CN101005293A

CN101005293A - 高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法及装置

Info

Publication number: CN101005293A
Application number: CNA2006101557145A
Authority: CN
Inventors: 赵民建; 周鹏宇; 许峰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2006-12-31
Filing date: 2006-12-31
Publication date: 2007-07-25

Abstract

本发明公开了一种高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法及装置。作为接收机的重要组成部分，它是一个快速而准确的捕获高动态卫星信号的模块，并可以得到信号的码相位位置与多普勒频率，输出给后续的处理部分。具体的，本发明由部分相关器，补零器，扩频码产生器，FFT运算器，包络运算器，并行Tong检测器与中心控制器组成；通过部分相关与FFT运算得到补偿了不同频偏的卫星信号的相关值，应用并行Tong检测器对这些相关值进行检测，判决信号是否存在。本发明把传统的在码相位与多普勒频偏上进行的二维搜索优化为在码相位上的一维搜索，大大的提高了信号捕获速度。

Description

高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法及装置。

背景技术

高动态卫星导航技术在现代军事、航天、航空等领域具有广泛的应用，对国家安全具有重要意义。国外的高性能战机、远程攻击导航等武器都采用了高性能的高动态卫星导航接收机进行制导；同时，高动态卫星导航系统是航天飞机、航天飞船最理想的导航系统。目前我国在高动态卫星导航技术方面处于起步阶段，并正在积极地开发自主卫星导航系统(如北斗卫星导航系统)。随着研究的深入，高动态卫星导航接收机将成为越来越紧迫的需求。

高动态载体在起飞、变速和落地等时刻，运动状态比较复杂，不仅有非常大的速度，还有较大的加速度和加加速度，具有不可预见性。能否快速的捕获高动态卫星信号，实现本地信号与接收信号的初同步，成为高动态导航接收机技术中的关键。高动态卫星信号快速捕获包括信号多普勒频偏和扩频码相位的捕获，由于接收机载体的高动态性，多普勒频偏范围很大，高动态卫星信号的捕获实际上是对接收信号多普勒频偏和码相位的一个二维搜索过程，1个二维信号搜索单元由1个码相位单元(0.5个码片)与1个多普勒频偏单元构成。简单的进行二维顺序搜索，硬件简单，但是捕获时间长；匹配滤波器只需要一个码元时间即可完成一次相关运算，捕获时间短，但所需硬件开销大。所以一个实用的高动态卫星信号的快速捕获方法与装置已经成为学术界、工业界研究实现的热点，本文正是希望解决这个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法及装置。

它包括以下步骤：

(1)部分相关器接收I(同相)、Q(正交)两路基带卫星信号，与扩频码产生器产生的本地参考序列相乘，然后进行分段累加，在一个扩频码周期内，I、Q两路各得到若干个部分相关值；

(2)补零器在I、Q两路信号的部分相关值序列后面进行补零，得到长度为N的序列，其中N是2的整数次幂；

(3)FFT运算器对补零后的I、Q两路信号进行时域到频域的变换，得到对应于N个不同频点的复数输出，并进行包络运算；

(4)并行Tong检测器对输入的N个频点的包络值进行综合分析，判别该码相位单元的状态：信号不存在或者信号存在或者未确定；

(5)中心控制器根据并行Tong检测的输出作出相应的控制：如果信号不存在，则控制扩频码产生器使本地参考序列移位一个码相位单元；如果为信号，则根据信号所在的频点估计出频偏，与码相位位置一起输出给后续处理部分；如果状态未确定，则继续在该码相位单元进行搜索。

所述的FFT运算器的N个不同频点复数输出：相当于先对卫星信号补偿了不同的频偏，再进行一个扩频码周期的相关运算的结果，以达到大致估计输入信号的多普勒频偏的目的。所述的一个码相位单元为0.5个码片。

