蹤的信號多普勒已經嚴重偏離了實際多普勒。因此掩星信號失鎖后，需要采取外推的多普勒作為快速傅里葉變換模塊的輸入，多普勒外推公式如下:[0042]pre_dop=dop+r_dop* (t_t0)
[0043]pre_dop為外推的多普勒信息；t為第一次外推對應時刻。
[0044](二)BlockII
[0045]當掩星信號失鎖后，采用如下步驟對該信號進行快速恢復，詳述如下:
[0046](I)快速傅里葉變換
[0047]當掩星信號失鎖后，利用外推多普勒對信號進行快速傅里葉變換?？焖俑道锶~變換在此多普勒處，對掩星信號碼相位進行并行估計，得到相關峰值對應的碼相位信息。
[0048]快速傅里葉變換采用FPGA實現(xiàn)，耗時約為2-10ms。
[0049](2)信號捕獲跟蹤環(huán)路
[0050]信號捕獲跟蹤環(huán)路包括信號搜索、延遲鎖定環(huán)路、頻率跟蹤環(huán)路以及相位跟蹤環(huán)路四個部分。其中信號搜索用于對信號的碼相位信息和頻率信息進行精細搜索，延遲鎖定環(huán)路用于對碼相位進行精確跟蹤，頻率跟蹤環(huán)路用于對信號頻率進行精確跟蹤，相位跟蹤環(huán)路用于對信號相位進行精確跟蹤，信號捕獲跟蹤環(huán)路實現(xiàn)流程見圖2。
[0051]信號跟蹤環(huán)路工作過程如下:相關器中接收到掩星A/D采樣數(shù)字信號，以外推多普勒為搜索頻點，以快速傅里葉變換輸出的碼相位信息為搜索中心，前后搜索10個碼片，得到掩星通道真正的碼相位位置。將得到的碼相位和外推多普勒信息送入信號跟蹤環(huán)路中的碼產生器和載波產生器中，碼產生器與載波產生器分別根據(jù)送入的碼相位和多普勒信息復現(xiàn)與掩星A/D采樣數(shù)字信號(輸入信號)中的偽碼和載波盡可能相一致的碼信息和載波信息，并輸入至相關器；相關器將復現(xiàn)的碼信息和載波信息與接收的掩星A/D采樣信號進行相關運算，通過Ims的相干積分累加，實現(xiàn)對輸入信號偽碼和載波的剝離。再將Ims相干積分累加結果分別送入延遲鎖定環(huán)路、頻率跟蹤環(huán)路以及相位跟蹤環(huán)路中進行鑒相、濾波，分別計算環(huán)路跟蹤誤差。將環(huán)路的跟蹤誤差反饋到碼產生器和載波產生器中，碼產生器和載波產生器根據(jù)環(huán)路跟蹤誤差對上述復現(xiàn)的環(huán)路的跟蹤誤差進行實時調整，實現(xiàn)對掩星信號的實時跟蹤。信號跟蹤環(huán)路每Ims輸出同相累加數(shù)據(jù)。此時Ims同相累加數(shù)據(jù)即為GNSS的導航電文信息，具有符號特性，通過對每Ims同相累加數(shù)據(jù)進行比特同步操作，即可找到比特跳變沿，實現(xiàn)比特同步。
[0052]本發(fā)明中，信號跟蹤環(huán)路的穩(wěn)定時間小于500ms。
[0053](3)比特同步
[0054]在碼鎖定、載波鎖定的情況下，信號跟蹤環(huán)路輸出的Ims同相累加數(shù)據(jù)即為導航電文信號，其長度為1ms，具有符號特性。此時可根據(jù)輸出的Ims同相累加數(shù)據(jù)進行導航星數(shù)據(jù)比特同步。比特同步的實現(xiàn)方式是:記錄Ims符號發(fā)生跳變的位置，并連續(xù)比較4次，看是否都在此位置發(fā)生了符號跳變，依此判斷20ms跳變點的發(fā)生位置，若連續(xù)4次都在該位置，則判別達到比特同步；若不是，則重新進行比特同步。
[0055]本發(fā)明中，比特同步花費的時間小于200ms。
[0056](4)偽距測量信息恢復
[0057]偽距測量信息恢復模塊的輸入為參考星Z計數(shù)和V計數(shù)值，以及掩星與參考星之間的Z計數(shù)差值ΛΖ和V計數(shù)差值AV。模塊首先根據(jù)比特同步模塊輸入的比特同步標志判斷是否需要恢復掩星信號的Z計數(shù)值和V計數(shù)值。當比特同步標志為真時，說明比特同步已經完成，此時根據(jù)參考星Z計數(shù)值R_Z和V計數(shù)值R_V，以及掩星與參考星之間的Z計數(shù)差值Λ Z和V計數(shù)差值Λ V,計算得到掩星信號的Z計數(shù)值OCC_Z和V計數(shù)值OCC_V，計算公式如下:
