一种获取通导一体低轨卫星高精度信号的方法及系统

技术领域

本发明涉及低轨卫星通信与定位技术领域，具体涉及一种获取通导一体低轨卫星高精度信号的方法及系统。

背景技术

低轨卫星的通信技术和定位技术是卫星应用的重要领域，随着卫星定位技术的迅速发展，其在军用和民用领域的重要性也越来越大。因此，实现对特定低轨卫星的定位具有重要意义。

相比全球导航定位系统，单星多普勒定位具有较强的环境适应性，应用更为灵活且部署简单，在诸多方面具有独特的优势。单星多普勒定位的原理是，当低轨卫星播发功率较高的导航增强数据信号时，地面接收终端利用接收到的数据信号(如伪距、频率、载波相位等)进行数据信号来源跟踪测量，从而实现单星定位。地面信号接收终端的定位精确度取决于该终端对接收到的数据信号的测量精度。

在传统的通信导航信号融合系统(通信和导航定位双功能)中，一般通过时分、相分、码分或者频分的方式播放通信和导航增强信号，如通导一体低轨卫星通常采用时分方式播发通信和导航增强信号。

然而，在时隙中播发的导航增强信号中，由于信号时隙较短，地面终端接收信号时，在通信时隙中的信号调制信息未知情况下，很难在该短时隙突发式信号条件下捕获信号并跟踪收敛获取高精度的频率/载波相位等测量结果，从而导致后续解算定位精度、1PPS授时精度差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：地面信号接收终端在短时隙突发式信号条件下，很难捕获高精度的通导一体信号。目的在于提供一种获取通导一体低轨卫星高精度信号的方法和系统，实现地面信号接收终端在短时隙突发信号条件下，也能捕获到高精度的通导一体信号，从而保证后续解算定位精度、1PPS授时精度高。

本发明提出在低轨卫星播发融合导航信号的场景下，卫星载荷端播发通导一体信号和独立频点导航信号，地面接收终端同时接收通导一体信号和独立频点导航信号，并利用独立频点导航信号测量出通导一体信号所需精度的多普勒信息，同时输出高精度1PPS同步信号，并传递给通导一体导航信号进行处理。

本发明通过下述技术方案实现：

一种获取通导一体低轨卫星高精度信号的方法，包括以下步骤：

步骤1：接收同颗低轨卫星播发的独立导航频点信号和通导一体频点信号；

步骤2：对所述独立导航频点信号进行处理，得到高精度载波多普勒频偏测量值和码相位测量值；

步骤3：对所述通导一体频点信号进行处理，得到载波多普勒频偏精估计值；

步骤4：将所述高精度载波多普勒频偏测量值与所述多普勒频偏精估计值进行精度比较，挑选出最优多普勒频偏估计值；

步骤5：利用所述最优多普勒频偏估计值补偿所述载波多普勒频偏精估计值，得到补偿信号；

步骤6：对所述补偿信号与本地标称信号进行快速载波同步，得到同步信号；

步骤7：对所述同步信号进行解调，得到高精度通导一体卫星信号和符号数据。

本发明相对于现有技术，其发明点在于：提出一种低轨星播发融合导航信号的场景下，通过步骤1，同时接收卫星载荷端播发通导一体信号和独立频点导航信号；由于同颗卫星载荷时钟同源，且独立导航信号频率高，不受其他信号的干扰，因此，当通导一体信号和独立导航信号经相同传输路径到达地面时，地面接收终端可先对接收到的独立导航信号按照步骤2的方式进行处理，目的在于获取高精度载波多普勒测量值并输出高精度1PPS同步信号，进而利用该高精度载波多普勒测量值和高精度1PPS同步信号，进一步参与对通导一体信号及后续的频偏补偿、解调等过程中，以此辅助地面接收终端获得高精度的通导一体卫星信号。采用本发明的方式对接收到的导一体信号进行处理，最终得到的数据信号精度相比利用现有技术得到的数据信号精度更高。

