基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法

1.本发明属于无线电导航通信领域，尤其涉及一种基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法。


背景技术：

2.北斗卫星导航系统是我国目前及未来一段时期内主用导航系统，在经济发展各领域发挥着巨大的作用。但是，与gps、galileo、glonass等卫星导航系统类似，北斗导航系统尚存在一些不足。如用户接收机接收到的信号严重衰减、电文传播速率较低、中高轨道卫星空间几何布局变化慢、容易受到攻击被欺骗干扰等问题。
3.美国的铱星系统是目前唯一已实现全球覆盖的低轨卫星系统，其地面终端接收到的信号强度比gps强大约30db。低轨卫星相对于地面用户运动速度较快，用户接收到的机会信号的多普勒频移在30khz左右，具有很好的多普勒观测性。因此利用信号的多普勒观测值进行定位解算与低轨卫星的特性非常契合，多普勒定位非常适用于低轨卫星导航系统。
4.而在多普勒定位的过程中，机会信号多普勒频率估计的精度和速度直接影响到定位的精度和速度，是整个定位系统中重要的一部分。传统的确定精确多普勒频移的方法为，在相邻频率带宽内采用最大似然估计(maximum likelihood estimation, mle) 方法进行多普勒精确测量。为了获得准确的多普勒频移，采用这种方法需要在宽频率范围内进行高分辨率搜索，运算量非常大，相当费时。因此，在使用多普勒定位的前提下，需要另择信号处理的方法来获得准确的多普勒频移，保证定位的精度和速度。