包络运算器包括如下步骤：

(1)对FFT运算器输出的复数的实部和虚部分别平方后相加；

(2)对得到的平方和进行限幅，超出系统设定的有效数值范围上限的平方和被强制赋值为上限数值；

(3)限幅后的数值持续进行右移运算，直到该数值为0，并通过计数器记下其移位次数n，把n向右移一位得到

，则2的

次幂即为输入数值的平方根的初步估计；

(4)应用牛顿叠代法对均方根估计的倒数进行逐步逼近，直到得到要求精度的数值；

(5)平方和与叠代得到的平方根倒数相乘，求得所需的平方根(包络值)。

所述的并行Tong检测器包括如下步骤：

(1)对每个频点，上行/下行计数器(K)初始化到K=1；

(2)对每个频点，如果包络值超过系统设定的门限V_t，则上行/下行计数器增加1，否则，减1；

(3)对每个频点，如果计数器的内容达到了最大值A，那么便宣布在该频点信号存在，如果计数器达到0，便宣布在该频点信号不存在；否则，宣布该频点的状态未确定；

(4)综合分析各个频点的状态，以得到当前码相位单元的整体状态：如果N个频点中有一个频点宣布信号存在，那么信号在当前码相位单元上存在；如果N个频点都宣布信号不存在，那么当前码相位单元上信号不存在，否则，宣布当前码相位单元上状态不确定。

高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获装置：第一部分相关器与第一补零器、FFT运算器、包络运算器、并行Tong检测器、中心控制器、扩频码产生器相接，第二部分相关器与第二补零器、FFT运算器、包络运算器相接，扩频码产生器与第一部分相关器、第二部分相关器相接。

第一部分相关器或第二部分相关器的电路为：乘法器与加法器、累加值寄存器相接，加法器与计数器、累加值寄存器相接，累加值寄存器与加法器相接。

第一补零器或第二补零器的电路为：地址计数器与缓存器相接。

本发明改进了卫星信号捕获的性能，主要包括：没有进行直接0关，而是采用部分相关与FFT结合的方法，通过FFT可以同时给出N个不同频点的相关-果(相邻频点之间的频差为N分之一输入FFT的数据率)，每个频点的输出相当于对输入信号补偿了相应的频偏后进行相关运算的结果，传统的卫星信号的捕获是一个对多普勒频偏和码相位的二维搜索过程，1个二维信号搜索单元由1个码相位单元(0.5个码片)与1个多普勒频偏单元构成，但是，部分相关与FFT技术使二维搜索变成一维的码相位搜索，极大的减少了搜索时间，并可以快速的估计出大致的多普勒频偏；在部分相关与FFT之间，进行了补零运算，让1个扩频码周期时间内进入FFT运算器的数值的数量为2的整数次幂，这样做，其一可以增加频偏估计的精度，其二便于FFT的运算，其三可以克服频域抽样中的“栅栏效应”，改善在频域上的扇形衰减；检测方法采用了并行Tong的检测技术，这个方法可以同时对FFT的N个频点的输出进行检测，得到码相位的整体状态，很好的减少了每个码相位单元的搜索停留时间。

附图说明

图1是高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法及装置电路方框图；

图2是本发明的部分相关器的电路方框图；

图3是本发明的补零器的电路方框图；

图4是本发明的包络运算器的电路方框图；

图5是本发明的Tong检测的算法框图；

图6是本发明的并行Tong检测的逻辑控制框图。

具体实施方式

本发明是卫星导航接收机中一个非常关键的组成部分，核心在于实现高动态卫星信号的快速、准确的捕获，使本地信号的码相位和载波与接收信号实现初同步，并对多普勒频偏进行一定精度的估计，以辅助卫星导航接收机中后续的处理模块(跟踪、解扩，解调，PVT等)。在实施例中，采用部分相关与FF结合的方法得到补偿了不同频偏的相关值，并行Tong检测技术对相关值的包络进行综合分析，能够快速捕获信号，判定其码相位位置，估计其多普勒频偏。

如图1所示，高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获装置的电路方框图：第一部分相关器101与第一补零器103、FFT运算器106、包络运算器107、并行Tong检测器108、中心控制器109、扩频码产生器105相接，第二部分相关器102与第二补零器104、FFT运算器106、包络运算器107相接，扩频码产生器105与第一部分相关器101、第二部分相关器102相接。