作为对本发明的进一步描述，步骤2中，对独立导航频点信号进行处理的方法包括：

对所述独立导航频点信号进行射频处理，得到独立导航数字中频信号；

对所述独立导航数字中频信号依次进行抗干扰处理、下变频处理、滤波处理和降采样处理，得独基带预处理数据；

对所述基带预处理数据进行短时匹配滤波处理、相干处理、非相干处理和FFT处理，得到频率搜索数据和伪码相位数据；

对所述频率搜索数据进行捕获，得到粗估计载波频率；对所述伪码相位数据进行捕获，得到伪码相位；

对所述粗估计载波频率转入载波环路进行跟踪处理，得到高精度载波多普勒测量值和相位测量值；

对所述伪码相位进行伪码环路跟踪，得到码相位测量值。

作为对本发明的进一步描述，步骤3中，对通导一体频点信号进行处理的方法包括：

对所述通导一体频点信号进行射频处理，得到数字中频信号；

通过FFT计算，对所述数字中频信号进行多普勒频偏估计，得到多普勒频偏粗估计值；

利用所述多普勒频偏粗估计值补偿所述数字中频信号，并依次进行下变频处理、CIC滤波处理、降采样处理和半带滤波处理，得到通导一体标称粗补偿数据；

对所述通导一体标称粗补偿数据进行同步头捕获，获取频率估计值和相位估计值；

利用所述频率估计值和相位估计值进行符号同步，得到符号帧同步数据；

利用所述符号帧同步数据的头部数据进行二次多普勒频偏估计，得到二次多普勒频偏估计值；

对所述二次多普勒频偏估计值进行多普勒频偏补偿，得到多普勒频偏精估计值。

作为对本发明的进一步改进，在步骤6之前，对所述码相位测量值进行bit同步、帧同步和钟差修正，得到UTC时间和1PPS同步信号。

作为对本发明的进一步描述，步骤6中，所述同步标称精补偿值的获取方法为：利用所述UTC时间和1PPS同步信号对所述标称精补偿值进行载波相位同步。

一种获取通导一体低轨卫星高精度信号的系统，包括：

信号接收模块，用于接收低轨卫星信号；

信号处理模块，用于对接收到的低轨卫星信号进行处理，得到高精度载波多普勒频偏测量值、码相位测量值和载波多普勒频偏精估计值；

精度比较模块，用于将所述高精度载波多普勒频偏测量值与多普勒频偏精估计值进行精度比较，挑选出最优多普勒频偏估计值；

数据补偿模块，用于对载波多普勒频偏精估计值进行补偿，得到补偿信号

载波同步模块，用于对补偿信号与本地标称信号进行快速载波同步，得到载波同步信号；

符号同步模块，用于对通导一体频点信号进行符号同步，得到符号同步信号；

伪码跟踪模块，用于对独立导航频点信号进行伪码同步，得到伪码同步信号；

数据解调模块，用于对所述同步信号进行解调，得到高精度通导一体卫星信号和符号数据。

作为对本发明的进一步描述，信号接收模块，包括独立导航信号接收单元和通导一体信号接收单元；所述独立导航信号接收单元，用于接收低轨卫星播发的独立导航频点信号；所述通导一体信号接收单元，用于接收低轨卫星播发的通导一体频点信号。

作为对本发明的进一步描述，信号处理模块，包括：

独立导航信号处理单元和通导一体信号处理单元。其中，

独立导航信号处理单元，用于对接收到的独立导航频点信号进行处理，得到高精度载波多普勒测量值和码相位测量值；

通导一体信号处理单元，用于对接收到的通导一体频点信号进行处理，得到多普勒频偏精估计值。

作为对本发明的进一步描述，独立导航信号处理单元包括：

独立导航射频处理子单元，用于对独立导航频点信号进行射频处理，得到独立导航数字中频信号；

独立导航预处理子单元：用于对所述独立导航数字中频信号依次进行抗干扰处理、下变频处理、滤波处理和降采样处理，得独基带预处理数据；

基带数据预处理子单元：用于对所述基带预处理数据进行短时匹配滤波处理、相干处理、非相干处理和FFT处理，得到频率搜索数据和伪码相位数据；

信号捕获子单元，用于对对所述频率搜索数据进行捕获，得到粗估计载波频率；对所述伪码相位数据进行捕获，得到伪码相位；

载波频率子单元，用于对所述粗估计载波频率转入载波环路进行跟踪处理，得到高精度载波多普勒测量值和相位测量值；

码环路跟踪子单元，用于对所述伪码相位进行伪码环路跟踪，得到码相位测量值。

作为对本发明的进一步描述，通导一体信号处理单元，包括：

通导一体射频处理子单元，用于对通导一体频点信号进行射频处理，得到数字中频信号；

第一频偏估计子单元，用于通过FFT计算，对所述数字中频信号进行多普勒频偏估计，得到多普勒频偏粗估计值；

通导一体频偏补偿子单元，用于利用所述多普勒频偏粗估计值补偿所述数字中频信号，并依次进行下变频、CIC滤波、降频抽取和半带滤波，得到通导一体标称粗补偿数据；

同步头捕获子单元，用于对所述通导一体标称粗补偿数据进行同步头捕获，获取频率估计值和相位估计值；

符号同步子单元，用于利用所述频率估计值和相位估计值进行符号同步，得到符号帧同步数据；

第二偏估计子单元，利用所述符号帧同步数据的头部数据进行二次多普勒频偏估计，得到二次多普勒频偏估计值；

通导一体精频偏补偿子单元，对所述二次多普勒频偏估计值进行多普勒频偏补偿，得到多普勒频偏精估计值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明在短时隙播发的导航信号条件下也能捕获到高精度的通导一体信号。

