CN101393258B - 捕获卫星信号载波频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捕获卫星信号载波频率的方法，包括以下步骤：从卫星信号的数字中频信号

采样数据中抽取数据段，并将各数据段分成数据块，ω_if为卫星信号载波角频率；确定补偿角频率为ω_i的相位补偿序列；对抽取的数据段与相位补偿序列的乘积进行处理，获取频谱波峰的角频率ω_peak；根据ω_if＝ω_peak-ω_i，确定卫星信号载波角频率ω_if，并将GPS接收机对应信道的数字可控振荡器工作频率设置为ω_if，实现卫星信号载波频率的捕获。本发明方法能减少载波频率的搜索时间，减少冷启动时间，可广泛应用于卫星接收系统中。

Description

捕获卫星信号载波频率的方法

技术领域

本发明涉及捕获技术，特别是涉及一种捕获卫星信号载波频率的方法。

背景技术

全球定位系统(GPS，Global Position System)接收机接收同步地球卫星发送的卫星信号，而且，在不同的地点对应不同的同步地球卫星。卫星信号包括载波信号、测距码和导航电文，测距码包括粗捕获码(C/A码)和精密测距码(P码)，C/A码和P码均为幅值为±1的伪随机序列；导航电文包括卫星星历、同步地球卫星工作状态、时钟改正、电离层时延改正以及大气折射改正等导航信息。同步地球卫星的空间轨道参数与瞬时时间、空间坐标的集合称为卫星星历。同步地球卫星以广播方式发布卫星星历，GPS接收机根据卫星星历进行定位。卫星历书是卫星星历的简化子集，包含在导航电文的第四、第五子帧中。GPS接收机根据卫星历书确定任意时刻、任意同步地球卫星在空间的大概位置，使得GPS接收机对同步地球卫星的搜索做到有的放矢，避免满天搜星。

GPS接收机的启动有冷启动和热启动之分。冷启动是无任何先验信息下的启动。实际应用中，GPS接收机断电后再启动就是冷启动；而GPS接收机在不断电情况下的启动就是热启动。GPS接收机的断电会导致已接收的卫星星历等信息被删除，因此，在GPS接收机冷启动过程中，GPS接收机需根据当前接收的卫星信号重新搜星，或者重新下载卫星星历等信息，需重对卫星信号进行相关、捕获、跟踪、解调处理，以获取导航信息；而在热启动过程中，由于GPS接收机热启动之前接收到的卫星星历没有丢失，因此，GPS接收机不必重新搜星，不必重新下载卫星星历，也不必重新获取导航信息。这样，GPS接收机冷启动相比较于热启动而言，启动时间比较长。

目前，冷启动过程中，GPS接收机在对卫星信号进行相关处理的基础上进行的捕获处理为：在卫星信号的多普勒频率和粗码码元相位二维平面上寻找粗码相关结果中的最大峰值，根据该最大峰值获取载波频率和粗码相位。

由此可见，在现有技术中，GPS接收机在冷启动过程中捕获卫星信号载波频率的搜索过程比较复杂，所以，搜索时间比较长，从而导致了GPS接收机冷启动时间的延长。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种捕获卫星信号载波频率的方法，能减少载波频率的搜索时间，从而减少冷启动时间。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种捕获卫星信号载波频率的方法，包括以下步骤：

a、从GPS接收机接收的卫星信号的数字中频信号 $S\left(n\right)=A{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{if}}n{T}_s}$ 采样数据中抽取时间长度为L的数据段，并将抽取的各数据段分成时间长度为T的数据块；其中，ω_if为卫星信号载波角频率，n为采样点序数，T_s为采样周期，L、T均为自然数，且L≥T；

b、确定补偿角频率为ω_i的相位补偿序列；其中，i为相位补偿序列的序数；

c、对抽取的数据段与相位补偿序列的乘积进行处理，获取该处理结果的频谱波峰的角频率ω_peak；

d、根据ω_if＝ω_peak-ω_i，确定卫星信号载波角频率ω_if，并将卫星信号对应的GPS接收机信道的数字可控振荡器工作频率设置为确定的卫星信号载波角频率ω_if，实现卫星信号载波频率的捕获。

