CN115166787A - 一种伪卫星系统捕获装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种伪卫星系统捕获装置和方法。该装置包括：互相连接的射频前端处理单元、信号捕获单元和信号处理单元；射频前端处理单元利用天线接收伪卫星信号，通过滤波放大和混频操作将接收的伪卫星信号转为中频信号，信号捕获单元将中频信号与本地载波发生器输出的两路载波信号进行处理，将得到的信号处理结果和本地伪码发生器输出的本地伪码信号共同进入相关器进行运算，输出伪卫星信号的捕获结果；信号处理单元将每一颗伪卫星信号对应的捕获结果的尖峰值记录下来，根据最大尖峰值判定伪卫星是否捕获成功。本发明可用于利用伪卫星信号进行辅助定位或直接利用伪卫星信号进行导航定位的场景下，减少捕获时间并提高捕获的可靠性。

Description

一种伪卫星系统捕获装置和方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种伪卫星系统捕获装置和方法。
背景技术
全球卫星导航系统，是由多个卫星星座、区域系统和增强系统构成。它能够为持有适当的设备的用户提供24小时的坐标信息、速度信息以及时间信息。但是由于受到遮挡、干扰等影响，接收机的定位精度会有所降低，甚至在某些极端情况下接收机接收到的伪卫星信号数量小于4，无法进行有效定位。因此，在特定区域架设伪卫星信号可以弥补卫星导航信号的不足。
伪卫星信号类似于GPS(Global Positioning System，全球定位系统)信号，当接收机接收到该信号后，首先需要将其通过射频前端由射频向中频进行转换。之后需要进行一系列信号处理过程，如载波剥离、伪码剥离、比特同步和子帧同步等等，完成这些处理后才可以实现导航电文的解调。在此过程中，首先需要进行的环节是信号捕获。信号捕获的目的是为了获得接收信号的载波频率和码相位延时的估计值，为跟踪环路提供良好的初始值。
在一个伪卫星组网中，至多有十颗伪卫星，也就是十个基站。对于不同的基站，其发出的伪卫星的信号强度并不是相同的，并且某一个确定的基站只会在它所属的时间间隙0.1ms内发送数据，而在其余0.9ms保持静默。从基站发出的信号方面来看，该信号会在某一0.1ms内包含信息而其余0.9ms为0，但是从接收机接收信号方面来看，接收到的信号并不是只有一个基站发出的信号，而是所有基站发出的信号总和，这也就意味着接收到的信号在全部时隙内都包含信息。因此，在进行信号捕获时，会出现信号强度高的伪卫星信号对信号强度低的伪卫星信号的捕获产生干扰的现象，严重情况下可能导致本应该能捕获成功的伪卫星无法实现信号捕获，造成错误的捕获结果。
发明内容
本发明装置利用伪卫星信号特殊的时隙结构，提高对多颗伪卫星进行捕获的效率，消除强信号对捕获结果的影响。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种伪卫星系统捕获装置，包括：互相连接的射频前端处理单元、信号捕获单元和信号处理单元；
所述射频前端处理单元，用于利用天线接收伪卫星信号，通过滤波放大和混频操作将接收的伪卫星信号转为中频信号，将中频信号输入到信号捕获单元；
所述的信号捕获单元，用于将中频信号与本地载波发生器输出的两路载波信号进行处理，将得到的信号处理结果和本地伪码发生器输出的本地伪码信号共同进入相关器进行运算，输出伪卫星信号的捕获结果；
所述的信号处理单元，用于将每一颗伪卫星信号对应的捕获结果的尖峰值记录下来，将所有的尖峰值进行比较，获取伪卫星中信号强度最高的最大尖峰值，判断最大尖峰值是否大于设定门限值，如果是，则判定伪卫星捕获成功；否则，判定伪卫星捕获失败。
优选地，所述的射频前端处理单元包括天线、滤波放大单元和混频单元；
所述的天线，用于接收伪卫星信号，将接收到的伪卫星信号传输给滤波放大单元；
所述的滤波放大单元，用于对天线传输过来的伪卫星信号进行滤波放大，将滤波放大后的信号传输给混频单元；
