一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，通过对信号进行合理采样和分析，实现对多分量卫星导航信号的各分量间载波相位关系的检测，不仅能检测QPSK卫星导航信号，还可以检测CBOC、AltBOC、TD‑AltBOC、Interplex、CASM、POCET等复杂调制、复合方式的信号，包括含异频信号分量的信号。通过开环解调和高精度度码相位、载波相位估计，能够满足对导航信号模拟源、导航卫星有效载荷等设备实现正确性和精度检测的要求。
1.一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，其特征在于步骤如下：(1)采集导航信号：与导航信号生成源同源采集导航信号并进行存储，如不能同源，则采集后剥离多普勒影响；
(2)选取最易获得起始时间信息的信号分量作为引导信号，通过频域搜索的方式初步确定该信号载波相位和码相位，之后再进行时域搜索，获取引导信号最终的码相位和载波相位；
(3)移动数据读取指针至码相位起始处，开环解调数据，获取该频点所有信号的共同的起始时间信息；
(5)根据步骤(4)中生成的所有信号分量伪码，连续读取数据，计算信号分量最终的载波相位值并记录；
(6)各路信号分量进行开环解调，剥离各级编码，得到帧头或电文，判明电文翻转状态；
(7)载波相位校正，利用步骤(6)中的电文翻转状态校正步骤(5)中的载波相位统计值，从而得到各分量间载波相位关系；
步骤(1)中采集导航信号时，采集时间大于帧长，采样ADC位数大于等于8bit，采样速率的范围通过如下方式确定：(2.1)导航信号频率为L波段的X1：1575.42MHz±BW1，X2：1191.795MHz±BW2，X3：
1268.52MHz±BW3，其中，BW1、BW2和BW3均为单边带宽，BW1>20.46MHz，BW2>35MHz，BW3>
(2.2)根据(2.1)中选定的导航信号频率和带宽，先依带通采样定理确定每个频点不混叠采样频率范围，再选取重叠部分；
(2.3)根据下表确定导航信号的频谱和相位翻转状态以及采样速率范围：表1相位翻转与采样频率选择
其中频谱和相位翻转中的1表示未翻转、-1表示翻转。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中进行频域搜索时，根据步骤(1)中相位翻转状态设置本地载波频率符号，当该采样速率下信号频谱和相位翻转为-1时，本地信号中心频率符号取反。
3.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中进行时域搜索具体为：(4.1)设定粗略初相为φ0，初始搜索范围为φ±0.1，搜索步长为0.01rad；
(4.2)将移动和采样的本地码与剥离载波的信号进行相关，求取最大值处的载波相位φ1；
(4.3)以φ1为初相，搜索范围为φ±0.01，搜索步长为0.001rad；
(4.4)迭代执行步骤(4.2)～(4.3)，直至载波相位搜索时码相关最大值大于等于两个，结束迭代，此时求出的最大值处的载波相位即为引导信号最终的载波相位。
4.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，其特征在于：所述步骤(3)开环解调数据，通过以下方法实现：(5.1)偏移数据文件起点使数据从码相位起点开始读取，以一个数据bit或者子码bit的时间作为固定的积分时间，根据所述固定的积分时间进行数据读取并利用载波相位进行相关运算，提取相关峰的符号；
(5.2)在相关峰符号基础上搜索子码相位，剥离子码并进行子帧同步，获取该频点所有信号的共同的起始时间信息。
5.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，其特征在于：所述步骤(5)通过以下方法实现：
1)当信号分量伪码相位存在超过1个样点的以上偏差时，将计算载波相位的位置选在一个样点处；
2)本地生成完整的恒包络基带信号，以恒包络基带合路信号作为整体的一个伪码与信号进行相关，求取该合路信号伪码相位，以此相位位置作为计算载波相位的时刻；
3)根据步骤2)中得到的计算载波相位的时刻作为起始时间信息，通过频域搜索的方式初步确定信号载波相位和码相位；
4)再进行时域搜索，获取信号最终的码相位和载波相位，从而得到信号最终的载波相位记录值。
6.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，其特征在于：步骤(7)所述的载波相位校正，利用步骤(6)电文翻转状态结果校正步骤(5)中的载波相位统计值，以下表为准进行校正：表2校正表
若载波相位计算值 大于2*π，则减去2*π后为最终的载波相位计算值。