综上所述，本发明提出的一种捕获卫星信号载波频率的方法，在一定频率搜索范围内确定补偿角频率，通过补偿角频率获得相位补偿序列；GPS接收机接收的一个数据段或若干数据段内的数字中频信号与相位补偿序列进行乘积、叠加、平方等处理后，将处理结果进行快速傅立叶变换，确定频谱波峰对应的频率，进而获得载波频率。由此可见，采用本发明方法无需在多普勒频率和粗码相位二维平面上寻找最大相关频谱波峰，只需在一维方向上获取卫星信号的频谱波峰即可。因此，本发明方法可以大大缩短频谱波峰的搜索时间，从而减少卫星接收机的冷启动时间。

附图说明

图1为本发明捕获卫星信号载波频率的方法流程图。

图2为本发明一个数据段的组成结构示意图。

图3为本发明一个数据段的叠加序列获取过程示意图。

图4为数据位翻转原理示意图。

图5为本实施例一个数据段的平方序列的部分频谱信号示意图。

图6为本实施例偶数组的平方序列的部分频谱信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

GPS接收机对接收的卫星信号的处理分为射频信号处理和中频信号处理两部分。射频信号处理部分对GPS接收机接收的卫星信号进行下变频、采样和量化处理，得到数字中频信号 $S\left(n\right)=A{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{if}}n{T}_s};$ 其中，ω_if是卫星信号载波角频率，n为采样点序数，T_s为采样周期。

通常情况下，GPS接收机在冷启动过程中接收到的卫星信号载波角频率是未知的。本发明通过对数字中频信号进行相位补偿，对经过相位补偿的数字中频信号进行叠加、平方运算，以及对平方运算结果进行频谱分析后，根据频谱峰值的角频率和相位补偿序列的角频率获取卫星信号载波频率。

图1为本发明捕获卫星信号载波频率的方法流程图。如图1所示，本发明所述捕获卫星信号载波频率的方法包括：

步骤11、从GPS接收机接收的卫星信号的数字中频信号 $S\left(n\right)=A{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{if}}n{T}_s}$ 采样数据中抽取时间长度为L的数据段(Segment)，并将抽取的各数据段分成时间长度为T的数据块(Block)；其中，L、T均为自然数，且L≥T。

步骤11包括：

a1、从GPS接收机接收的卫星信号的数字中频信号采样数据中抽取至少一个时间长度为L的数据段；

a2、将抽取的每个数据段分成一个或一个以上的时间长度为T的数据块。

图2为本发明一个数据段的组成结构示意图。如图2所示，数据段0为从数字中频信号采样数据中抽取的一个数据段，将数据段0分成M个数据块，分别为数据块0、数据块1、......、数据块(M-1)；每个数据块包括N个采样点，数据块0的采样点为0、1、......、N-1，数据块1的采样点为N、N+1、......、2N-1，......，数据块(M-1)的采样点为(M-1)N、MN-N+1、......、MN-1，而且，数据块0的第1个采样点0、数据块1的第1个采样点N、...、数据块(M-1)的第1个采样点(M-1)N相互对应，依次类推，数据块0的第2个采样点1、数据块1的第2个采样点N+1、...、数据块(M-1)的第2个采样点MN-N+1相互对应，......，数据块0的第N个采样点N-1、数据块1的第N个采样点2N-1、...、数据块(M-1)的第N个采样点MN-1相互对应。