[0058]0CC_Z=R_Z- Δ Z
[0059]0CC_V=R_V- Δ V
[0060]計算完成后，將掩星信號的Z計數(shù)值0CC_Z和V計數(shù)值0CC_V置入ZV計數(shù)器，至此得到了掩星信號正確的Z計數(shù)值和V計數(shù)值，ZV計數(shù)器在此基礎上實時計算掩星信號的發(fā)射時間。進而確定掩星信號的偽距測量信息(具體同上)。將當前失鎖掩星信號對應Tic時刻的下一 Tic時刻作為當前TIC時刻，返回步驟(1)循環(huán)執(zhí)行； [0061]當比特同步標志為假即比特同步標志無效時，則對外推多普勒信息再次進行外推，返回步驟(3)重復進行，即pre_dop=dop+r_dop* (tft。), ?!=2?-?0 ;利用新計算的外推的多普勒信息pre_dop在BlockII中按照上述步驟確定比特同步標志,直至比特同步標志有效。
[0062]上述操作完成后，即可輸出正確的偽距、載波相位觀測量，用于掩星反演。
[0063]本發(fā)明操作簡單，從比特同步完成到觀測量輸出的耗時小于I秒。利用該發(fā)明可以很好的滿足后端反演軟件的需要，可應用于掩星星座和掩星地震預報等掩星信號接收及處理系統(tǒng)、GNSS海洋反射信號接收處理系統(tǒng)、高可靠星載衛(wèi)星導航接收機等工程應用領域，具有重要的應用價值和廣闊的推廣應用前景。
[0064]本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種掩星信號快速恢復方法，其特征在于包括如下步驟: (1)選擇高仰角直達星通道作為參考通道，一個掩星通道用于接收一顆掩星的信號；在當前TIC時刻，根據(jù)掩星通道以及參考通道記錄的各自通道的Z計數(shù)值和V計數(shù)值，確定兩通道的Z計數(shù)差值和V計數(shù)差值:ΛΖ和AV ;同時根據(jù)掩星通道在當前TIC時刻計算的掩星信號的多普勒和多普勒變化率信息進行多普勒外推；并判斷下一 TIC時刻的掩星信號是否失鎖，若未失鎖，則轉步驟(2);否則轉步驟(3)； (2)根據(jù)掩星通道的Z計數(shù)值、V計數(shù)值得到掩星信號的發(fā)射時間，以及本地計數(shù)器得到的掩星信號接收時間，進而得到掩星信號的偽距測量信息；將該TIC時刻作為當前TIC時亥IJ，返回步驟(I)循環(huán)執(zhí)行； (3)首先對外推多普勒信息進行快速傅里葉變換，進行并行碼相位搜索，得到信號碼相位信息，將得到的外推多普勒信息和信號碼相位信息置入信號跟蹤環(huán)路對掩星信號進行精細搜索，完成對掩星信號的實時跟蹤，得到Ims同相累加數(shù)據(jù)，將Ims同相累加數(shù)據(jù)進行比特同步，得到比特同步標志，進入下一步； (4)判斷比特同步標志是否有效，若有效，則根據(jù)步驟(I)中參考通道的Z計數(shù)值和V計數(shù)值以及ΛΖ和Λ V，得到掩星通道的實際Z計數(shù)值和V計數(shù)值，從而得到掩星信號的發(fā)射時間，同時根據(jù)本地計數(shù)器得到的掩星信號的接收時間，得到恢復后掩星信號的偽距測量信息；將當前失鎖掩星信號對應TIC時刻的下一 TIC時刻作為當前TIC時刻，返回步驟(I)循環(huán)執(zhí)行；否則，則對外推多普勒信息再次進行外推，返回步驟(3)重復進行。
【文檔編號】G01S19/30GK103605140SQ201310547514
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權日:2013年11月6日
【發(fā)明者】李興國, 段維波, 王猛, 李燁, 王爍, 王剛 申請人:航天恒星科技有限公司