專利名稱：多路gps信號p(y)碼相位差的測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相位碼的測量，更具體地說，是指一種利用導(dǎo)航衛(wèi)星的直射信號 代替本地信號與反射信號進行互相關(guān)運算，利用互相關(guān)結(jié)果進行多路GPS信號P (Y)碼相位 差的估計，進而將估計的結(jié)果應(yīng)用在海面高度測量、海面風(fēng)場反演、飛行器測姿、形變監(jiān)測 等等應(yīng)用方面。
背景技術(shù)：
近年來，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號的微波遙感技術(shù)以其全天候、全天時、多 信號源、寬覆蓋、高時空分辨率等應(yīng)用優(yōu)勢，在遙感領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。迅速發(fā)展 起來的GPS測量技術(shù)使傳統(tǒng)大地測量學(xué)的面貌煥然一新，給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù) 革命。GPS測量技術(shù)是在海、陸、空任意測站點，通過天線連續(xù)接收GPS衛(wèi)星的直射或者反射 信號，并計算測站點的三維坐標、海拔高度、運動載體的三維速度及時間等。
目前在該技術(shù)領(lǐng)域一般采用GPS接收機設(shè)備完成，在GPS接收機中由于C/A碼周 期短，實現(xiàn)相關(guān)算法方便，很多研究人員已經(jīng)通過測量多路GPS信號的C/A碼相位差來進行 海面高度測量。在岸基實驗方面，Martin-Neira等人在最早進行的大橋?qū)嶒炛袑χ鄙湫盘?和反射信號分別進行處理，在僅利用C/A碼相位的情況下達到了 3m的測高精度Jreuhaft 等人在火山口湖實驗中利用本地信號與直射和反射信號進行相關(guān)運算，利用非線性參數(shù)估 計的方法提取了直射和反射信號的載波相位差，并在Is時間內(nèi)進行平均，獲得了 2cm的測 高精度；Ruffini等人和Rivas等人分別在海港中平靜海面的條件下利用碼信號的載波相 位獲得3.1cm和5cm的測聞精度。在機載實驗方面，Lowe在實驗中獲得了 60cm的測聞精 度，并認為長時間的平均可使測高精度提高至5cm量級。
通過上述實驗，可見利用C/A碼來進行多路GPS信號相位差的測高精度并不高。針 對上述問題，本發(fā)明提出一種利用直射信號與反射信號互相關(guān)的海面測高方法，該方法利 用GPS信號結(jié)構(gòu)和特點，對直射信號的同相(包含C/A碼)分量和正交(包含P(Y)碼)分量 進行正交分離，采用正交分離后的直射信號代替本地信號與反射信號分別進行相關(guān)運算， 利用互相關(guān)結(jié)果進行多路GPS信號的相位差估計，從而實現(xiàn)接收機所在位置距離反射面的 高度測量。該系統(tǒng)避免了反射信號處理中本地信號的產(chǎn)生，降低了接收設(shè)備的復(fù)雜度，并利 用具有更高擴頻增益的P(Y)碼信號提高了相位差的估計精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多路GPS信號P (Y)碼相位差的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過 在FPGA芯片上用Verilog HDL語言設(shè)計得到硬件的功效。在本發(fā)明中，采用時域偽碼串行 載波串行的捕獲跟蹤方法對直射數(shù)字中頻信號進行捕獲跟蹤；采用陣列乘法器進行多路直 射數(shù)字基頻信號和反射數(shù)字基頻信號的相關(guān)功率值的運算；采用跟蹤峰值方法對多路不同 延時的直射數(shù)字基頻信號和反射數(shù)字基頻信號的相關(guān)功率值進行峰值檢測處理；并根據(jù)海 面反射的空間幾何關(guān)系對直射信號和反射信號之間的距離差和衛(wèi)星高度角進行處理，得到信號處理平臺至反射面的相對高程。
本發(fā)明的一種多路GPS信號P (Y)碼相位差的測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括有直射信號捕獲跟蹤模塊(10 )、陣列乘法器模塊(20 )、高度測量模塊(30 );