相应的，本发明的信号处理流程包含以下处理步骤：

(1)卫星导航系统由3个区段组成：卫星星座，地面控制中心与用户接收设备(接收机)。卫星星座包括一些在轨卫星，向用户设备提供测距信号和数据电文，本地接收机接收来自卫星的导航信号进行定位导航。卫星信号一般使用相移键控调制(PSK)，在实施例中，导航信号为双相相移键控调制(BPSK)。实际上，进入到部分相关器的基带信号由卫星信号与环境噪声组成，环境噪声可能为高斯分布、瑞利分布等，因为在轨卫星与本地接收机的距离很远，用户接收机接收到导航信号与环境噪声相比非常微弱(信噪比达到-25dB或者更差)，所以需要利用扩频码的相关特性捕获信号。

本发明中，基带信号从输入装置输入，输入装置包括天线(合众思壮AZ-G)，射频模块(Zarlink GP2015)，A/D以及数字下变频器。通过天线接收，模拟混频、A/D采样、数字下变频运算后，理想情况下，卫星信号的中心频率从设定的频段下变频到零频，同时也从模拟信号变成了同相(I)、正交(Q)两路数字基带信号。所谓理想情况，就是没有卫星信号与本地参考序列之间不存在多普勒频偏，否则，下变频后I、Q两路信号频率并不为零频。I、Q两路基带信号为非整数倍采样，即码率与采样率的比值为一个非整数。

如图2所示，第一部分相关器101或第二部分相关器102的电路为：乘法器201与加法器202、累加值寄存器204相接，加法器202与计数器203、累加值寄存器相接，累加值寄存器204与加法器202相接。

第一部分相关器完成对I路基带信号的部分相关运算；而第二部分相关器完成对Q路基带信号的部分相关运算。

乘法器201有两个输入端口与一个输出端口，基带信号从一个端口输入，本地参考序列(由扩频码产生器105产生)由另外一个端口同步输入。所谓同步，就是两个端口输入数据的速度相同，并且输入时刻也相同。两个端口每进入一个数据，就得到一个乘积，该乘积在下次数据输入的同时输出。

乘法器201得到的基带信号与本地参考序列的乘积与累加值寄存器204中的数值相加，然后替代寄存器原来的数值，同时计数器203自加1。

如果计数器203的数值达到部分相关宽度A(A为设定的系统参数)，则累加值被输出到补零器中(第一部分相关器101输出到补零器103，第二部分相关器输出到补零器104)，同时累加值寄存器204与计数器203被清零，第一部分相关器101与第二相关器102开始新一轮同样的操作；同样，如果扩频码周期结束时刻到达，则执行如上同样的处理步骤。

这样，就对一个扩频码周期内的基带采样数据完成了部分相关运算，I、Q两路基带信号各得到了M个部分相关值，前M-1个的相关长度为A，第M个的相关长度小于A，但是整体时间恰好为扩频码周期。在实施例中，相关宽度A为64个码片，扩频码生成器105采用通用的GPS粗码产生器的方法生成。

(2)第一补零器103对第一部分相关器101输入的I路基带数据部分相关值进行缓存和补零，第二补零器104对第二部分相关器102输入的Q路基带数据部分相关值进行缓存和补零；补零后的结果输出到FFT运算器106中，它的工作周期为扩频码的周期。

如图3所示，补零器由地址计数器301与缓存器302组成，地址计数器初始化为零，缓存器302空间大小为2的整数次幂N(设定的系统参数)，并有N＞M。每输入一个基带信号部分相关值，就被存入缓存器302中，地址计数器301的数值即为存储位置，同时地址计数器301自加1；当扩频码周期结束时刻到达时，缓存器302中的N个数值被输入到FFT运算器106中，同时地址计数器301与缓存器302清零，然后开始新一轮同样的操作。实施例中，缓存器302的空间大小为256。

(3)FFT运算器106基于IP核构建，采用基-2算法，对I，Q两路基带信号的部分相关值进行N点FFT运算。其中I路被当作实部输入，Q路被当作虚部输入，一一对应组合成为N个复数进行运算；FFT运算的得到的结果为复数，输入到包络运算器107中。实施例中，FFT运算器采用的是256点FFT算法。