2.本发明在短时隙播发的导航信号条件下获得1Hz以内的多普勒测量精度。

3.本发明在短时隙播发的导航信号条件下能输出高精度1PPS同步信号。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为通导一体低轨卫星高精度数据信号获取方法工作流程框图。

图2为载波多普勒频偏粗估计原理框图。

图3为频偏补偿原理框图。

图4为CIC滤波器原理框图。

图5为半带滤波器幅度响应曲线示意图。

图6为同步头捕获原理框图。

图7为符号同步原理框图。

图8为频偏精确估计原理框图。

图9为相位估计补偿原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本发明一种获取通导一体低轨卫星高精度信号的方法及系统的第一种实施方式如图1和所示，在低轨卫星播发融合导航信号的场景下，卫星载荷端播发通导一体信号和独立频点导航信号，地面信号接收终端利用双模多频天线接收通导一体频点信号和独立导航频点信号。

对接收到的通导一体频点信号进行射频处理，例如对通导一体信号进行对应频点信号的下变频、滤波和AD采样处理，获得通导一体数字中频采集数据，同时将获得的数字中频采集数据发送给信号处理模块；同样，对接收到的独立导航频点信号进行射频处理(和对通导一体频点信号进行射频处理的方法相同)，获得独立导航数字中频采集数据，并将得到的独立导航数字中频采集数据发送给信号处理模块进行处理。具体过程如下：

对于独立导航数字中频信号，信号处理模块中的独立导航信号处理单元首先对接收到的独立导航数字中频采集信号进行预处理，例如对独立导航数字中频信号依次进行抗干扰处理、下变频处理、滤波处理和降采样处理，得独基带预处理数据。随后，对基带预处理数据进行短时匹配滤波处理、相干处理、非相干处理和FFT处理，得到频率搜索数据和伪码相位数据。接下来，对频率搜索数据进行捕获，得到粗估计载波频率，对伪码相位数据进行捕获，得到伪码相位，并粗估计载波频率转入载波环路进行跟踪处理，得到高精度载波多普勒测量值和相位测量值。最后，将获得的高精度载波多普勒测量值存入存储器中。

对于通导一体数字中频信号，信号处理模块中的第一频偏估计子单元对接收到的通导一体数字中频采集数据进行多普勒频偏估计，获取多普勒频偏粗估计值。如图2所示，首先对接收到的通导一体数字中频采集数据进行傅里叶变换，得到一个频谱幅度数据集合，然后从该频偏幅度数据集合中寻找出频偏幅度最大值。随后，将该频偏幅度最大值与门限值进行比较，当该频偏幅度最大值大于门限值时，则选择出频偏幅度最大值对应的频点，由此得到多普勒频偏粗估计值。

然后，对得到的多普勒频偏粗估计值依次进行频偏补偿、CIC滤波、降频抽取和半带滤波，得到通导一体标称粗补偿数据。如图3所示，在进行频偏补偿时，根据得到的多普勒频偏粗估计值设计出数字频率综合器，利用该数字频率综合器产生补偿因子，然后利用补偿因子与通导一体数字中频信号进行复数相乘，得出频偏粗补偿值；如图4所示，选择三级CIC滤波器对获得的频偏粗补偿值进行滤波，延迟单位为1个时钟周期。随后，对经过CIC滤波器滤波后的数据进行降采样，同时利用半带滤波器进行滤波得到多普勒频偏粗估计值。半带滤波器幅度响应曲线如图5所示。

随后，对获得的通导一体标称粗补偿数据进行同步头捕获，获取所述通导一体标称粗补偿数据的频率估计值和相位估计值，如图6所示。以通导一体标称粗补偿数据的头部数据对应的bit作为同步头，将半带滤波器输出的数据滑窗与该同步头相关联，并进行离散傅里叶变换，找到频点数据的最大值，存入存储器中。当对所有粗补偿数据完成捕获处理后，找到存储器中最大值即捕获结束。

接下来，利用获得的频率估计值和相位估计值进行符号同步，获取符号帧同步数据。符号同步的原理为：匹配滤波器输出的数据经可变延迟的Farrow滤波器处理，得到同步于发射时钟的数据，可变延迟根据NCO当前的相位确定；在NCO溢出时刻(即t±Ts/2+τ时刻)对Farrow滤波器输出进行采样，送入移位寄存器，得到早门、迟门和即时门时刻的数据；采用早-迟法计算时钟偏斜误差，将其进行多次平滑滤波后送入二阶环路滤波器进行滤波，与初始频率控制字相加后反馈回NCO。如图7所示，符号同步采用早-迟门定时环，对匹配滤波器输出的n倍符号速率数据处理，校正收发时钟偏斜，最终获得符号同步帧数据。