所述的混频单元；用于对滤波放大单元传输过来的信号进行混频处理，得到中频信号，将中频信号输入到信号捕获单元。
优选地，所述的信号捕获单元包括本地伪码发生器、本地载波发生器和相关器；
所述的本地载波发生器，用于产生I、Q两路信号，将输入的中频信号与I、Q两路信号相乘，得到I、Q两路的输入信号，将I、Q两路的输入信号通过低通滤波器后再重新合并成基带的复信号s(t)，对复信号s(t)做IFFT；
所述的本地伪码发生器，用于输出伪码信号c(t)，对伪码信号c(t)做IFFT并取共轭；
所述的相关器，用于将复信号s(t)IFFT后的结果与本地伪码信号c(t)IFFT并取共轭后的结果相乘，并将乘积做IFFT反变换，记录IFFT反变换后的结果；
所述的信号捕获单元，用于对当前频率井完成信号捕获后，重新设置本地载波发生器频率到下一个频率井，并重新进行信号捕获，直至对于某一伪卫星信号完成所有频率井的信号捕获，比较所有频率井的捕获结果，得到该信号的最大捕获结果尖峰值，对其余伪卫星重复上述操作，找出其捕获结果的最大值。
优选地，所述的信号处理单元，还用于比较不同伪卫星信号捕获结果的最大值，获取所有比较的伪卫星信号捕获结果的最大值中信号强度最高的尖峰值信号，并对该尖峰值进行门限判断，如果尖峰值大于设定的门限值，则判定该伪卫星捕获成功，则找出该伪卫星的尖峰值对应的伪码相位，将伪码相位所对应的0.1ms的数据置为0，尖峰对应的位置与伪码相位对应，尖峰对应的载波频率即为伪卫星信号所在的载频，剩下的待捕获的伪卫星信号重复上述处理过程，直至所有的伪卫星信号完成信号捕获；
如果尖峰值不大于设定的门限值，则判定伪卫星捕获失败，则判定包含该信号在内的所有待捕获的伪卫星信号均为捕获不成功，完成对所有的伪卫星信号的信号捕获。
根据本发明的另一个方面，提供了一种伪卫星系统捕获方法，应用于所述的伪卫星系统捕获装置，所述方法包括：
B1.对所有待捕获的伪卫星信号进行基于FFT的信号捕获，将每一颗伪卫星信号对应的捕获结果的尖峰值记录下来；
B2.将所有的尖峰值进行比较，获取伪卫星中信号强度最高的最大尖峰值，该最大尖峰值为在所有比较的伪卫星中信号强度最高的信号；
B3.判断最大尖峰值是否大于设定门限值，如果是，则判定伪卫星捕获成功；否则，判定伪卫星捕获失败。
优选地，所述方法还包括：
如果伪卫星捕获成功，则找出该伪卫星的尖峰值对应的伪码相位，将伪码相位所对应的0.1ms的数据置为0，尖峰对应的位置与伪码相位对应，尖峰对应的载波频率即为伪卫星信号所在的载频，剩下的待捕获的伪卫星信号重复上述处理过程，直至所有的伪卫星信号完成信号捕获；
如果伪卫星捕获失败，则判定包含该信号在内的所有待捕获的伪卫星信号均为捕获不成功，完成对所有的伪卫星信号的信号捕获。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例装置可用于利用伪卫星信号进行辅助定位或直接利用伪卫星信号进行导航定位的场景下，减少捕获时间并提高捕获的可靠性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种伪卫星系统捕获装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的伪卫星信号时隙结构和TDMA方案示意图。
图3为本发明实施例提供的一种基于FFT算法的信号捕获方法的工作原理图。
图4为本发明实施例提供的一种多颗伪卫星捕获的方案流程图。
图5是未采用本系统装置时对伪卫星信号捕获的结果图。
图6是采用本系统装置后对伪卫星信号捕获的结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供的一种伪卫星系统捕获装置的结构示意图如图1所示，包括：射频前端处理单元、信号捕获单元和信号处理单元。