步骤12、确定补偿角频率为ω_i的相位补偿序列；其中，i为相位补偿序列的序数。

步骤12包括：

步骤121、根据数据块的时间长度T确定频率搜索范围为

赫兹；

步骤122、设置搜索步长δf；

步骤123、根据频率搜索范围和搜索步长，确定相位补偿序列的个数为

个，每个相位补偿序列对应频率搜索范围中的一个补偿频率；

步骤124、根据补偿频率确定的补偿角频率ω_i，确定相位补偿序列。

实际应用中，根据数字中频信号的表示方式 $S\left(n\right)=A{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{if}}n{T}_s},$ 以及相位补偿序列的相位补偿作用，将相位补偿序列表示为 $P_i\left(n\right)=e^{{\mathrm{j\ω}}_{i}n{T}_s}.$ 经过步骤121～124，可得到k个相位补偿序列 $P_1\left(n\right)=e^{{\mathrm{j\ω}}_{1}n{T}_s},$ $P_2\left(n\right)=e^{{\mathrm{j\ω}}_{2}n{T}_s},$ $P_k\left(n\right)=e^{{\mathrm{j\ω}}_{k}n{T}_s},$ 同时，得到k个补偿角频率ω₁、ω₂、…、ω_k；其中， $k=\frac{1}{\mathrm{T\δf}}.$

实际应用中，根据搜索到的补偿角频率与其真实值之间的误差、GPS接收机的存储量和运算量，确定搜索步长的大小。搜索步长越小，相位补偿序列的个数越多；由于相位补偿序列的增多，GPS接收机需消耗更多的存储空间和运算时间，但补偿角频率与其真实值之间的误差会减小。相反地，搜索步长越大，相位补偿序列的个数越少；由于相位补偿序列的减少，GPS接收机需消耗较少的存储空间和运算时间，但补偿角频率与其真实值之间的误差会增大。基于上述情况，搜索步长的选择需要兼顾补偿角频率与其真实值之间的误差、GPS接收机的存储能力和运算能力。

步骤13、对抽取的数据段与相位补偿序列的乘积进行处理，获取该处理结果的频谱波峰的角频率ω_peak。

步骤14、根据ω_if＝ω_peak-ω_i，确定卫星信号载波角频率ω_if，并将卫星信号对应的GPS接收机信道的数字可控振荡器工作频率设置为确定的卫星信号载波角频率ω_if，实现卫星信号载波频率的捕获。

实际应用中，步骤14确定的卫星信号载波角频率ω_if对应一个或多个卫星。

实际应用中，当GPS接收机接收的卫星信号比较强时，步骤11中抽取的各数据段的时间长度的总和不超过20毫秒，就可以实现卫星信号载波频率的捕获：

步骤11中，数据段的时间长度L为1毫秒≤L≤5毫秒，数据块的时间长度T为1毫秒的整数倍。

当GPS接收机接收的卫星信号比较强时，数据段的时间长度L的取值不能太大。由于GPS系统中存在的多普勒效应导致了伪码(即伪随机序列)时钟有偏移，所以，如果数据段的时间长度L的取值过大，则各数据块对应采样点无法实现同步，导致本发明捕获的载波频率误差较大。

步骤13中，对抽取的数据段与相位补偿序列的乘积进行处理包括：

步骤1311、抽取的数据段与相位补偿序列的每个乘积中，各数据块的第j个采样点均相互对应，将各数据块对应采样点叠加，得到数据段的叠加序列；其中，j为自然数。

图3为本发明一个数据段的叠加序列获取过程示意图。如图3所示，数字中频信号S(n)中，一个包含M个数据块的数据段与任一相位补偿序列 $P_i\left(n\right)=e^{{\mathrm{j\ω}}_{i}n{T}_s}$ 相乘，得到经过相位补偿的数字中频序列y_i(n)＝S(n)×P_i(n)，数字中频序列y_i(n)包含M个数据块，分别为数据块0、数据块1、...、数据块(M-1)，每个数据块包括N个采样点。数据块0的采样点为0、1、......、N-1，数据块1的采样点为N、N+1、......、2N-1，......，数据块(M-1)的采样点为(M-1)N、MN-N+1、......、MN-1。各数据块的第j个采样点均相互对应，各数据块的对应采样点叠加，得到该数据段的叠加序列Y_i(n)，数据段的叠加序列Y_i(n)的时间长度等于一个数据块的时间长度，且包括N个采样点，分别为采样点0、1、...、N。