下一步，按照如图8所示的频偏精估计原理框图，利用符号帧同步数据的头部数据进行二次多普勒频偏估计，得到二次多普勒频偏估计值，并对所述二次多普勒频偏估计值进行多普勒频偏补偿，得到多普勒频偏精估计值。同时，将步骤3中的存储器中暂存的高精度载波多普勒测量值发送给通导一体信号处理单元，当通导一体信号处理单元接收到高精度载波多普勒测量值时，将高精度载波多普勒测量值与多普勒频偏精估计值进行精度比较，选择出最优多普勒频偏估计值。

下一步，对得到的最优多普勒频偏估计值进行频偏补偿和相位补偿，得到标称精补偿值。

最后，对标称精补偿值进行载波相位同步，得到同步标称精补偿值，并对同步标称精补偿值进行解调，得到高精度通导一体卫星信号。如图9所示，载波同步采用数字锁相环实现载波相位本地恢复，其工作原理为：相位补偿后的符号数据与本地恢复的载波信号相乘，进入QPSK相位鉴别器计算输入信号与本地信号的相位误差，经二阶环路滤波器滤波后，与初始频率控制字相加后反馈回NCO。

实施例2：

本发明一种获取通导一体低轨卫星高精度信号的方法及系统的第二种实施方式，包括：

信号接收模块，用于接收低轨卫星信号；

信号处理模块，用于对接收到的低轨卫星信号进行处理，得到高精度载波多普勒频偏测量值、码相位测量值和载波多普勒频偏精估计值；

精度比较模块，用于将所述高精度载波多普勒频偏测量值与多普勒频偏精估计值进行精度比较，挑选出最优多普勒频偏估计值；

数据补偿模块，用于对载波多普勒频偏精估计值进行补偿，得到补偿信号

载波同步模块，用于对补偿信号与本地标称信号进行快速载波同步，得到载波同步信号；

符号同步模块，用于对通导一体频点信号进行符号同步，得到符号同步信号；

伪码跟踪模块，用于对独立导航频点信号进行伪码同步，得到伪码同步信号；

数据解调模块，用于对所述同步信号进行解调，得到高精度通导一体卫星信号和符号数据。

其中，信号接收模块，包括独立导航信号接收单元和通导一体信号接收单元；独立导航信号接收单元，用于接收低轨卫星播发的独立导航频点信号；通导一体信号接收单元，用于接收低轨卫星播发的通导一体频点信号。

其中，

信号处理模块，包括独立导航信号处理单元和通导一体信号处理单元；独立导航信号处理单元，用于对接收到的独立导航频点信号进行处理，得到高精度载波多普勒测量值和码相位测量值；通导一体信号处理单元，用于对接收到的通导一体频点信号进行处理，得到多普勒频偏精估计值。

独立导航射频处理子单元，用于对独立导航频点信号进行射频处理，得到独立导航数字中频信号；

独立导航预处理子单元：用于对所述独立导航数字中频信号依次进行抗干扰处理、下变频处理、滤波处理和降采样处理，得独基带预处理数据；

基带数据预处理子单元：用于对所述基带预处理数据进行短时匹配滤波处理、相干处理、非相干处理和FFT处理，得到频率搜索数据和伪码相位数据；

信号捕获子单元，用于对对所述频率搜索数据进行捕获，得到粗估计载波频率；对所述伪码相位数据进行捕获，得到伪码相位；

载波频率子单元，用于对所述粗估计载波频率转入载波环路进行跟踪处理，得到高精度载波多普勒测量值和相位测量值；

码环路跟踪子单元，用于对所述伪码相位进行伪码环路跟踪，得到码相位测量值。；

通导一体信号处理单元，还包括通导一体射频处理子单元，用于对通导一体频点信号进行射频处理，得到数字中频信号；

第一频偏估计子单元，用于通过FFT计算，对所述数字中频信号进行多普勒频偏估计，得到多普勒频偏粗估计值；

通导一体频偏补偿子单元，用于利用所述多普勒频偏粗估计值补偿所述数字中频信号，并依次进行下变频、CIC滤波、降频抽取和半带滤波，得到通导一体标称粗补偿数据；

同步头捕获子单元，用于对所述通导一体标称粗补偿数据进行同步头捕获，获取频率估计值和相位估计值；

符号同步子单元，用于利用所述频率估计值和相位估计值进行符号同步，得到符号帧同步数据；

第二偏估计子单元，利用所述符号帧同步数据的头部数据进行二次多普勒频偏估计，得到二次多普勒频偏估计值；

通导一体精频偏补偿子单元，对所述二次多普勒频偏估计值进行多普勒频偏补偿，得到多普勒频偏精估计值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。