直射信號捕獲跟蹤模塊(10)用于對直射數(shù)字中頻信號sD_IF(n)進行捕獲、跟蹤及導(dǎo)航電文的解調(diào)，得到載波頻率控制字Few，反射衛(wèi)星高度角ε，反-直延遲值N，直-基正交sD_BB_P(n)，直-基同相sD_BB_e(n);其中，反射衛(wèi)星高度角ε輸出給高度測量模塊(30);載波頻率控制字Fcw、直-基正交sD_BB_P(n)、直-基同相sD_BB_c(n)、反-直延遲值N分別輸出給陣列乘法器模塊(20)；
陣列乘法器模塊(20)利用多路延遲器陣列對反射數(shù)字中頻信號sK_IF(n)、直-基正交sD_BB_P(n)和直-基同相sD_BB_e(n)進行處理，得到直-基正交互相關(guān)功率值ΧΡ( τ n)和直-基同相互相關(guān)功率值XJ τ n)，并輸出到高度測量模塊(30)；
高度測量模塊(30)包括反-基正交功率值曲線擬合模塊(304)、反-基同相功率值曲線擬合模塊(305 )、P (Y)碼峰值檢測模塊(302)、C/A碼峰值檢測模塊(303)、高度計算模塊(301)；
反-基正交功率值曲線擬合模塊(304)將多個反-基正交功率值，即反-基正交初始功率值Xpft0、反-基正交第一功率值Xp(1)、反-基正交第二功率值Xp(2)、……、反-基正交第M功率值XP(M)按照散射信號相關(guān)功率模型<|YD(A，f) |2>進行曲線擬合，輸出P (Y)碼的一維功率值-時延函數(shù)ΧΡ( τ)。
反-基同相功率值曲線擬合模塊(305)將多個反-基同相功率值，即反-基同相初始功率值χ_)、反-基同相第一功率值xc(1)、反-基同相第二功率值xc(2)……、反-基同相第M功率值Xe(M)按照散射信號相關(guān)功率模型〈IYS (△，f) 12>進行曲線擬合，輸出C碼的一維功率值-時延函數(shù)\(τ)。
P (Y)碼峰值檢測模(302)塊對P (Y)碼的一維功率值-時延函數(shù)ΧΡ(τ)進行采用峰值跟蹤法，擬合出峰值點 ，計算出峰值點對應(yīng)的時延值，再將其轉(zhuǎn)化為反射信號和直射信號之間的距離差P ρ。
C/A碼峰值檢測模塊(303)對C/A碼的一維功率值-時延函數(shù)Xe(T)進行采用峰值跟蹤法，擬合出峰值點，計算出峰值點對應(yīng)的時延值，再將其轉(zhuǎn)化為反射信號和直射信號之間的距離差P。。
高度計算模塊(301)對多路P (Y)碼相位差計算直射信號和反射信號的距離差 Pp、多路碼相位差計算直射信號和反射信號的距離差P。、反射衛(wèi)星高度角ε進行處理，根據(jù)海面反射的空間幾何關(guān)系，信號處理平臺與反射點的相對高程的計算公式為IsinE其中h表示信號處理平臺與反射點的相對高程，則\ =，hp表示多路GPS信號P⑴2sin^碼的相位差的高度測量結(jié)果，<，h。表示多路GPS信號C/A碼的相位差的高度測2smi*量結(jié)果，兩者的測高精度可進行對比。
本發(fā)明多路GPS信號P (Y)碼相位差的測量系統(tǒng)的優(yōu)點在于
①利用P(Y)碼相位差進行測高可以滿足不同觀測平臺的需求，同時也滿足高精度測高的需求。
②利用P(Y)碼相位差進行測高對環(huán)境的要求較寬松，應(yīng)用范圍不受限制，具有遙感衛(wèi)星信號測量的特點，即寬覆蓋、高時空分辨率等。
③在信號處理中，利用接收到的直射信號代替本地信號和反射信號進行互相關(guān)運算的處理方式，避免了產(chǎn)生本地信號，降低了接收設(shè)備的硬件復(fù)雜度。
④利用多路GPS信號的C/A碼相位差進行測高獲得的測量結(jié)果，可以與利用多路 GPS信號的P (Y)碼相位差進行測高獲得的測量結(jié)果進行精度對比。對比可知P (Y)碼的測量精度更高。


圖1是本發(fā)明利用多路GPS信號的P(Y)碼相位差、C/A碼相位差進行互相關(guān)測高裝置的結(jié)構(gòu)示圖。
圖2是本發(fā)明陣列乘法器模塊結(jié)構(gòu)示圖。
圖3是本發(fā)明高度測量模塊結(jié)構(gòu)示圖。
具體實施方式
GPS信號上存在著C/A碼和P (Y)碼兩種測距碼，C/A碼只調(diào)制在LI載波信號上， 周期為1ms，碼率為1.023Mcps ;而？化)碼同時調(diào)制在LI和L2載波信號上，周期為7天，碼率為 10. 23Mcps。