射频前端处理单元包括天线、滤波放大单元和混频单元，该单元利用天线接收伪卫星信号，通过滤波放大和混频操作将得到的信号转为中频信号，将中频信号输入到信号捕获单元。
信号捕获单元包括本地伪码发生器、本地载波发生器和相关器，和一种伪卫星信号捕获方案。其中本地伪码发生器、本地载波发生器和相关器都是用于对中频信号进行信号捕获，得到捕获结果。信号捕获单元执行基于FFT算法的信号捕获方法。
所述的本地载波发生器，用于产生I、Q两路信号，将输入的中频信号与I、Q两路信号相乘，得到I、Q两路的输入信号，将I、Q两路的输入信号通过低通滤波器后再重新合并成基带的复信号s(t)，对复信号s(t)做IFFT；
所述的本地伪码发生器，用于输出伪码信号c(t)，对伪码信号c(t)做IFFT并取共轭；
所述的相关器，用于将复信号s(t)IFFT后的结果与本地伪码信号c(t)IFFT并取共轭后的结果相乘，并将乘积做IFFT反变换，记录IFFT反变换后的结果；
所述的信号捕获单元，用于对当前频率井完成信号捕获后，重新设置本地载波发生器频率到下一个频率井，并重新进行信号捕获，直至对于某一伪卫星信号完成所有频率井的信号捕获，比较所有频率井的捕获结果，得到该信号的最大捕获结果尖峰值，对其余伪卫星重复上述操作，找出其捕获结果的最大值。
信号处理单元，用于将每一颗伪卫星信号对应的捕获结果的尖峰值记录下来，将所有的尖峰值进行比较，获取伪卫星中信号强度最高的最大尖峰值，判断最大尖峰值是否大于设定门限值，如果是，则判定伪卫星捕获成功；否则，判定伪卫星捕获失败；
如果伪卫星捕获成功，则找出该伪卫星的尖峰值对应的伪码相位，将伪码相位所对应的0.1ms的数据置为0，这样做的目的是刨去此时最强的伪卫星信号，防止对后续信号产生干扰。如果伪卫星捕获失败，没有捕获到信号，则捕获结束，此时包含该信号在内的所有待捕获的伪卫星信号均为捕获不成功，输出包含捕获成功的伪卫星信号捕获结果的全部结果；
当该伪卫星捕获成功，对剩下的待捕获的伪卫星信号重复上述处理过程，直至所有的伪卫星信号完成信号捕获。
如图2所示是本发明实施例提供的一种伪卫星信号时隙结构和TDMA(TimeDivision Multiple Access，时分多址)方案示意图。
在伪卫星网络中，每个毫秒周期被划分为10个连续的时间段，每个时间段为100微秒，时间段之间没有缓冲区域。位于连续整数毫秒时间值之间的10个插槽一起被称为TDMA帧。帧以时间边界0开始，模单位为1毫秒。200个时间段帧一起构成了一个时间段超帧，该超帧持续200毫秒。时间段超帧开始于时间边界0，超帧时长为200毫秒。
在给定的伪卫星网络中，运行的伪卫星在地理基础上划分为每个最多10颗伪卫星的子网。每个帧内的时隙以不重叠的方式分配给子网内的每颗伪卫星。子网内的每个本地发射器在伪卫星指定的时隙期间进行传输，并且在该帧的剩余时隙期间保持静默，也就是在剩余时隙内该发射器不发送数据。在一个帧内的时间段之间的分配会随着一个超帧内的每个连续帧而发生变化，从而随机化分配邻接。这可以平滑地分配接收机所受到的时间段之间的任何剩余干扰效应。这种分配模式在每个超帧中重复出现。此处的超帧特指上文提到的时间段超帧，由200个时间段帧(TDMA帧)组成，持续200毫秒，具体如图2所示。
如图3是本发明实施例提供的一种基于FFT算法的信号捕获方法的工作原理图。扩频信号的捕获是利用扩频信号良好的自相关特性和互相关特性对信号进行辨别，根据附图3所示流程，只需2次快速傅里叶变换和1次快速傅里叶逆变换运算后就可以得到全部的N个伪码相位的相关结果，利用该结果即可进行信号捕获判断，具体流程为以下子步骤：
A1.输入的中频信号需要和本地载波发生器输出的I路和Q路信号相乘，得到I、Q两路的输入信号。
A2.I、Q两路信号通过低通滤波器后再重新合并成基带的复信号s(t)。
A3.对上一步得到的复信号s(t)做快速傅里叶变换。并对本地伪码发生器输出的伪码信号c(t)也做快速傅里叶变换并取共轭。
