CN101373212B - 基于快速傅立叶变换的卫星信号跟踪方法及应用其的接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FFT的卫星信号跟踪处理方法及应用其的接收机，所述方法首先对输入的卫星信号进行傅立叶变换，其次，将变换后的卫星信号与预先存储在接收机中的PRN码相乘，然后，对相乘后的信号滤波，并对滤波后的各卫星信号加和，最后，对加和后的信号做傅立叶反变换。使用该方法的接收机跟踪模组的傅立叶变换电路系复用捕获模组的傅立叶变换电路。所述方法通过滤波去除了卫星信号之间的相互干扰，所述接收机通过复用傅立叶变换电路减少了接收机的硬件设置。

Description

基于快速傅立叶变换的卫星信号跟踪方法及应用其的接收机

技术领域

本发明涉及卫星信号处理，具体地说，是一种基于快速傅立叶变换的用于处理全球卫星定位系统(GPS)接收装置中的卫星信号的卫星跟踪方法及应用其的接收机。

背景技术

全球卫星定位系统，简称GPS系统，是一种可以实现连续、实时、三维定位的系统，它由空间部署的24颗卫星、地面控制站和用户接收机三部分组成。空间的24颗卫星不断发射自己专有的伪随机噪声(PRN)码和导航数据电文。用户的接收机捕获PRN码(或称PRN序列)和导航数据电文。GPS接收机处理捕获的数据、分析PRN码，以确定信号来自哪颗卫星。通过把存储在接收机中的PRN码的复本与接收机接收到的PRN码做自相关运算，计算出卫星距接收机的伪距，再结合卫星发射的轨道数据信息，便可确定接收机所在的位置。

一般地，GPS接收机主要由射频前端处理、基带信号处理以及应用处理三部分构成。射频前端接收GPS信号，并对其进行变频、抽样等预处理；信号处理部分捕获(acquisition)、跟踪(tracking)GPS信号并作相应处理，以提取观测量和导航电文数据；应用处理部分则以微处理器为核心，计算出接收机的位置、速度、及时间等信息。

GPS接收机在捕获卫星信号时，会先假设多个PRN码相位和多普勒频率的组合，再对每个组合进行相关处理，以确定某个卫星PRN码的相位和多普勒频率。快速傅立叶变换(FFT)因其可以很有效地在大范围内搜寻卫星的PRN码相位，所以常被用在GPS接收机基带信号处理的捕获模组中。

在卫星信号的跟踪状态中，由于已经获知卫星的PRN码相位和多普勒值，故只需在已知的PRN码相位和多普勒频率周边做小范围搜寻，计算量不大。基于此，传统的卫星信号跟踪算法通过时域的相关运算进行数据处理，而非资源消耗较多的FFT变换。

如上，捕获模组利用FFT来搜寻相关卫星信号，亦即GPS接收机中必然会设立FFT电路。倘若跟踪单元可以利用捕获单元的FFT电路进行信号处理，便可避免为时域计算而额外设计电路，有效节省电路资源。

然而，传统的基于FFT来跟踪卫星信号的处理方法常常在接收机存储的PRN码和接收到的卫星信号相乘之后，对每一路信号做傅立叶反变换，也就是说，需要设置多个傅立叶反变换电路，造成资源的浪费。图1所示就是传统的基于FFT的信号跟踪方法。如图示，首先，输入的射频数据作FFT变换，然后，变换后的信号与预存的每个卫星PRN码的FFT变换值相乘，最后，对相乘结果做FFT反变换(IFFT：Inverse FFT)，便得到来自被跟踪的每个卫星的信号峰值输出。

考虑到如图1所示结构的缺失，有人提出图2所示的电路结构及其处理方法。和图1相比，图2所示结构的特点在于去除每一路的FFT反变换电路，改为使完成乘法运算的各路卫星信号加和，之后再进行FFT反变换，最后对反变换后的数据进行后续的采样处理。

上述方法中，因为是在加和后进行反变换，致使每路卫星信号的相关峰值输出成为其它卫星信号的噪声源，而且这个噪声源会随着跟踪的卫星个数的增加而增加，最后导致每路信号的相关峰值的信噪比过大，以致数据输出结果不可接受。

综上，需要一种处理方法和接收机，能够有效地通过FFT在GPS跟踪阶段处理卫星信号，利用到捕获单元已经设置的FFT变换电路，又能避免如上所述FFT反变换所带来的问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种新的基于快速傅立叶变换(FFT)的卫星信号跟踪方法和使用这种方法的接收机。