參見圖1所示，本發(fā)明是一種利用導(dǎo)航衛(wèi)星的直射信號代替本地信號與反射信號進行互相關(guān)運算，利用不同的互相關(guān)功率值進行多路GPS信號的P(Y)碼相位差估計，進而實現(xiàn)海面高度測量、海面風(fēng)場反演、飛行器測姿、形變監(jiān)測等等的測量系統(tǒng)，該多路GPS信號的P碼相位差的測量系統(tǒng)包括有直射信號捕獲跟蹤模塊10、陣列乘法器模塊20、高度測量模塊30。該系統(tǒng)通過在GPS接收機的FPGA芯片上用Verilog HDL語言設(shè)計得到硬件的功效。
(一)直射信號捕獲跟蹤模塊10
直射信號捕獲跟蹤模塊10用于快速對接收到的GPS衛(wèi)星的直射數(shù)字中頻信號 sD_IF(η)信號進行捕獲、跟蹤及導(dǎo)航電文的解調(diào)。
在本發(fā)明中，直射信號捕獲跟蹤模塊10采用了在2006年7月，第27卷第4期，《遙測遙控》公開的“GPS接收機基帶信號處理模塊的FPGA實現(xiàn)”中提到的算法，分別得到載波頻率控制字Few，反射衛(wèi)星高度角ε，反射信號相對于直射信號的延遲相位估計值Ν(簡稱為反-直延遲值N)，直射數(shù)字基頻信號的正交分量(包含P (Y)碼)sD_BB_P(n)(簡稱為直-基正交sD_BB_P(n))和直射數(shù)字基頻信號的同相分量(包含C/A碼)sD_BB_c(n)(簡稱為直-基同相 sD-BB-c(η));其中，反射衛(wèi)星高度角ε輸出給高度測量模塊30 ;載波頻率控制字Few、直-基正交sD_BB_P(n)、直-基同相sD_BB_c(n)、反-直延遲值N分別輸出給陣列乘法器模塊20。
sD_BB_P(n)和 sD_BB_c(n)中的(η)表示離散時間。
(二)陣列乘法器模塊20
參加圖2所示，陣列乘法器模塊20利用多路延遲器陣列對接收到的反射數(shù)字中頻信號sK_IF (η)、直-基正交sD_BB_P (η)和直-基同相sD_BB_。(η)進行處理，得到直-基正交互相關(guān)功率值ΧΡ(τη)和直-基同相互相關(guān)功率值Xe(Tn),并輸出到高度測量模塊30。τη表示相關(guān)時間的取值范圍，即O、Λ、......、ΜΛ。
所述直-基正交互相關(guān)功率值Xp ( τη)是指反射數(shù)字中頻信號81；1(11)與直-基正交sD,-P(n)的不同時延間距信號的互相關(guān)功率值。
所述直-基同相互相關(guān)功率值\(τη)是指反射數(shù)字中頻信號^1 (η)與直-基同相sD,-c(n)的不同時延間距信號的互相關(guān)功率值。
具體地，陣列乘法器模塊20對反射數(shù)字中頻信號sK_IF (η)、直-基正交sD_BB_P (η)和直-基同相sD_BB_c(n)的處理步驟如下
步驟201 :載波NCO根據(jù)載波頻率控制字Few產(chǎn)生對應(yīng)頻率的正弦波和余弦波，產(chǎn)生的波形取決于ROM中存放的是正弦表還是余弦表；
步驟202 :正弦乘法器中將反射數(shù)字中頻信號sK_IF(n)和正弦表輸出的正弦信號進行相乘，輸出反射數(shù)字基頻信號的正交分量(包含P (Y)碼)sK-P(n)(簡稱為反-基正交 sE-p (η))；
余弦乘法器將反射數(shù)字中頻信號sK_IF(n)和余弦表輸出的余弦信號進行相乘，輸出反射數(shù)字基頻信號的同相分量(包含C/A碼)sE_c(n)(簡稱為反-基同相SK_e(n))。
步驟203 :延遲器P將直-基正交sD_BB_P(n)延遲N個時間單位，即信號將轉(zhuǎn)換成延遲直-基正交sD_BB_P(n_NA ) ；N是直射信號捕獲跟蹤模塊輸出的采用直射閉環(huán)反射開環(huán)的方式對反射信號相對于直射信號的延遲相位的估計值，△是延遲的時間步長；同理可得
延遲器pi將延遲直-基正交sD_BB_P(n-NA )延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第一延遲直-基正交sD_BB_P(η-ΝΔ-Δ)；
延遲器ρ2將第一延遲直-基正交sD_BB_P(n-NA-A)延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第二延遲直-基正交sD_BB_P(η-ΝΔ-2Δ)；……；
延遲器ρΜ將第M-1延遲直-基正交sD_BB_P (η-Ν Λ-(M-1) Δ)延遲I個 時間步長Λ， 即信號將轉(zhuǎn)換成第M延遲直-基正交sD_BB_P(η-ΝΔ-ΜΔ)；
延遲器c將直-基同相sD_BB_c(n)延遲N個時間單位，即信號將轉(zhuǎn)換成延遲直_基同相sD_BB_Jn-NA) ;N是直射信號捕獲跟蹤模塊輸出的采用直射閉環(huán)反射開環(huán)的方式對反射信號相對于直射信號的延遲相位的估計值，△是延遲的時間步長；同理可得