一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，属于卫星导航技术领域。
背景技术
[0002] 在导航卫星信号中，为满足不同服务需求，每个频点上加载了多个信号分量。例如最早的GPS L1上为C/A码和P码信号，为QPSK调制复合方式，只有两路信号分量，而现代化后的GPS L1上有C/A、P、M、L1C四路信号，Galileo系统、BDS等很多频点上信号分量都多于三路，并使用了Interplex、CASM、POCET等较为复杂的调制复合方式。
[0003] 目前，可以通过以下方法来进行导航信号载波相位关系的检测：
[0004] 方法1，矢量信号分析仪；
[0005] 方法2，接收机跟踪；
[0006] 然而，上述方法存在如下问题：
[0007] (1)方法1使用通用仪器，这种方法仅能对QPSK、8PSK等标准数字调制信号的载波相位关系的正交性等给出结果。而调制复合方式复杂的卫星导航无法给出结果。
[0008] (2)方法2是较常用的导航信号载波相位检测方法，但是闭环跟踪接收机仅能给出正交、翻转等信息，无法给出复杂的诸如AltBOC这种含有异频分量的卫星导航信号载波相位关系。
发明内容
[0009] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测的方法，可以准确判明多分量卫星导航信号的同频和异频分量载波相位相对关系。
[0010] 本发明的技术解决方案是：
[0011] 一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法，步骤如下：
[0012] (1)采集导航信号：与导航信号生成源同源采集导航信号并进行存储，如不能同源，则采集后剥离多普勒影响；
[0013] (2)选取最易获得起始时间信息的信号分量作为引导信号，通过频域搜索的方式初步确定该信号载波相位和码相位，之后再进行时域搜索，获取引导信号最终的码相位和载波相位；
[0014] (3)移动数据读取指针至码相位起始处，开环解调数据，获取该频点所有信号的共同的起始时间信息；
[0015] (4)利用所述起始时间信息生成所有信号分量伪码；
[0016] (5)根据步骤(4)中生成的所有信号分量伪码，计算信号最终的载波相位记录值；
[0017] (6)各路信号分量进行开环解调，剥离各级编码，得到帧头或电文，判明电文翻转状态；
[0018] (7)载波相位校正，利用步骤(6)中的电文翻转状态校正步骤(5)中的载波相位统计值，从而得到各分量间载波相位关系。
[0019] 步骤(1)中采集导航信号时，采集时间大于帧长，采样ADC位数大于等于8bit，采样速率的范围通过如下方式确定：
[0020] (2.1)导航信号频率为L波段的X1：1575.42MHz±BW1，X2：1191.795MHz±BW2，X3：1268.52MHz±BW3，其中，BW1、BW2和BW3均为单边带宽，BW1>20.46MHz，BW2>35MHz，BW3>
20.46MHz；
[0021] (2.2)根据(2.1)中选定的导航信号频率和带宽，先依带通采样定理确定每个频点不混叠采样频率范围，再选取重叠部分；
[0022] (2.3)根据下表确定导航信号的频谱和相位翻转状态以及采样速率范围：
[0023] 表1相位翻转与采样频率选择
[0024]
[0025]
[0026] 其中频谱和相位翻转中的1表示未翻转、-1表示翻转。
[0027] 所述步骤(2)中进行频域搜索时，根据步骤(1)中相位翻转状态设置本地载波频率符号，当该采样速率下信号频谱和相位翻转为-1时，本地信号中心频率符号取反。
[0028] 所述步骤(2)中进行时域搜索具体为：
[0029] (4.1)设定粗略初相为φ0，初始搜索范围为φ±0.1，搜索步长为0.01rad；
[0030] (4.2)将移动和采样的本地码与剥离载波的信号进行相关，求取最大值处的载波相位φ1；
[0031] (4.3)以φ1为初相，搜索范围为φ±0.01，搜索步长为0.001rad；
[0032] (4.4)迭代执行步骤(4.2)～(4.3)，直至载波相位搜索时码相关最大值大于等于两个，结束迭代，此时求出的最大值处的载波相位即为引导信号最终的载波相位。
[0033] 所述步骤(3)开环解调数据，通过以下方法实现：
[0034] (5.1)偏移数据文件起点使数据从码相位起点开始读取，以一个数据bit或者子码bit的时间作为固定的积分时间，根据所述固定的积分时间进行数据读取并利用载波相位进行相关运算，提取相关峰的符号；
[0035] (5.2)在相关峰符号基础上搜索子码相位，剥离子码并进行子帧同步，获取该频点所有信号的共同的起始时间信息。
[0036] 所述步骤(5)通过以下方法实现：