技术实现要素：

5.为弥补随机/机会信号源时空基准不统一，信号/信息融合度差等缺陷，解决gnss拒止情况下复杂场景（物理遮挡、电磁干扰、战区打击/对抗等）局域/热点应急导航定位服务需求，本发明提出了一种基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，采用相位差分法对多普勒频率进行精细估计，较之传统的使用最大似然估计的多普勒频率精细估计方法，具有运算量小、耗时短的优点，可以快速精确地处理铱星机会信号，并进行多普勒频移精确估计，进而解算出用户位置信息。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，包括如下步骤：步骤1、进行带通滤波和连续波信号定位；步骤2、进行多普勒频移粗略估计；步骤3、采用相位差分法进行多普勒频移精细化估计。
7.进一步地，所述步骤1具体包括：铱星l波段机会信号，从时帧结构上，包括无调制的连续波信号单元、bpsk调制的独立字单元和qpsk调制的数据信息单元等三个部分，其中，连续波信号单元的时间长度约为2.6ms。铱星机会信号通过对ring alert信道的连续波信号单元的连续波信号进行识别、捕获和处理，获得接收机位置解算所需的多普勒频移估计
值。
8.铱星卫星下行l波段机会信号的发播周期为4.32s，时帧长度为90ms；为保证对ring alert的信道连续波信号单元的连续波信号的无遗漏准确捕获，首先随机截取接收4.32s时长信号，对信号进行逐帧带通滤波处理，在时域内通过幅值比较定位到连续波信号的起始位置；然后计算连续两帧连续波信号的频谱，通过频谱做大幅值所在时间的比对校验，即：两帧时间间隔为90ms整数倍，实现连续波信号及其时间位置的正确性校验。
9.步骤2具体包括：基于正确性校验后的ring alert信道的连续波信号时间位置，在时域上提取出连续波信号，将2.6ms的连续波信号平均分为两段1.3ms的信号；然后进行傅里叶变换，分别对两段1.3ms的信号进行频谱分析，通过频谱峰值位置计算两段1.3ms的信号的多普勒频移估计值，对两段1.3ms的信号的多普勒频移估计值进行平均，获得铱星机会信号的多普勒频移粗略估计值。
10.步骤3具体包括：采用相位差分法。用粗捕获得到的多普勒频移粗略估计值，进行铱星机会信号载波剥离，将待分析信号搬移至基带，即0中频附近，随后对2.6ms的连续波信号进行时域分段，分为前1.3ms信号段和后1.3ms信号段，并分别进行傅里叶变换频谱分析搜索前后两端信号的频谱峰值，通过两个dft峰值对应复数的相位差，即可得到精细频率修正量。
11.分别对前后两段1.3ms的信号段进行dft操作后搜索峰值对应复数相位，假设在时刻，即：对前1.3ms信号段进行dft频谱分析，搜索到频谱峰值对应复数为，为输入信号频率分量，对应峰值的相位计算为：
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(5)其中，im和re分别代表虚部和实部，通过上述公式获得输入信号的初始相位。
12.在时刻稍后的时刻，即：对后1.3ms信号段进行dft频谱分析，搜索到频谱峰值对应复数为，为输入信号频率分量，对应峰值的相位计算为：
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(6)铱星机会信号连续波信号为2.6ms，进行前后等分段截取后分别处理，那么，对应时刻与时刻间的时间差为0.0013s，则精细校正频率为：
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(7)其中，精细校正频率的单位为hz。由于噪声的存在，难以确定式（7）中的补偿方式。消除这种不确定性比较好的方法是幅度比较法，其基本原理是：傅里叶变换频谱最大值x(k)，对比峰值左右邻近幅值x(k-1)和x(k+1)，若|x(k-1)|明显大于|x(k+1)|，则输入信号的频率应该小于对应的频率，则通过相位差分得到的精细化修正量需要在多普勒粗略估计值基础上进行负补偿，即：多普勒粗略估计值减去修正量；反之，则取正补偿。
13.本发明相对于现有技术的有益效果：（1）处理速度快：本发明在多普勒频移精细化的步骤中使用相位差分法。相比最大似然估计法，相位差分法无需在宽频率范围内进行高分辨率搜索，因此运算量小，处理速度快，也节约了计算的硬件资源。
14.（2）无需知道铱星信号的结构和参数：本发明仅使用结构简单的无调制连续波信号部分，该部分信号的时间长度约为2.6ms，通过对连续波进行捕获和处理，即可获得计算接收机位置所需的多普勒频移信息。无需获知其他部分信号的结构和参数。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅用于示出优先实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本发明的基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法流程图；图2为铱星机会信号的时帧结构示意图；图3为通过带通滤波定位连续波示意图。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
17.如图1所示，本发明的基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法包括如下步骤：步骤1、进行带通滤波和连续波信号定位：铱星l波段机会信号，从时帧结构上，包括无调制的连续波信号单元、bpsk调制的独立字单元和qpsk调制的数据信息单元等三个部分，其中，连续波信号单元的时间长度约为2.6ms，如图2所示。铱星机会信号通过对ring alert信道的连续波信号单元的连续波信号进行识别、捕获和处理，获得接收机位置解算所需的多普勒频移估计值。
18.为保证对ring alert的信道连续波信号单元的连续波信号的无遗漏准确捕获，首先随机截取接收4.32s时长信号，对信号进行逐帧带通滤波处理，由于连续波信号的功率高于环境基低噪声，经过滤波后，在时域内通过幅值比较定位到连续波信号的起始位置，如图3所示。然后，计算连续两帧连续波信号的频谱，通过频谱做大幅值所在时间的比对校验，即：两帧时间间隔为90ms整数倍，实现连续波信号及其时间位置的正确性校验。
19.步骤2、进行多普勒频移粗略估计：基于正确性校验后的ring alert信道的连续波信号时间位置，在时域上提取出连续波信号，将2.6ms的连续波信号平均分为两段1.3ms的信号；然后进行傅里叶变换，分别对两段1.3ms的信号进行频谱分析，通过频谱峰值位置计算两段1.3ms的信号的多普勒频移估计值。但是由于铱星信号的多普勒频移变化较快，对两段1.3ms的信号的多普勒频移估计值
进行平均，仅能获得铱星机会信号的多普勒频移粗略估计值。
20.步骤3、采用相位差分法进行多普勒频移精细化估计：采用相位差分法。用粗捕获得到的多普勒频移粗略估计值，进行铱星机会信号载波剥离，将待分析信号搬移至基带，即0中频附近，随后对2.6ms的连续波信号进行时域分段，分为前1.3ms信号段和后1.3ms信号段，并分别进行傅里叶变换频谱分析搜索前后两端信号的频谱峰值，通过两个dft峰值对应复数的相位差，即可得到精细频率修正量。