延遲器Cl將延遲直-基同相sD_BB_c(n_NA)延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第一延遲直-基同相sD_BB_c(n-NA-A)；
延遲器c2將第一延遲直-基同相sD_BB_c(n-NA-A)延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第二延遲直-基同相sD_BB_c(η-ΝΔ-2Δ)；……；
延遲器CM將第M-1延遲直-基同相sD_BB_c (η-Ν Λ-(M-1) Δ)延遲I個時間步長Λ， 即信號將轉(zhuǎn)換成第M延遲直-基同相sD_BB_c(η-ΝΔ-ΜΔ)；
步驟204 :乘法器p0將反-基正交sK_P (η)與延遲直_基正交sD_BB_P (η-Ν Δ )進行相乘，得到反-基正交初始互相關(guān)值SK_D_PW ;同理可得
乘法器pi將反-基正交sK_P (η)與第一延遲直-基正交sD_BB_P(n-NA-A)進行相乘，得到反-基正交第一互相關(guān)值 Sr-D-P(I);
乘法器P2將反-基正交sK_P (η)與第二延遲直_基正交sD_BB_P (η-Ν Δ-2 Δ )進行相乘，得到反-基正交第二互相關(guān)值 Sr-D-P (2);......;
乘法器PM將反-基正交sK_P (η)與第M延遲直-基正交sD_BB_P (η-Ν Δ-ΜΔ)進行相乘，得到反-基正交第M互相關(guān)值Sr-D-P(M);
乘法器CO將反-基同相sK_c(n)與延遲直-基同相sD_BB_c(η_ΝΛ )進行相乘，得到反-基同相初始互相關(guān)值 Sr-D-C(O);
乘法器Cl將反-基同相sK_c (η)與第一延遲直-基同相sD_BB_c(n-NA-A)進行相乘，得到反-基同相第一互相關(guān)值 Sr-D-C(I);
乘法器c2將反-基同相sK_c(n)與第二延遲直_基同相sD_BB_c (η_Ν Λ _2 Λ )進行相乘，得到反-基同相第二互相關(guān)值 Sr-D-C (2);......;
乘法器CM將反-基同相sK_c(n)與第M延遲直-基同相sD_BB_c(n_NA _ΜΛ )進行相乘，得到反-基同相第M互相關(guān)值Sk_d_c(M)；
步驟205 :積分累加單元PO將反-基正交初始互相關(guān)值SK_D_P(CI)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基正交初始功率值Ypftl)；
積分累加單元pi將反-基正交第一互相關(guān)值SK_D_P(1)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加， 得到未截斷反-基正交第一功率值YP(1)；
積分累加單元ρ2將反-基正交第二互相關(guān)值SK_D_P(2)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加， 得到未截斷反-基正交第二功率值YP(2)；……；
積分累加單元ρΜ將反-基正交第M互相關(guān)值SK_D_P(M)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加， 得到未截斷反-基正交第M功率值YP(M)；
積分累加單元CO將反-基同相初始互相關(guān)值SK_D_e((l)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加， 得到未截斷反-基同相初始功率值Y_)；
積分累加單元Cl將反-基同相第一互相關(guān)值SK_D_e(1)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加， 得到未截斷反-基同相第一功率值Yc(1)；
積分累加單元c2將反-基同相第二互相關(guān)值SK_D_e(2)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加， 得到未截斷反-基同相第二功率值Yc(2)；……；
積分累加單元CM將反-基同相第M互相關(guān)值SK_D__在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加， 得到未截斷反-基同相第M功率值Ye(M)；