(4)如图4所示，包络运算器107由平方和计算器401、限幅器402、移位估计器403与牛顿叠代器404组成，对FFT运算器107输入的N个复数进行平方和开方的运算，以得到其包络。对输入的每个复数，分别计算其实部与虚部的平方并求和，输入限幅器402；限幅器402有一个系统设定的有效数值范围，对于超出有效范围边界数值的平方和，强制赋值为边界数值，限幅的目的在于集中硬件资源达到更好的精度；在移位估计器403中，限幅后的数值持续进行右移运算，直到该数值为0，并通过计数器记下其移位次数n，把n向右移一位得到

，则2的

次幂即为限幅器输入数值的平方根的初步估计；牛顿叠代器404对移位估计器输入的估计值先求倒数，然后进行多次的牛顿叠代，叠代公式如下：

h = 1 - {Ax}_{n}^{2}

x_n+1＝x_n+X_nh/2

式中，h为中间变量，A为平方和，x_n为第n次叠代得到的平方根倒数。最后得到的平方根倒数与A相乘即为最后的结果。实施例中，限幅器的上限为3000，而叠代次数为5次。

(5)并行Tong检测器108对包络运算器107输入的包络值进行综合分析，判定当前码相位单元上是否存在信号，并把判决状态输入到中心控制器中。

Tong检测的算法流程如图5所示，对二维搜索中每个搜索单元，上行/下行计数器(K)初始化到K＝1，在希望用降低搜索速度以换取更高的检测概率和最低的虚警概率的地方，K＝2。对每一个输入的包络值，如果超过门限Vt，那么上行/下行计数器增加1，否则，减1。如果计数器的内容达到了最大值系统设定参数A，宣布在该搜索单元信号存在；如果计数器达到0，则宣布信号不存在，否则，宣布状态不确定，继续检测。

而并行Tong检测的算法流程如图6所示，对FFT的N个频点的输出的包络值，同时进行Tong检测，得到每个频点的状态，整体状态控制模块针对各个频点的状态综合得到当前码相位单元的总体状态：如果N个频点中有一个频点宣布信号存在，那么信号在当前码相位单元上存在；如果N个频点都宣布信号不存在，那么当前码相位单元上信号不存在，否则，宣布当前码相位单元上状态不确定。

在实施例中，A为10，门限Vt为15000。

(6)根据并行Tong检测器给出的当前码相位单元的状态，中心控制器109进行相应的控制操作：如果信号在当前码相位单元存在，则把出现信号的那个频点的频偏与码相位位置输出；如果信号不存在，则控制扩频码产生器，让本地参考序列移动一个码相位单元；如果状态不确定，则继续在当前码相位单元搜索。

Claims

1、一种高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于包括以下步骤：

2、根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于，所述的FFT运算器的N个不同频点复数输出：相当于先对卫星信号补偿了不同的频偏，再进行一个扩频码周期的相关运算的结果，以达到大致估计输入信号的多普勒频偏的目的。

3、根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于，所述的一个码相位单元为0.5个码片。

4、根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于，所述的包络运算器包含以下步骤：

(1)对FFT运算器输出的复数的实部和虚部分别平方后相加；

则2的

次幂即为输入数值的平方根的初步估计；

5、根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于，所述的并行Tong检测器包括如下步骤：

(1)对每个频点，上行/下行计数器(K)初始化到K＝1；

(2)对每个频点，如果包络值超过系统设定的门限Vt，则上行/下行计数器增加1，否则，减1；

6.一种如权利要求1所述方法设计的高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获装置，其特征在于，第一部分相关器(101)与第一补零器(103)、FFT运算器(106)、包络运算器(107)、并行Tong检测器(108)、中心控制器(109)、扩频码产生器(105)相接，第二部分相关器(102)与第二补零器(104)、FFT运算器(106)、包络运算器(107)相接，扩频码产生器(105)与第一部分相关器(101)、第二部分相关器(102)相接。

7.根据权利要求6所述的高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获装置，其特征在于，所述的第一部分相关器(101)或第二部分相关器(102)的电路为：乘法器(201)与加法器(202)、累加值寄存器(204)相接，加法器(202)与计数器(203)、累加值寄存器相接，累加值寄存器(204)与加法器(202)相接。

8.根据权利要求6所述的高动态卫星导航接收机中的信号快速捕获装置，其特征在于，所述的第一补零器(103)或第二补零器(104)的电路为：地址计数器(301)与缓存器(302)相接。