A4.将复信号变换后的结果与本地伪码信号运算后的结果相乘，并将乘积做IFFT反变换。
A5.对IFFT反变换后的结果取尖峰值，得到的相关结果就是在本地载波发生器的频率下的相关结果。
如图4是本发明实施例提供的一种多颗伪卫星捕获的方案流程图，包括如下的处理过程：
在伪卫星组网中，每个本地发射器在伪卫星指定的时隙期间进行传输，因此，可以先对所有伪卫星信号进行捕获，寻找最强的伪卫星信号，在得到该信号对应的时隙后，进行下一次捕获，并且将该时隙的信号置为0，以消除该时隙的信号对其他信号的影响。
具体实现的步骤如下：
B1.对所有待捕获的伪卫星信号进行基于FFT的信号捕获，将每一颗伪卫星信号对应的捕获结果的尖峰值记录下来。
该部分为上述伪卫星系统捕获装置的伪卫星信号捕获过程。即：利用天线接收伪卫星信号，通过滤波放大和混频操作将接收的伪卫星信号转为中频信号，将中频信号与本地载波发生器输出的两路载波信号进行处理，将得到的信号处理结果和本地伪码发生器输出的本地伪码信号共同进入相关器进行运算，获取并记录最大尖峰值。
当前频率井完成信号捕获后，重新设置本地载波发生器频率到下一个频率井，并重新进行信号捕获，直至对于某一伪卫星信号完成所有频率井的信号捕获，比较所有频率井的捕获结果，得到该信号的最大捕获结果尖峰值，对其余伪卫星重复上述操作，找出其捕获结果的尖峰值。
B2.将所有的尖峰值进行比较，寻找其中最大的结果所对应的伪卫星编号，该伪卫星就是在所有比较的伪卫星中信号强度最高的信号。
B3.对B2步得到的伪卫星信号的捕获结果进行门限判断，判定伪卫星信号的强度值是否大于设定门限值，如果是，则判定捕获成功；否则，判定捕获失败。
B4.如果捕获成功，则根据B3步的结果找出峰值对应的伪码相位，将伪码相位所对应的0.1ms的数据置为0，这样做的目的是刨去此时最强的伪卫星信号，防止对后续信号产生干扰。如果捕获失败，没有捕获到信号，则捕获结束，此时包含该信号在内的所有待捕获的伪卫星信号均为捕获不成功，输出包含捕获成功的伪卫星信号捕获结果的全部结果。
B5.对剩下的待捕获的伪卫星信号重复步骤B1～B4，直至所有的伪卫星信号完成信号捕获。
综上所述，本发明实施例装置可以有效解决信号强度高的伪卫星信号对弱信号捕获结果产生影响的问题。可用于利用伪卫星信号进行辅助定位或直接利用伪卫星信号进行导航定位的场景下，减少捕获时间并提高捕获的可靠性。
如图5是未采用本系统装置时对伪卫星信号捕获的结果图。在该信号捕获过程中，信号强度为：
PRN1>PRN3>PRN5>PRN7>PRN9
各个伪卫星信号的信号强度如表1所示：
表1伪卫星信号捕获的配置条件表
基站编号 PRN编号 信号强度 采用的时隙
1 1 -44dBm 1
2 3 -54dBm 2
3 5 -64dBm 3
4 7 -74dBm 4
5 9 -84dBm 5
由该表可知，该伪卫星信号捕获的预期结果应为PRN编号1、3、5、7、9的伪卫星信号捕获成功。但根据图5所示，当未采用本系统装置时，受到信号强度高的伪卫星信号(在该捕获过程中PRN1、PRN3的伪卫星信号为强信号)的影响，PRN编号5、7、9的伪卫星信号未能捕获成功，是错误的捕获结果。
如图6是采用本系统装置后对伪卫星信号捕获的结果图。其中所有的配置条件均与图5的配置条件相同。从图6中看出，PRN编号1、3、5、7、9的伪卫星信号均捕获成功，符合预期。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种伪卫星系统捕获装置，其特征在于，包括：互相连接的射频前端处理单元、信号捕获单元和信号处理单元；
所述射频前端处理单元，用于利用天线接收伪卫星信号，通过滤波放大和混频操作将接收的伪卫星信号转为中频信号，将中频信号输入到信号捕获单元；
所述的信号捕获单元，用于将中频信号与本地载波发生器输出的两路载波信号进行处理，将得到的信号处理结果和本地伪码发生器输出的本地伪码信号共同进入相关器进行运算，输出伪卫星信号的捕获结果；