步驟206 :截斷器pO將未截斷反-基正交初始功率值YP(Q)進行12比特的截斷處理，得到反-基正交初始功率值 Xp(O);
截斷器pi將未截斷反-基正交第一功率值YP(1)進行12比特的截斷處理，得到反-基正交第一功率值Xp(1)；
截斷器p2將未截斷反-基正交第二功率值Yp⑵進行12比特的截斷處理，得到反-基正交第二功率值Xp(2)；……；
截斷器ρΜ將未截斷反-基正交第M功率值YP(M)進行12比特的截斷處理，得到反-基正交第M功率值XP(M)；
截斷器CO將未截斷反-基同相初始功率值Y_)進行12比特的截斷處理，得到反-基同相初始功率值χ_)；
截斷器Cl將未截斷反-基同相第一功率值Ye(1)進行12比特的截斷處理，得到反-基同相第一功率值xc(1)；
截斷器c2將未截斷反-基同相第二功率值Y。⑵進行12比特的截斷處理，得到反-基同相第二功率值xc(2)；……；
截斷器cM將未截斷反-基同相第M功率值YC(M)進行12比特的截斷處理，得到反-基同相第M功率值XC(M)。
在本發(fā)明中，采用陣列形式排布乘法器、延遲器、積分累加器、截斷器進行多路直射數(shù)字基頻信號和反射數(shù)字基頻信號的相關(guān)功率值的運算，實現(xiàn)了在信號處理中，利用接收到的直射信號代替本地信號和反射信號進行互相關(guān)運算的處理方式，避免了產(chǎn)生本地信號，降低了接收設(shè)備的硬件復(fù)雜度。
(三)高度測量模塊30
參見圖3所示，高度測量模塊30包括有反-基正交功率值曲線擬合模塊304、 反-基同相功率值曲線擬合模塊305、P碼峰值檢測模塊302、C碼峰值檢測模塊303、高度計算模塊301。
在本發(fā)明中，記錄保存下多個截斷器輸出的反-基正交功率值和反-基同相功率值，應(yīng)用散射信號相關(guān)功率模型〈IYS ( △，f) 12>得到二維功率值-時延-多普勒函數(shù)。而采用的散射信號相關(guān)功率模型〈I YS( Λ，f) |2>為時間延遲步長Λ和多普勒頻率f兩變量的函數(shù)。/,|Λf.D2(r)xk2 ΓΔ( ) χ|^Γδ/(γ)12
(|Κ(Δ,/)| ) = ^2χΓ2χ||-4^(r)xi ,'(r)-^{r)d2r^W2·,
D2(r)表示天線增益的平方值，決定了天線覆蓋區(qū)；
Λ2[Δ (r)]表示反-基正交功率值或者反-基同相功率值，決定了等延遲區(qū)；
S[Af(r)]表示等多普勒區(qū)，其中Af(r) = 即多普勒頻差；
杧(r)表示發(fā)射機到散射點的距離的平方；
Rr2 (r)表示接收機到散射點的距離的平方；
OtlOOd2r表示歸一化雙基散射截面，散射截面的大小決定了被稱為照射區(qū)的海面區(qū)域；d2表示二維積分；
r表示距離向量；
A2表示幅度因子的平方值；
T2表示積分時間的平方值；
W2表不加性聞斯白噪聲。
反-基正交功率值曲線擬合模塊304將多個反-基正交功率值，即反-基正交初始功率值Xpft0、反-基正交第一功率值Xp(1)、反-基正交第二功率值Xp(2)、……、反-基正交第M功率值XP(M)按照散射信號相關(guān)功率模型〈IYS (△，f) 12>進行曲線擬合，輸出P碼的一維功率值-時延函數(shù)ΧΡ(τ)。
反-基同相功率值曲線擬合模塊305將多個反-基同相功率值，即反-基同相初始功率值χ_)、反-基同相第一功率值xc(1)、反-基同相第二功率值xc(2)……、反-基同相第 M功率值Xe(M)按照散射信號相關(guān)功率模型〈IYS (△，f) 12>進行曲線擬合，輸出C碼的一維功率值-時延函數(shù)X&)。
P (Y)碼峰值檢測模塊302對P (Y)碼的一維功率值-時延函數(shù)ΧΡ(τ)進行采用峰值跟蹤法，擬合出峰值點，計算出峰值點對應(yīng)的時延值，再將其轉(zhuǎn)化為反射信號和直射信號之間的距離差P ρ。
C/A碼峰值檢測模塊303對C/A碼的一維功率值-時延函數(shù)\認τ)進行采用峰值跟蹤法，擬合出峰值點，計算出峰值點對應(yīng)的時延值，再將其轉(zhuǎn)化為反射信號和直射信號之間的距離差P。。
高度計算模塊301對多路P (Y)碼相位差計算直射信號和反射信號的距離差P p (P (Y)碼峰值檢測模塊輸出的)、多路C/A碼相位差計算直射信號和反射信號的距離差P。 (C碼峰值檢測模塊輸出的)、反射衛(wèi)星高度角ε (直射信號捕獲跟蹤模塊輸出的)進行處理，根據(jù)海面反射的空間幾何關(guān)系，信號處理平臺與反射點的相對高程的計算公式為*=^7，其中h表示信號處理平臺與反射點的相對高程，則有\(zhòng)K表示多路GPS信號P(Y)碼的相位差的高度測量結(jié)果A，h。表示多路GPS信號C/A碼的相位差的高度測量結(jié)果，兩者的測高精度可進行對比。