本发明的基于FFT的卫星信号跟踪方法，会对接收的每一个卫星的卫星数据信号做快速傅立叶变换；并将变换后的信号和预先存储的对应该卫星的PRN码相乘；然后对相乘后的信号做滤波处理；最后将经过滤波处理的所有卫星的卫星信号加和做傅立叶反变换。

本发明所述的接收机，其跟踪处理模组包括可对每一个卫星的卫星信号做傅立叶变换的傅立叶变换电路；将经过傅立叶变换的上述各卫星信号与预先存储并对应该卫星的PRN码相乘的乘法电路；和乘法电路耦接的滤波电路；将经过滤波电路处理的各卫星信号加和的加法电路；以及对加和后的信号进行傅立叶反变换的傅立叶反变换电路。所述接收机的捕获模组包括傅立叶变换电路，上述跟踪模组的傅立叶变换电路系复用该捕获模组的傅立叶变换电路。

执行本发明所述的跟踪算法，可去除各卫星信号之间的相互干扰；使用本发明所述的接收机，可复用捕获模组的傅立叶变换电路，减少了接收机硬件资源的设置。

附图说明

图1是在GPS信号跟踪中常规的FFT示意图。

图2是在GPS信号跟踪中，共享一个FFT反变换的方法示意图。

图3是本发明的一种处理卫星跟踪信号的系统的结构图。

图4是本发明的一种处理卫星跟踪信号的方法的示意图。

图5是本发明实施例中所选用的采样窗口函数在时域的波形示意图。

图6是本发明所述接收机的结构示意图。

具体实施方式

图3是本发明所述GPS信号跟踪方法处理流程；图4是对应图3的电路原理示意图，以下说明请同时参照图3和图4。

先要说明的是：由于在捕获阶段已经获知要跟踪的是哪一颗卫星，输入信号会据此和接收机预先存储的PRN码中对应该卫星的PRN码进行匹配。为清楚表明不同的卫星信号和不同的PRN码匹配的原理，图4将其示意为经过傅立叶变换的各卫星的卫星信号送入不同的处理通路进行PRN的匹配，如卫星1#的信号进入1#通路处理，卫星2#的信号进入2#通路处理，及至卫星n#的信号进入n#通路处理。但这并不代表本发明的实施需要针对每一个卫星设置一处理通路，实际应用中，可仅仅设置一个由乘法电路41和滤波电路42电性连接的通路，通过在不同的卫星信号到来时，送入不同的PRN码来达成各卫星的卫星信号与对应的PRN码匹配的目的。

首先，在步骤500中，输入信号Sig_in进入傅立叶变换电路40(下称FFT电路)，由FFT电路40对其进行傅立叶变换；其中，输入信号sig_in为GPS接收机已经捕获到的各卫星的GPS信号，包括每一个卫星专有的PRN码和导航数据电文。如图示，在t₁时间完成FFT变换的是卫星1#的GPS信号，经过FFT电路40处理的该信号执行步骤510，进入乘法处理电路41，和预先存储在接收机中对应卫星1#的PRN1码的相乘，以将卫星1#的GPS信号中的PRN码和预先存储的PRN码进行匹配，获得它们的相关度，进而确定卫星1#之PRN码的相位，其中，预先存储PRN码在进行乘法之前已做过傅立叶变换。然后，执行步骤520，使完成相关度运算的GPS信号进入滤波电路42，以滤除卫星1#GPS信号有效值以外的其它噪音。此处的滤波电路为抽样滤波电路，即它以抽样函数(sinc窗口函数)作为滤波函数，去除噪音。在t₁+m₁时刻，完成FFT变换的是卫星2#的GPS信号，同样的，依次执行步骤510和步骤520，它和预先存储的已经过傅立叶变换的PRN2码匹配，以确定卫星2#的PRN码的相位，并通过滤波电路42，滤除卫星2#卫星信号有效值以外的其它噪音。如此，在t₁+m_n时刻，卫星n#的卫星信号经过FFT变换之后，与预先存储的已经过傅立叶变换的PRNn码匹配，获得卫星n#的PRN码的相位，并通过滤波电路42的处理，去除有效信号之外的其它噪音。

在步骤510和520依次处理卫星1#、卫星2#和卫星n#的GPS信号的同时，步骤530也开始执行。各卫星的信号依次进入加法电路43，加和之后执行步骤540，令这些信号进入电路44，做傅立叶反变换，由此，卫星信号由频域回归时域。