所述的信号处理单元，用于将每一颗伪卫星信号对应的捕获结果的尖峰值记录下来，将所有的尖峰值进行比较，获取伪卫星中信号强度最高的最大尖峰值，判断最大尖峰值是否大于设定门限值，如果是，则判定伪卫星捕获成功；否则，判定伪卫星捕获失败。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的射频前端处理单元包括天线、滤波放大单元和混频单元；
所述的天线，用于接收伪卫星信号，将接收到的伪卫星信号传输给滤波放大单元；
所述的滤波放大单元，用于对天线传输过来的伪卫星信号进行滤波放大，将滤波放大后的信号传输给混频单元；
所述的混频单元；用于对滤波放大单元传输过来的信号进行混频处理，得到中频信号，将中频信号输入到信号捕获单元。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的信号捕获单元包括本地伪码发生器、本地载波发生器和相关器；
所述的本地载波发生器，用于产生I、Q两路信号，将输入的中频信号与I、Q两路信号相乘，得到I、Q两路的输入信号，将I、Q两路的输入信号通过低通滤波器后再重新合并成基带的复信号s(t)，对复信号s(t)做IFFT；
所述的本地伪码发生器，用于输出伪码信号c(t)，对伪码信号c(t)做IFFT并取共轭；
所述的相关器，用于将复信号s(t)IFFT后的结果与本地伪码信号c(t)IFFT并取共轭后的结果相乘，并将乘积做IFFT反变换，记录IFFT反变换后的结果；
所述的信号捕获单元，用于对当前频率井完成信号捕获后，重新设置本地载波发生器频率到下一个频率井，并重新进行信号捕获，直至对于某一伪卫星信号完成所有频率井的信号捕获，比较所有频率井的捕获结果，得到该信号的最大捕获结果尖峰值，对其余伪卫星重复上述操作，找出其捕获结果的最大值。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的信号处理单元，还用于比较不同伪卫星信号捕获结果的最大值，获取所有比较的伪卫星信号捕获结果的最大值中信号强度最高的尖峰值信号，并对该尖峰值进行门限判断，如果尖峰值大于设定的门限值，则判定该伪卫星捕获成功，则找出该伪卫星的尖峰值对应的伪码相位，将伪码相位所对应的0.1ms的数据置为0，尖峰对应的位置与伪码相位对应，尖峰对应的载波频率即为伪卫星信号所在的载频，剩下的待捕获的伪卫星信号重复上述处理过程，直至所有的伪卫星信号完成信号捕获；
如果尖峰值不大于设定的门限值，则判定伪卫星捕获失败，则判定包含该信号在内的所有待捕获的伪卫星信号均为捕获不成功，完成对所有的伪卫星信号的信号捕获。
5.一种伪卫星系统捕获方法，其特征在于，应用于权利要求1至4任一项所述的伪卫星系统捕获装置，所述方法包括：
B1.对所有待捕获的伪卫星信号进行基于FFT的信号捕获，将每一颗伪卫星信号对应的捕获结果的尖峰值记录下来；
B2.将所有的尖峰值进行比较，获取伪卫星中信号强度最高的最大尖峰值，该最大尖峰值为在所有比较的伪卫星中信号强度最高的信号；
B3.判断最大尖峰值是否大于设定门限值，如果是，则判定伪卫星捕获成功；否则，判定伪卫星捕获失败。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
如果伪卫星捕获成功，则找出该伪卫星的尖峰值对应的伪码相位，将伪码相位所对应的0.1ms的数据置为0，尖峰对应的位置与伪码相位对应，尖峰对应的载波频率即为伪卫星信号所在的载频，剩下的待捕获的伪卫星信号重复上述处理过程，直至所有的伪卫星信号完成信号捕获；
如果伪卫星捕获失败，则判定包含该信号在内的所有待捕获的伪卫星信号均为捕获不成功，完成对所有的伪卫星信号的信号捕获。
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