实际应用中，由于数据段的叠加序列相比较于数字中频序列而言，其信号幅度提高了N倍，所以，数据段的叠加序列的功率提高了N²倍。如果GPS接收机受到的干扰为高斯白噪声信号，在高斯白噪声信号变换到数据段的叠加序列之后，高斯白噪声的功率为原来的N倍。因此，GPS接收机的信噪比增加了10log N分贝。

步骤1312、对数据段的叠加序列进行平方运算，得到数据段的平方序列。

根据图3所示的数据段的叠加序列获取过程，可以知道，数据段的平方序列的时间长度也等于一个数据块的时间长度。

数据段叠加后，尽管GPS接收机的信噪比提高了，但是数据段的叠加序列的频谱信号比较平坦，被淹没在噪声信号中。为了解决这个问题，对数据段的叠加序列进行平方运算处理。

步骤1313、对数据段的平方序列进行快速傅立叶变换，得到频谱波峰ω_peak。

全球定位系统卫星信号中，导航电文是用户用来定位和导航的数据基础，就工作原理而言，导航电文就是从卫星信号中解调出来的数据码(D码)。由于导航电文采用不归零制的二进制码编码，每20ms发生一次数据位翻转(Data Bit Transition)，所以，注入导航电文后的粗码、精码等信息每20ms会发生数据位翻转。图4为数据翻转原理示意图。如图4所示，图(a)为采用不归零制的二进制码编码的导航电文数据波形，图(b)为任一伪随机序列波形，导航电文的数据码和伪随机序列中的“+1”采用二进制码“0”表示，“-1”采用二进制码“1”表示，如果将导航电文注入卫星信号，导航电文数据码与伪随机序列之间采用模二和运算规则，这样，伪随机序列每20ms发生一次数据位翻转，得到如图(c)所示的信息波，可以看出，在导航电文的码值为-1的信息段内，注入导航电文的伪随机序列的码值发生翻转，即，注入导航电文后的粗码、精码等信息每20ms发生一次数据位翻转。

实际应用中，当GPS接收机接收的卫星信号比较弱时，GPS接收机需要从数字中频信号采样数据中抽取20ms以上的采样数据；而数字中频信号采样数据每20ms发生一次数据位翻转，因此，GPS接收机无法直接采用图1所示的方法捕获载波频率；否则，会恶化计算结果，导致捕获的载波频率与实际载波频率之间的误差较大。

综上所述，针对卫星信号较弱的情况，本发明还对图1所示的方法进行了优化，包括：

步骤11中，数据段的时间长度L为10毫秒，数据块的时间长度T为1毫秒；

步骤11还包括：

从抽取的第一个数据段开始，依次记录数据段的序号；由序号为奇数的数据段组成奇数组，序号为偶数的数据段组成偶数组。

步骤121中，所述频率搜索范围为[0，1000]赫兹；

步骤123中，所述相位补偿序列的个数为

个。

步骤13中，所述对抽取的数据段与相位补偿序列的乘积进行处理包括：

步骤1321、抽取的数据段与相位补偿序列的每个乘积中，各数据块的第j个采样点均相互对应，将各数据块对应采样点叠加，得到数据段的叠加序列；其中，j为自然数；

步骤1322、对数据段的叠加序列进行平方运算，得到数据段的平方序列；

步骤1323、奇数组中各数据段的平方序列的第j个采样点均相互对应，奇数组中各数据段的平方序列的对应采样点叠加，得到奇数组的平方序列；偶数组中各数据段的平方序列的第j个采样点均相互对应，偶数组中各数据段的平方序列的对应采样点叠加，得到偶数组的平方序列；