在本發(fā)明中，高度計算模塊301計算出的反射信號和直射信號之間的相位差可進行多種應(yīng)用，如海面高度測量、海面風(fēng)場反演、飛行器測姿、形變監(jiān)測等等，本發(fā)明中以海面高度測量為例。
本發(fā)明涉及的利用多路GPS信號的P (Y)碼相位差進行測高的測量系統(tǒng)，實質(zhì)是利用導(dǎo)航衛(wèi)星的直射信號代替本地信號與反射信號進行互相關(guān)運算，利用GPS信號結(jié)構(gòu)和特點，對直射信號的同相(包含C/A碼)分量和正交(包含P(Y)碼)分量進行正交分離，采用正交分離后的直射信號代替本地信號與反射信號分別進行相關(guān)運算，利用互相關(guān)結(jié)果進行多路GPS信號的相位差估計，從而實現(xiàn)接收機所在位置距離反射面的高度測量。該系統(tǒng)避免了反射信號處理中本地信號的產(chǎn)生，降低了接收設(shè)備的復(fù)雜度，并利用具有更高擴頻增益的P(Y)碼信號提高了相位差的估計精度。隨著導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展，空間中將有多個導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)并存，導(dǎo)航衛(wèi)星信號資源日益豐富，利用導(dǎo)航衛(wèi)星的直射信號和反射信號進行互 相關(guān)運算來計算出多路GPS信號的相位差的技術(shù)實施可行性與有效性將越來越強。
權(quán)利要求
1.一種多路GPS信號P (Y)碼相位差的測量系統(tǒng)，其特征在于該測量系統(tǒng)包括有直射信號捕獲跟蹤模塊(10 )、陣列乘法器模塊(20 )、高度測量模塊(30 ); 直射信號捕獲跟蹤模塊(10)用于對直射數(shù)字中頻信號sD_IF(n)進行捕獲、跟蹤及導(dǎo)航電文的解調(diào)，得到載波頻率控制字F ，反射衛(wèi)星高度角ε，反-直延遲值N，直-基正交sD_BB_P(n)，直-基同相sD_BB_e(n);其中，反射衛(wèi)星高度角ε輸出給高度測量模塊(30);載波頻率控制字Fcw、直-基正交sD_BB_P(n)、直-基同相sD_BB_c(n)、反-直延遲值N分別輸出給陣列乘法器模塊(20)； 陣列乘法器模塊(20)利用多路延遲器陣列對反射數(shù)字中頻信號sK_IF(n)、直-基正交sD-BB-P(η)和直-基同相sD_BB_。(η)進行處理，得到直-基正交互相關(guān)功率值Xp( τ η)和直-基同相互相關(guān)功率值XJ τη)，并輸出到高度測量模塊(30)； 高度測量模塊(30)包括反-基正交功率值曲線擬合模塊(304)、反-基同相功率值曲線擬合模塊(305)、Ρ (Y)碼峰值檢測模塊(302)、C/A碼峰值檢測模塊(303)、高度計算模塊(301)； 反-基正交功率值曲線擬合模塊(304)將多個反-基正交功率值，即反-基正交初始功率值Xpftl)、反-基正交第一功率值XP(1)、反-基正交第二功率值ΧΡ(2)、……、反-基正交第M功率值ΧΡ(Μ)按照散射信號相關(guān)功率模型<|YS(A，f) |2>進行曲線擬合，輸出P (Y)碼的一維功率值-時延函數(shù)ΧΡ(τ)。
反-基同相功率值曲線擬合模塊(305)將多個反-基同相功率值，即反-基同相初始功率值Χ_)、反-基同相第一功率值Xc(1)、反-基同相第二功率值Xc(2)……、反-基同相第M功率值Xew按照散射信號相關(guān)功率模型〈IYS (△，f) 12>進行曲線擬合，輸出C碼的一維功率值-時延函數(shù)X&)。
P (Y)碼峰值檢測模(302)塊對P (Y)碼的一維功率值-時延函數(shù)ΧΡ(τ)進行采用峰值跟蹤法，擬合出峰值點，計算出峰值點對應(yīng)的時延值，再將其轉(zhuǎn)化為反射信號和直射信號之間的距離差P ρ。