[0037] 1)当信号分量伪码相位存在超过1个样点的以上偏差时，将计算载波相位的位置选在一个样点处；
[0038] 2)本地生成完整的恒包络基带信号，以恒包络基带信号作为整体的一个伪码与信号进行相关，求取该合路信号伪码相位，以此相位位置作为计算载波相位的时刻；
[0039] 3)根据步骤2)中得到的计算载波相位的时刻作为起始时间信息，通过频域搜索的方式初步确定信号载波相位和码相位；
[0040] 4)再进行时域搜索，获取信号最终的码相位和载波相位，从而得到信号最终的载波相位记录值。
[0041] 步骤(7)所述的载波相位校正，利用步骤(6)电文翻转状态结果校正步骤(5)中的载波相位统计值，以下表为准进行校正：
[0042] 表2校正表
[0043]
[0044] 若载波相位计算值 大于2*π，则减去2*π后为最终的载波相位计算值。
[0045] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0046] (1)
[0047] 本发明考虑了因采集、变频造成的相位翻转对载波相位的影响，规定了导航信号该种性能检测时必需的采样频率的取值范围；通过明确频谱内容和相位翻转情况，可以准确给出载波相位关系符号。
[0048] (2)本发明可以检测含长码信号分量的导航信号，包括因二级编码引入的长时间周期码信号分量。通过解调引导信号，可以通过较短时间的采集数据得到电文翻转状态。
[0049] (3)本发明可以对含异频信号分量的导航信号各分量间载波相位关系进行检测，包括AltBOC信号以及对频间信号时延有约束的多频段信号。
[0050] (4)本发明对载波相位评估精度较高，可达固定积分时间和采样频率下的极限。
附图说明
[0051] 图1为本发明卫星导航信号各分量间载波相位关系检测方法流程图；
[0052] 图2为码相位和载波相位粗搜索即频域搜索信号流图；
[0053] 图3为精细码相位搜索示意图；
[0054] 图4为信号分量相关峰不在一处的情况示意图；
[0055] 图5为GPS L1信号分量载波相位关系仿真示意图；
具体实施方式
[0056] 本发明提供了一种卫星导航信号各分量间载波相位关系检测的方法，可以准确判明多分量卫星导航信号的同频和异频分量载波相位相对关系。当代BDS、GPS、Galileo系统、GLONASS、QZSS卫星导航系统及导航信号模拟源生成的导航信号都具有一个特点：一个码周期对应整数个载波周期。这也是这种检测方法应用的基本条件。
[0057] 如图1所示，本发明提供的载波相位关系检测方法包括以下步骤：
[0058] (1)导航信号采集、存储。
[0059] 与导航信号生成源同源采集导航信号并进行存储，如不能同源，需要采集后剥离多普勒影响；采集时间大于帧长；采样ADC位数大于等于8bit，采样速率由信号中心频率、带宽决定，采样速率的范围通过如下三个小步骤实现：
[0060] ①导航信号频率和带宽选定。GPS、Galileo系统、GLONASS、QZSS、RNSS主要为L波段的1575.42MHz±BW1(以X1表示，BW1为其单边带宽)、1191.795MHz±BW2(以X2表示，BW2为其单边带宽)、1268.52MHz±BW3(以X3表示，BW3为其单边带宽)，每个频点信号带宽都在80MHz以内。考虑到调制方式并留有一定余量，BW1>20.46MHz，BW2>35MHz，BW3>20.46MHz。
[0061] ②不混叠采样频率选定。根据①中选定的导航信号频率和带宽，先依带通采样定理确定每个频点不混叠采样频率范围，再选取重叠部分。
[0062] ③翻转状态确定。采样频率选取范围确定后，对于位于第1、3、5、7…等奇次奈奎斯特区域的信号，信号上下边带频谱内容和载波相位不会发生翻转。对于位于第2、4、6、8…等偶次奈奎斯特区域的信号，信号上下边带频谱内容和载波相位会发生翻转。对得到采样频率选取范围、对应频谱和相位翻转状态如下表所示。其中频谱和相位翻转的1表示未翻转、-1表示翻转，表中同时给出了采样频率选择的典型值。
[0063] 表1相位翻转与采样频率选择
[0064]
[0065] 实际中根据硬件条件选取尽可能高的采样频率，且采样频率不能为码速率、副载波速率的整数倍。
[0066] (2)引导信号码相位、载波相位搜索。选取最易获得起始时间信息的信号分量作为引导信号，一般可以选择短周期民码信号，这些信号周期较短，容易捕获和解调电文，如GPS L1C/A码信号、BDS B1I信号。使用频域粗略搜索该信号载波相位和码相位，之后在时域精细搜索，获取精确的码相位和载波相位。
[0067] 首先使用频域方法粗搜索码相位和载波相位，如图2所示。该步码相位搜索精度到达样点级。此步需要根据步骤(1)中翻转状态设置本地载波频率符号。当(1)中该采样频率下信号频谱和相位翻转为-1时，本地信号中心频率符号取反。