步骤1324、对奇数组的平方序列和偶数组的平方序列进行快速傅立叶变换，得到频谱波峰。

实际应用中，有数据位翻转的奇数组或偶数组经过快速傅立叶变换后无频谱峰值出现。

综上所述，本发明方法中，GPS接收机接收的一个数据段或若干数据段的数字中频信号与相位补偿序列经过乘积、叠加、平方等处理后，对处理结果进行快速傅立叶变换，确定频谱波峰对应的频率，进而捕获载波频率。由此可见，本发明方法在一维方向上实现了卫星信号频谱波峰的获取，可以大大缩短频谱波峰的搜索时间，从而减少卫星接收机的冷启动时间。

实施例

GPS接收机接收的数字中频信号 $S\left(n\right)=A{e}^{{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{if}}n{T}_s}$ 的采样频率f_s＝5.043MHz，载噪比(CNR，Carrier Noise Ratio)小于20dBHz。由载噪比可知，GPS接收机接收的数字中频信号的信号强度比较弱。基于这种情况，从数字中频信号的采样数据中，每10ms抽取一个数据段，共40个数据段，将各数据段均分为10个数据块，这样，每个数据块的时间长度为1ms，每个数据块中有5043个采样点；其中，ω_if是卫星信号载波角频率，采样周期T_s＝1/f_s≈0.2us，n＝0、1、2、...、50429。根据每个数据块的时间长度，可以确定补偿角频率的搜索范围为[0，1000Hz]。本实施例中，选取搜索步长δf＝20赫兹。

本实施例所述捕获卫星信号载波频率的方法，包括如下步骤：

1、从抽取的第一个数据段开始，将数据段依次记为S₀、S₁、S₂、S₃、...、S₃₈、S₃₉，序号为奇数的数据段组成奇数组{S₁，S₃，...，S₃₉}，序号为偶数的数据段组成偶数组{S₀，S₂，...，S₃₈}，每个数据段包括10个数据块，每个数据块包括5043个采样点。

2、根据搜索范围[0，1000]赫兹和搜索步长δf＝20赫兹，确定相位补偿序列的个数 $k=\frac{1000}{\mathrm{\δf}}=50;$ 50个相位补偿序列中，第i个相位补偿序列对应的补偿频率为f_i，且0≤f_i≤1000；根据补偿角频率ω_i＝2πf_i，确定相位补偿序列 $P_i\left(n\right)=e^{{\mathrm{j\ω}}_{i}n{T}_s};$ 其中，i＝1、2、...、50。

3、抽取的各数据段与相位补偿序列的乘积y_i(n)中，每个乘积的10个数据块的第j个采样点均相互对应，本实施例中，0≤j≤5042；10个数据块的对应采样点数叠加，得到数据段的叠加序列Y_i(n)，该数据段的叠加序列包含5043个采样点；对数据段的叠加序列进行平方运算，得到一个数据段的平方序列Y_i ²(n)。

图5为本实施例一个数据段的平方序列的部分频谱信号示意图。如图5所示，对一个数据段的平方序列进行快速傅立叶变换，得到的频谱信号很弱，可以看出，没有任何明显峰值。

4、奇数组中20个数据段的平方序列的第j个采样点均相互对应，20个数据段的平方序列的对应采样点叠加，得到奇数组的平方序列；偶数组中20个数据段的平方序列的第j个采样点均相互对应，20个数据段的平方序列的对应采样点叠加，得到偶数组的平方序列。

5、对奇数组的平方序列和偶数组的平方序列进行快速傅立叶变换，得到频谱波峰的角频率ω_peak；根据频谱波峰的角频率ω_peak和相位补偿序列的角频率ω_i，确定卫星信号载波角频率ω_if。

奇数组的平方序列经过快速傅立叶变换后，无频谱波峰生成。图6为本实施例偶数组的平方序列的部分频谱信号示意图。如图6所示，偶数组的平方序列经快速傅立叶变换后，得到一组频谱波峰，该组频谱波峰包含61、62两个对称的频谱波峰，远离纵轴的频谱波峰62为靠近纵轴的频谱波峰61的镜像频谱波峰。因此，选择靠近纵轴的频谱波峰61在横轴方向上的频率值的角频率ω_peak，根据ω_if＝ω_peak-ω_i，得到载波角频率ω_if。