21.分别对前后两段1.3ms的信号段进行dft操作后搜索峰值对应复数相位，假设在时刻，即：对前1.3ms信号段进行dft频谱分析，搜索到频谱峰值对应复数为，为输入信号频率分量，对应峰值的相位计算为：
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(5)其中，im和re分别代表虚部和实部，通过上述公式获得输入信号的初始相位。
22.在时刻稍后的时刻，即：对后1.3ms信号段进行dft频谱分析，搜索到频谱峰值对应复数为，为输入信号频率分量，对应峰值的相位计算为：(6)铱星机会信号连续波信号为2.6ms，进行前后等分段截取后分别处理，那么，对应时刻与时刻间的时间差为0.0013s，则精细校正频率为：
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(7)其中，精细校正频率的单位为hz。由于噪声的存在，难以确定式（7）中难以确定的补偿方式。消除这种不确定性比较好的方法是幅度比较法，其基本原理是：傅里叶变换频谱最大值x(k)，对比峰值左右邻近幅值x(k-1)和x(k+1)，若|x(k-1)|明显大于|x(k+1)|，则输入信号的频率应该小于对应的频率，则通过相位差分得到的精细修正量需要在多普勒粗略估计值基础上进行负补偿，即：多普勒粗略估计值减去校正频率；反之，则取正补偿。
23.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、进行带通滤波和连续波信号定位；步骤2、进行多普勒频移粗略估计；步骤3、采用相位差分法进行多普勒频移精细化估计。2.根据权利要求1所述的基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，铱星l波段机会信号，从时帧结构上，包括无调制的连续波信号单元、bpsk调制的独立字单元和qpsk调制的数据信息单元；铱星机会信号通过对ring alert信道的连续波信号单元的连续波信号进行识别、捕获和处理，获得接收机位置解算所需的多普勒频移估计值。3.根据权利要求1所述的基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：为保证对ring alert的信道连续波信号单元的连续波信号的无遗漏准确捕获，首先随机截取接收4.32s时长信号，对信号进行逐帧带通滤波处理，在时域内通过幅值比较定位到连续波信号的起始位置；然后计算连续两帧连续波信号的频谱，通过频谱做大幅值所在时间的比对校验，即：两帧时间间隔为90ms整数倍，实现连续波信号及其时间位置的正确性校验。4.根据权利要求2所述的基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，所述无调制的连续波部分信号单元的时间长度约为2.6ms，每帧铱星机会信号时帧长度为90ms，所述铱星下行l波段卫星机会信号的发播周期为4.32s。5.根据权利要求1所述的基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：基于正确性校验后的ring alert信道的连续波信号时间位置，在时域上提取出连续波信号，将2.6ms的连续波信号平均分为两段1.3ms的信号；然后进行傅里叶变换，分别对两段1.3ms的信号进行频谱分析，通过频谱峰值位置计算两段1.3ms的信号的多普勒频移估计值，对两段1.3ms的信号的多普勒频移估计值进行平均，获得铱星机会信号的多普勒频移粗略估计值。6.根据权利要求5所述的基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：利用粗捕获得到的多普勒频移粗略估计值，进行铱星机会信号载波剥离，将待分析信号搬移至基带，即0中频附近，随后对2.6ms的连续波信号进行时域分段，分为前1.3ms信号段和后1.3ms信号段，并分别进行傅里叶变换频谱分析搜索前后两端信号的频谱峰值，通过两个dft峰值对应复数的相位差，即可得到精细频率修正量。7.根据权利要求6所述的基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：分别对前后两段1.3ms的信号段进行dft操作后搜索峰值对应复数相位，假设在时刻，即：对前1.3ms信号段进行dft频谱分析，搜索到频谱峰值对应复数为，为输入信号频率分量，对应峰值的相位计算为：
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(1)其中，im和re分别代表虚部和实部，通过上述公式获得输入信号的初始相位；在时刻稍后的时刻，即：对后1.3ms信号段进行dft频谱分析，搜索到频谱峰值对应复数为，为输入信号频率分量，对应峰值的相位计算为：
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(2)则精细校正频率为：
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(3)其中，精细校正频率的单位为hz。8.根据权利要求7所述的一种基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，所述铱星机会信号连续波信号为2.6ms，进行前后等分段截取后分别处理，那么，对应时刻与时刻间的时间差为0.0013s，则：
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(4)由此，获得铱星机会信号多普勒频移精细化修正量。9.根据权利要求8所述的一种基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，其特征在于，校正频率对所述多普勒频移粗略估计值的补偿方式，即：正补偿或者负补偿，是通过幅度比较法来确定的，具体为：采用幅度比较法确定的补偿方式，若傅里叶变换频谱最大值x(k)，对比峰值左右邻近幅值x(k-1)和x(k+1)，若|x(k-1)|明显大于|x(k+1)|，则输入信号的频率应该小于对应的频率，则通过相位差分得到的多普勒频移精细化修正量需要在多普勒粗略估计值基础上进行负补偿，即：多普勒粗略估计值减去修正量；反之，则取正补偿。

技术总结
本发明提供一种基于相位差分的铱星机会信号多普勒频率精细估计方法，该方法具体包括如下步骤：步骤1、进行带通滤波和连续波信号定位；步骤2、进行多普勒频移粗略估计；步骤3、采用相位差分法进行多普勒频移精细化估计。本发明具有运算量小，处理速度快，耗时短短优点，可以快速精确地处理依星机会信号，并进行多普勒频移精确估计，进而解算出用户位置信息。进而解算出用户位置信息。进而解算出用户位置信息。


技术研发人员：罗瑞丹 李亚峰 尹嘉奇 杨光 李亚平 于丰正
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/7/7