[0068] 粗搜索后进行细搜索，如图3所示。码相位精细搜索：以实际数据采样率对本地码进行移动和采样，获取多组移动后的采样值，使用非相干积分与实际数据进行相关，获取精细码相位。精度与采样频率、码速率、积分时间有关，这三个参数越大，分析精度越高。该步码相位搜索精度可达样点以下。
[0069] 载波相位再搜索。导航信号分量众多，剥离伪码之后也无法提取载波。该处在粗搜索得到载波相位和精确码相位基础上迭代精细搜索载波相位。
[0070] 1)设定粗略初相φ0(rad)(已知)，设定初始搜索范围φ±0.1(rad)，搜索步长0.01rad。
[0071] 2)经精确移动和采样的本地码与剥离载波的信号进行相关，求取最大值处的载波相位φ1。
[0072] 3)以φ1为初相，搜索范围φ±0.01(rad)，搜索步长0.001rad
[0073] 4)以2)、3)迭代，直至载波相位搜索时码相关最大值大于等于两个，此时到达搜索极限，若再要提高精度，需要提高采样频率。
[0074] (3)引导信号开环解调。移动数据读取指针至码相位起始处，开环解调数据，获取该频点所有信号的共同的起始时间信息。
[0075] 开环解调具体为：
[0076] ①偏移数据文件起点使数据从码相位起点开始读取，以一个数据bit(或者子码bit)的时间作为固定的积分时间，以该步长进行数据读取并利用载波相位进行相关运算，提取相关峰的符号。
[0077] ②在相关峰符号基础上搜索子码相位，剥离子码(如果有)并进行子帧同步，获取该频点所有信号的共同的起始时间信息，如周计数WN、周内秒SOW、帧头起始样点位置。
[0078] (4)各信号分量码生成。利用起始时间信息生成所有信号分量伪码。
[0079] (5)各信号分量载波相位提取。利用(2)中方法进行各分量载波相位搜索和记录。每次搜索时所有信号分量所用数据内容必须完全一致。
[0080] 从起始时间信息表征的数据样点位置开始逐积分时间连续读取数据，利用步骤(2)中方法进行各信号分量载波相位计算，每个积分周期与其他积分周期初相相同，各自独立提取并记录各信号分量载波相位。
[0081] 1)当信号分量伪码相位存在超过1个样点的以上偏差时，如图4所示，将对异频信号分量载波相位关系计算结果产生较大影响。此时需要将计算载波相位的位置选在一个样点处。
[0082] 2)本地生成完整的恒包络基带信号(包含交调分量)，以恒包络基带合路信号作为整体的一个伪码(可能为复数)与信号进行相关，求取该合路信号伪码相位，以此起点作为计算载波相位的时刻。
[0083] (6)各信号开环解调。各路信号分量按各自信号体制格式进行开环解调，剥离各级编码，得到帧头或电文，判明电文翻转状态。
[0084] (7)载波相位校正。利用(6)中电文翻转状态校正(5)中的载波相位统计值，得到各分量间载波相位关系：
[0085] 以下表为准进行校正。
[0086] 表2校正表
[0087]
[0088] 以其中一路载波相位角度为0的信号为基准，其它信号分量载波相位计算值-该路信号载波相位计算值，得到相对相位关系。若载波相位计算值 大于2*π，则减去2*π后为最终的载波相位计算值。
[0089] 本发明应用于导航信号模拟源、卫星导航载荷信号检测场合，对信号载波相位关系的实现精度关系到用户对多信号分量的解调和使用，该发明涉及的检测方法可以准确检测该指标。
[0090] 本发明实施过程可以GPS L1信号为例说明。GPS L1信号上规划有4路信号分量：C/A码信号、P码信号、L1C信号、M码信号。4路信号分量有一定载波相位关系，假设为0°、90°、0°、90°。则对于信号模拟源和载荷，需要检测该载波相位关系，衡量其实现精度。
[0091] GPS L1中心频率为1575.42MHz，带宽可选为20.46MHz，则采样频率依(1)可选为650MHz，此时信号频谱内容和相位不翻转。
[0092] C/A码信号为公开的民用、短码信号，电文最易获取，选其作为引导信号。进行码相位和载波相位搜索。
[0093] 移动数据读取指针至码相位起始处，开环解调数据，获取周计数WN和周内秒SOW，以及帧头、相位样点等信号，作为该频点所有信号的共同的起始时间信息。
[0094] 利用上述起始时间信息生成所有信号分量伪码，包括C/A码信号、L1C信号、M码信号、P码信号分量伪码。
[0095] 逐积分时间读取数据，计算信号最终的载波相位记录值；每个信号分量得到一组值，如θ1、θ2、θ3、θ4。
[0096] 各路信号分量进行开环解调，剥离各级编码，得到帧头或电文，判明电文翻转状态；每个信号分量得到与上述载波相位对应的一组值，如c1、c2、c3、c4，其值取+1或者-1。
[0097] 利用表2用c1、c2、c3、c4对θ1、θ2、θ3、θ4进行载波相位校正，得到4个信号分量最终载波相位关系，仿真结果如图5所示。