C/A碼峰值檢測模塊(303)對C/A碼的一維功率值-時延函數(shù)進行采用峰值跟蹤法，擬合出峰值點，計算出峰值點對應(yīng)的時延值，再將其轉(zhuǎn)化為反射信號和直射信號之間的距離差P co 高度計算模塊(301)對多路P (Y)碼相位差計算直射信號和反射信號的距離差Pp、多路碼相位差計算直射信號和反射信號的距離差P。、反射衛(wèi)星高度角ε進行處理，根據(jù)海面反射的空間幾何關(guān)系，信號處理平臺與反射點的相對高程的計算公式為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路GPS信號P(Y)碼相位差的測量系統(tǒng)，其特征在于陣列乘法器模塊(20)對反射數(shù)字中頻信號sK_IF(n)、直-基正交sD_BB_P(n)和直-基同相sD_BB_c(n)的處理步驟如下步驟201 :載波NCO根據(jù)載波頻率控制字Few產(chǎn)生對應(yīng)頻率的正弦波和余弦波，產(chǎn)生的波形取決于ROM中存放的是正弦表還是余弦表； 步驟202 :正弦乘法器中將反射數(shù)字中頻信號sK_IF(n)和正弦表輸出的正弦信號進行相乘，輸出反射數(shù)字基頻信號的正交分量，即反-基正交sK_P(n)； 余弦乘法器將反射數(shù)字中頻信號sK_IF(n)和余弦表輸出的余弦信號進行相乘，輸出反射數(shù)字基頻信號的同相分量，即反-基同相sK_c(n)。
步驟203 :延遲器P將直-基正交sD_BB_P(n)延遲N個時間單位，即信號將轉(zhuǎn)換成延遲直-基正交sD_BB_P(n-NA) ;N是直射信號捕獲跟蹤模塊輸出的采用直射閉環(huán)反射開環(huán)的方式對反射信號相對于直射信號的延遲相位的估計值，△是延遲的時間步長；同理可得延遲器Pl將延遲直-基正交sD_BB_P(n_NA)延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第一延遲直-基正交sD_BB_P(η-ΝΔ-Δ)； 延遲器ρ2將第一延遲直-基正交sD_BB_P(n-NA-A)延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第二延遲直-基正交s請_ρ(η-ΝΔ-2Δ)；……； 延遲器PM將第M-1延 遲直-基正交81),_1)(11州八-(1-1)八)延遲I個時間步長Λ，ΒΡ信號將轉(zhuǎn)換成第M延遲直-基正交sD_BB_P(η-ΝΔ-ΜΔ)； 延遲器c將直-基同相sD_BB_c(n)延遲N個時間單位，即信號將轉(zhuǎn)換成延遲直-基同相sD_BB_c(n-NA) #是直射信號捕獲跟蹤模塊輸出的采用直射閉環(huán)反射開環(huán)的方式對反射信號相對于直射信號的延遲相位的估計值，Λ是延遲的時間步長；同理可得 延遲器Cl將延遲直-基同相sD-BB-c(n-NA)延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第一延遲直-基同相s請_c(η-ΝΔ-Δ)； 延遲器c2將第一延遲直-基同相sD_BB_c(n-NA-A)延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第二延遲直-基同相sD_BB_c(η-ΝΔ-2Δ)；……； 延遲器CM將第M-1延遲直-基同相sD_BB_c(n-NA-(M_l) Λ)延遲I個時間步長Λ，即信號將轉(zhuǎn)換成第M延遲直-基同相sD_BB_c(η-ΝΔ-ΜΔ)； 步驟204 :乘法器p0將反-基正交sK_P(n)與延遲直-基正交sD_BB_P(n-NA )進行相乘，得到反-基正交初始互相關(guān)值SK_D_P(CI);同理可得 乘法器Pl將反-基正交sK_P (η)與第一延遲直-基正交sD_BB_P (η-Ν Δ-Δ)進行相乘，得到反-基正交第一互相關(guān)值 Sr-D-P(I); 乘法器Ρ2將反-基正交sK_P(n)與第二延遲直-基正交sD_BB_P(n-NA -2 Δ )進行相乘，得到反-基正交第二互相關(guān)值 Sr-D-P (2);......; 乘法器PM將反-基正交sK_P (η)與第M延遲直-基正交sD_BB_P (η-Ν Δ-ΜΔ)進行相乘，得到反-基正交第M互相關(guān)值Sr-D-P(M); 乘法器CO將反-基同相sK_c (η)與延遲直-基同相sD_BB_c(n-NA)進行相乘，得到反-基同相初始互相關(guān)值 Sr-D-C(O); 乘法器Cl將反-基同相sK-c (η)與第一延遲直-基同相sD_BB_c (η-Ν Δ-Δ)進行相乘，得到反-基同相第一互相關(guān)值 Sr-D-C(I); 乘法器c2將反-基同相sK_c(n)與第二延遲直-基同相sD_BB_c(n-NA-2A)進行相乘，得到反-基同相第二互相關(guān)值 Sr-D-C (2);......; 