[发明专利]一种卫星导航数字基带信号的精密延迟实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航及仿真技术领域，更具体的说是一种卫星导航数字基带信号的精密延迟实现方法。

背景技术

利用卫星进行导航定位的基本原理是：地面接收机测量相对于四颗卫星的实际距离，构成一个空间几何方程，再根据卫星星历中的卫星坐标求解接收机所在位置的空间坐标。距离误差是最终定位误差的主要来源。实际定位过程中，卫星和接收机之间存在着相对运动，导致卫星和接收机之间的距离在不断变化，由于电磁波以光速传播，这种距离变化就会导致电磁波的传播时间变化。从接收机的角度看，接收信号是一个以卫星时钟基准为参考、延迟量在不断变化的信号，不同卫星信号到达接收机的延迟量皆不同。除了卫星和接收机之间的相对运动引起的信号延迟外，电离层和对流层都会对卫星导航信号的传播带来额外延迟量。

在卫星导航信号模拟器中，当卫星数字基带信号产生后，一个重要的工作就是实现该信号的延迟。信号发生器的时延控制常用以下三种方法实现：

(1)模拟时延控制

模拟时延控制的技术原理是基于当一个信号通过一个滤波器时，必将产生一定的群时延。因此可以让信号发生器产生的信号通过若干个模拟滤波器来实现时延控制，但是这种方法中模拟滤波器时延受到包括温度等外界的影响极大，精度也不高。

(2)NCO时延控制

NCO时延控制方法采用基于码NCO(Numerical Controlled Oscillator，数控振荡器)的DDS技术。NCO方法通过控制码NCO的周期和相位来模拟多普勒引起的伪距、伪距率变化的原理跟一般直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDFS)类似，只是输出是具有方波波形的码钟。码DDS无需查找幅度表，而是将码元相位累加器值与设定进位值进行比较，当大于此值时，NCO输出高电平；反之则输出低电平，以此作为伪随机码发生器的时钟基准。其主要参数包括频率控制字、相位控制字。NCO方法存在以下三个问题：

A.初始相位控制精度受NCO工作时钟频率限制，致使伪距控制精度降低，零值不确定度增大；

B.NCO方法实现的时延是一个时间平均的结果，其不能实现单个伪码或小时间片断的精确时延，即不能够精确实时反映出信号时延的变化；

C.由于码NCO的相位截断效应引起杂散效应，导致伪码相位抖动恶化，信号质量下降。

(3)数字延迟滤波器

采用数字延迟滤波器具有延迟精度可控，可以实现单个伪码的精确时延。但卫星导航信号模拟器中信号延迟量(即伪距)变化范围大，且精度要求高。如GPS导航信号模拟器中伪距要求为26000000.02米，变化速度可达数百米每秒。单个数字延迟滤波器的延迟量固定，无法适应卫星导航信号模拟器伪距急剧的变化的需求。而实时设计数字延迟滤波器运算量大，无法满足信号实时仿真的需求。

发明内容

针对现有技术，本发明提供了一种卫星导航数字基带信号的精密延迟方法。

本发明的技术方案为：导航信号模拟器首先产生卫星导航信号的数字基带部分和伪距。伪距被分解为大数延迟和小数延迟，大数延迟通过多个整时钟周期的延迟来实现，小数延迟则通过数字延迟处理来实现。数字基带信号产生后，先进行大数延迟，再进行小数延迟，最终实现给定伪距延迟。

数字延迟处理包括数据插值、数字延迟滤波和抽选过程。小数延迟信号在数据插值后进行反镜像滤波，抽选前进行抗混叠滤波。

数字延迟滤波器的参数是预先设计好的，存储在存储器中，系统运行时读出放在内存中，直接与数字信号进行时域乘法。预先设计了多组数字延迟滤波器，每组数字延迟滤波器对应一个延迟量和唯一的地址。根据小数值获得延迟滤波器的地址，再读取延迟滤波器的参数。

将伪距拆分为大数延迟和小数延迟两个部分。大数延迟为时钟周期的整数倍，通过多个整时钟周期来实现，通过执行程序实现整时钟周期的延迟。小数延迟为时钟周期的小数倍，通过数字延迟滤波器组来实现。经过延迟后的信号通过上变频调制到卫星载波频率，产生卫星导航模拟射频信号。

每个滤波器组都具有一个唯一的地址，该地址对应一个标定的延迟量范围，当小数延迟量位于标定延迟量范围之内，则通过地址可获得与该标定延迟量对应的滤波器。

数字延迟处理过程如图2所示，包含以下过程：

过程1：插值