在步骤520中，选取的滤波函数是抽样函数(下称sinc窗口函数)。下面以跟踪到16颗卫星、采样频率为2.048MHz为例详细说明步骤520的执行。

选择线性相位区间，使所有的GPS相关信号均匀地分布在时域上，其中每128个样点中，包括由步骤510计算获得的某颗卫星的卫星信号相关峰值的输出(参照图4所示的输出信号sig_out)；在如图4所示的原理图中，每颗卫星的卫星信号对应一个滤波电路，采用一个sinc窗口函数。实际应用中，考虑到针对GPS系统所有的卫星，sinc窗口函数的滤波参数设置相同，故可以使多个卫星信号复用一个滤波电路。对来自不同卫星的卫星信号，通过调整sinc窗口函数的中心位置，就可以有效的滤除其它卫星信号的干扰，避免如图2所示的现有技术的缺陷。图5是Sinc窗口函数滤波器的时域响应仿真图，如图所示，在一毫秒内，共获取到2048个样点，每128(2048/16)个样点中有一个零点。

图6是本发明所述接收机的原理示意图。如图所示，本发明所述的接收机700包括天线70，RF处理模块71，本地晶振72、基带处理模块73以及处理器74。天线70接收GPS信号，RF处理模块71对接收到的GPS信号进行下变频等处理，基带处理模块73则在处理器74的协调和控制下对GPS信号进行跟踪和捕获等处理，处理器74同时也执行接收机700的应用程序。

基带处理模块73包括捕获模组730和跟踪模组731，捕获模组730用以捕获卫星信号，跟踪模组731用以跟踪捕获到的卫星。和现有技术相比，本发明所述接收机的改进在于跟踪模组731，故图6仅示意了捕获模组730与本发明有关的部分，其它未图示。如图，跟踪模组731由FFT变换电路7310，乘法电路7311，滤波电路7312，IFFT电路7313构成，FFT变换电路7310、乘法电路7311、滤波电路7312、IFFT电路7313的功能与作用已经在对图3和图4的描述中说明，此处就不再赘述。特别说明的是，本发明所述的接收机7在跟踪模组731中的FFT电路7310系复用捕获模组730的FFT变换电路。由此，与基于时域的跟踪算法需要另外设置时域算法的电路模组相比，本发明所述的接收机通过跟踪模组731和捕获模组730复用FFT电路，减少了接收机700电路模块的设置；而与图1和图2所示的现有技术相比，本发明所述的接收机通过执行本发明所述的跟踪方法，在多路卫星信号复用IFFT电路的情况下，使用抽样函和相应的滤波电路有效去除了各卫星信号之间的相互干扰，使每一个卫星信号相关峰值的输出的信噪比可保持一较低水平。

Claims (6)

1.一种信号跟踪方法，用以跟踪捕获模组捕获的卫星信号，所述方法包括：

对接收的各卫星信号做快速傅立叶变换，所述做快速傅立叶变换的傅立叶变换电路复用所述捕获模组的傅立叶变换电路；

令变换后的各卫星信号与对应卫星的PRN码相乘；

对相乘后的信号进行滤波；

令滤波后的各卫星信号相加；以及

对相加之后的信号做傅立叶反变换。

2.根据权利要求1所述的跟踪方法，其特征在于，所述滤波系通过抽样滤波函数进行。

3.根据权利要求1所述的跟踪方法，其特征在于，所述PRN是傅立叶变换后的PRN码。

4.一种卫星定位系统接收机，基带处理模块包括捕获模组和跟踪模组，其特征在于，所述跟踪模组包括：

傅立叶变换电路，用以对输入的各卫星的卫星信号做傅立叶变换；

乘法电路，耦接于所述傅立叶变换电路，将经过傅立叶变换的上述各卫星信号与预先存储并对应该卫星的PRN码相乘；

滤波电路，对应乘法电路设置，并耦接所述乘法电路；

加法电路，用以对经过滤波电路处理的各卫星信号加和；

傅立叶反变换电路，耦接所述加法电路，对经过加法电路处理的信号做傅立叶反变换；

所述捕获模组包括傅立叶变换电路，所述跟踪模组的傅立叶变换电路复用所述捕获模组的傅立叶变换电路。

5.根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，所述滤波电路为抽样滤波电路。

6.根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，所述PRN码是傅立叶变换后的PRN码。

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