乘法器CM將反-基同相sK_c (η)與第M延遲直-基同相sD_BB_c (η-Ν Δ-ΜΔ)進行相乘，得到反-基同相第M互相關(guān)值Sk_d_c(M)； 步驟205 :積分累加單元PO將反-基正交初始互相關(guān)值SK_D_P(CI)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基正交初始功率值YP(CI)； 積分累加單元Pl將反-基正交第一互相關(guān)值SK_D_P(1)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基正交第一功率值YP(1)； 積分累加單元Ρ2將反-基正交第二互相關(guān)值SK_D_P⑵在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基正交第二功率值YP(2)；……； 積分累加單元PM將反-基正交第M互相關(guān)值SK_D_P(M)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基正交第M功率值YP(M)； 積分累加單元CO將反-基同相初始互相關(guān)值SK_D__)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基同相初始功率值; 積分累加單元Cl將反-基同相第一互相關(guān)值Sk_m(1)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基同相第一功率值Yc(1); 積分累加單元c2將反-基同相第二互相關(guān)值SK_D_。⑵在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基同相第二功率值Yc(2)；……； 積分累加單元CM將反-基同相第M互相關(guān)值Sk_m(m)在預(yù)檢積分時間內(nèi)進行累加，得到未截斷反-基同相第M功率值Ye(M)； 步驟206 :截斷器pO將未截斷反-基正交初始功率值Ypftl)進行12比特的截斷處理，得到反-基正交初始功率值Xpftl); 截斷器Pl將未截斷反-基正交第一功率值YP(1)進行12比特的截斷處理，得到反-基正交第一功率值XP(1); 截斷器p2將未截斷反-基正交第二功率值Yp⑵進行12比特的截斷處理，得到反-基正交第二功率值Xp⑵;……； 截斷器PM將未截斷反-基正交第M功率值YP(M)進行12比特的截斷處理，得到反-基正交第M功率值XP(M)； 截斷器CO將未截斷反-基同相初始功率值Y_)進行12比特的截斷處理，得到反-基同相初始功率值Xc(O); 截斷器Cl將未截斷反-基同相第一功率值Yc(1)進行12比特的截斷處理，得到反-基同相第一功率值Xca)； 截斷器c2將未截斷反-基同相第二功率值Y。⑵進行12比特的 截斷處理，得到反-基同相第二功率值Xc(2)；……； 截斷器CM將未截斷反-基同相第M功率值Y_)進行12比特的截斷處理，得到反-基同相第M功率值Xc(Μ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路GPS信號P (Y)碼相位差的測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)通過在FPGA芯片上用Verilog HDL語言設(shè)計得到硬件的功效。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多路GPS信號的P(Y)碼相位差的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有直射信號捕獲跟蹤模塊、陣列乘法器模塊、高度測量模塊。依據(jù)GPS的正交調(diào)制特性提取接收到的衛(wèi)星信號的正交和同相信號，分離出C/A碼和P(Y)碼，然后分別對其進行等間距相同的延遲，再將其延遲后的信號和反射信號進行互相關(guān)運算，不同的延遲碼片導(dǎo)致不同的非相干積分值，得到不同路GPS信號的P(Y)碼相位差。該測量系統(tǒng)降低了硬件接收設(shè)備的復(fù)雜度，同時測量精度也得到了提高。
文檔編號G01C5/00GK103017731SQ20121048024
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者李偉強, 楊東凱, 秦瑾, 張波, 張帥 申請人:北京航空航天大學(xué)