[发明专利]一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法

说明书

本发明提供了一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，每颗卫星的导航信号基准信号采用两段符号持续时间相同、频谱宽度相同但调频率完全相反的Chirp信号拼接而成，其中每一段Chirp信号又是由两段调频率相同但起始频率不同的Chirp信号拼接而成；对每颗卫星的基准信号进行伪随机相位调制；将编码后的导航电文调制到所设计的伪随机Chirp信号上，得到卫星导航信号。该方法兼具大多普勒容限、多址接入特性和物理层安全性，可从根本上将接收机捕获过程降维成时域一维搜索，缩短捕获时间，同时提升接收机的动态应力，满足高动态条件下的载波相位估计要求，适用于卫星导航系统、伪卫星定位辅助系统、室内定位系统等领域。

技术领域

本发明属于导航信号设计领域，涉及一种利用Chirp信号来设计卫星导航信号的方法。

背景技术

传统直接序列扩频体制的卫星导航接收机在高动态环境下需要经过长时间的伪码-频偏二维搜索才能捕获到导航信号。即使采用主流的部分匹配滤波和频域FFT相结合的技术来实现码相位和部分频率单元的并行搜索，单颗卫星的捕获时间仍然远高于其时域搜索长度，接收机首次定位时间甚至达到分钟级。此外，为了获得厘米、分米级的定位信息，卫星接收机需要测得准确的导航信号载波相位。但是，传统直扩信号的伪码-频偏敏感性会导致接收机跟踪环路的噪声功率和失锁概率随着载体动态的提升而大幅提高，进而引起载波相位整周计数的跳变，使接收机无法估计准确的载波相位。

Chirp信号是一种频率线性时变的信号，具有恒包络、高时宽带宽积(即信号持续时间与信号带宽的乘积)、大多普勒容限以及时延-频偏线性耦合的特性。受益于上述特点，Chirp信号已经在超宽带通信与测距、广域物联网(LoRa)以及水声通信等领域获得了广泛的应用。将Chirp信号用于卫星导航系统，那么接收机就可以利用其大多普勒容限和时延-频偏线性耦合的特性将捕获过程简化为时域一维搜索，进而减少捕获时间、减少硬件资源消耗，并能利用其匹配滤波输出在高动态下实现稳定、准确的载波相位估计。

将Chirp信号应用于卫星导航系统尚面临以下技术挑战：(1)Chirp信号并不具有与直扩信号相匹配的多址接入特性，难以满足接收机同时接收多颗卫星导航信号进行定位解算的要求；(2)Chirp信号时频特征简单，难以阻止非法用户截获加密导航电文或对载体实施欺骗式干扰。专利“一种利用Chirp信号生成卫星导航信号的系统及方法”针对该问题提出了一种解决方案，该方法直接利用伪随机序列在时域对Chirp信号进行调制，所得到的导航信号多普勒容限取决于伪随机序列的码片宽带，在利用伪随机序列增强Chirp信号多址特性的同时，也使得Chirp信号大多普勒容限的优势消失，在多普勒频偏较大时，仍然需要消耗大量时间和硬件资源对伪码进行精确搜索，同时在高动态条件下，码多普勒效应会导致该方法所提信号的失锁概率大幅提升。

发明内容

针对现有技术中存在的导航信号捕获时间长、高动态条件下载波相位不准确等技术问题，本发明提出了一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，通过伪随机相位调制、相反调频率Chirp信号的时域拼接以及导航电文的物理层安全编码等手段，使得所设计的卫星导航信号兼具大多普勒容限、多址接入特性和物理层安全性，从根本上将导航信号的捕获过程降维成时域一维搜索，降低捕获时间，提升导航信号动态应力，满足高动态条件下的载波相位估计要求。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种基于伪随机Chirp的卫星导航信号设计方法，包括如下步骤：

S1、采用两段符号持续时间相同、频谱宽度相同但调频率完全相反的Chirp信号拼接得到卫星k的基函数s_k(t)，每一段Chirp信号由两段调频率相同但起始频率不同的Chirp信号拼接而成；

S2、对基函数s_k(t)进行伪随机相位调制得到伪随机相位调制基函数s′_k(t)；

S3、对卫星导航电文数据进行编码；