6、将步骤5确定的卫星信号载波角频率ω_if对应信道的本地数字可控振荡器工作频率设置为该卫星信号载波角频率ω_if。

实际应用中，本发明实施例获取的补偿角频率对应的补偿频率是1000Hz的整数倍，因此，只需要针对1000Hz的整数倍进行傅立叶(DFT，Discrete Fourier Transform)变换即可，这样会进一步节省接收机的存储量和计算量，也降低了冷启动时间。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种捕获卫星信号载波频率的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

a、从GPS接收机接收的卫星信号的数字中频信号

采样数据中抽取时间长度为L的数据段，并将抽取的各数据段分成时间长度为T的数据块；其中，ω_if为卫星信号载波角频率，n为采样点序数，T_s为采样周期，L、T均为自然数，且L≥T；

b、确定补偿角频率为ω_i的相位补偿序列；其中，i为相位补偿序列的序数；

c、对抽取的数据段与相位补偿序列的乘积进行处理，获取该处理结果的频谱波峰的角频率ω_peak；

d、根据ω_if＝ω_peak-ω_i，确定卫星信号载波角频率ω_if，并将卫星信号对应的GPS接收机信道的数字可控振荡器工作频率设置为确定的卫星信号载波角频率ω_if，实现卫星信号载波频率的捕获。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b包括：

b1、根据数据块的时间长度T确定频率搜索范围为

赫兹；

b2、设置搜索步长δf；

b3、根据频率搜索范围和搜索步长，确定相位补偿序列的个数为

个，每个相位补偿序列对应频率搜索范围中的一个补偿频率；

b4、根据补偿频率确定的补偿角频率ω_i，确定相位补偿序列。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述相位补偿序列为

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当GPS接收机接收的卫星信号强度高时，步骤a中，所述数据段的时间长度L为1毫秒≤L≤5毫秒；所述数据块的时间长度T为1毫秒的整数倍；

步骤c中，所述对抽取的数据段与相位补偿序列的乘积进行处理包括：

c11、抽取的数据段与相位补偿序列的每个乘积中，各数据块的第j个采样点均相互对应，将各数据块的对应采样点叠加，得到数据段的叠加序列；其中，j为自然数；

c12、对数据段的叠加序列进行平方运算，得到数据段的平方序列；

c13、对数据段的平方序列进行快速傅立叶变换，得到频谱波峰。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当GPS接收机接收的卫星信号强度低时，数字中频信号采样数据每20毫秒发生一次数据位翻转，步骤a中，所述数据段的时间长度L为10毫秒，所述数据块的时间长度T为1毫秒；

步骤a还包括：

从抽取的第一个数据段开始，依次记录数据段的序号；由序号为奇数的数据段组成奇数组，序号为偶数的数据段组成偶数组；

步骤b1中，所述频率搜索范围为[0,1000]赫兹；

步骤b3中，所述相位补偿序列的个数为个；

步骤c中，所述对抽取的数据段与相位补偿序列的乘积进行处理包括：

c21、抽取的数据段与相位补偿序列的每个乘积中，各数据块的第j个采样点均相互对应，将各数据块对应采样点叠加，得到数据段的叠加序列；其中，j为自然数；

c22、对数据段的叠加序列进行平方运算，得到数据段的平方序列；

c23、奇数组中各数据段的平方序列的第j个采样点均相互对应，奇数组中各数据段的平方序列的对应采样点叠加，得到奇数组的平方序列；偶数组中各数据段的平方序列的第j个采样点均相互对应，偶数组中各数据段的平方序列的对应采样点叠加，得到偶数组的平方序列；

c24、对奇数组的平方序列和偶数组的平方序列进行快速傅立叶变换，得到频谱波峰。

Images