CN102331580B - 一种高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法，包括在每个遍历周期，检测导航接收机失锁通道的步骤；根据通道的失锁状态确定进行普通串行搜索或快速重捕搜索的步骤；在快速重捕搜索中确定搜索频点和搜索范围的步骤；根据当前时刻本地伪码获取下一遍历周期伪码的步骤；根据本地伪码和下一遍历周期伪码获取伪码调整量的步骤；根据伪码调整量进行重捕的步骤。采用本发明可在实际高动态情况下，根据卫星信号运行的持续、稳定的特性，实现信号失锁后导航信号的快速重捕、定位。

Description

一种高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法。 

背景技术

卫星导航定位系统正在以迅猛的速度发展，为科研、军用、民用各种静、动态应用提供定位信息。但GPS信号属微波传送，信号易被衰减、遮挡，特别容易造成移动中接收机短暂的信号失锁、不定位。如何实现导航接收机，特别是高动态情况下导航接收信号失锁后的快速定位是导航接收机在实际使用过程必须要面对的问题。 

传统卫星导航定位系统信号的捕获是一个二维搜索过程，需要同时复现卫星的即时码和载波频率，C/A码有1023个码相位状态，GPS载波频率与多普勒相关联。典型情况下码相位以1/2码片的增量被搜索，每个码相位搜索增量是一个码的分格。每个频率分格大概是2/(3T)Hz，其中T是搜索逗留时间(逗留时间越长频率分格越小)。采用传统的搜索方法进行通道重新捕获，二维的不确定性很大，搜索时间则较长。如果捕获算法采用快捕方法，且捕获时间小于1秒，之后进行位同步、帧同步，理想情况下假设为7秒，那么则在信号捕获到后至少8秒才能给出伪距观测量，这对于执行紧急任务的接收机载体显然是不能容忍的。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高动态情况下信号失锁后重捕的方法。本方法可在实际高动态情况下，根据卫星信号运行的持续、稳定的特性，实现信号失锁后导航信号的快速重捕、定位。 

本发明的技术解决方案是： 

高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法，包括以下步骤： 

步骤1：在每个遍历周期，对卫星导航接收机的各通道进行遍历，检测通道的失锁状态，若存在失锁通道，则转入步骤2； 

步骤2：判断失锁通道的失锁时间是否超出串行搜索间隔，若失锁时间超过串行搜索间隔，则对失锁通道进行普通串行搜索，完成后返回步骤1；否则，转入步骤3； 

步骤3：若卫星导航接收机的码钟正在运行，则确定捕获频点和在确定的频点下的码搜索范围，并关闭码钟，返回步骤1；若卫星导航接收机的码钟已经关闭，则转入步骤4； 

步骤4：读取卫星导航接收机的当前时刻的本地码相位值；根据本地码相位值获得下一遍历周期的伪码相位值；转入步骤5； 

步骤5：比较当前时刻的本地码相位值和下一遍历周期的伪码相位值，获得相对于本地码相位的调整量，并转入步骤6； 

步骤6：利用步骤5获得的调整量，并根据调整量预置码NCO、码相位计数器和历元计数器；打开卫星导航接收机的码钟，重捕结束，转入步骤1。 

在所述步骤3中，码搜索范围通过在确定的捕获频点利用最大相对速度变化率获得，所述最大相对速度变化率为卫星导航接收机已知可达到的最大相对速度变化率。 

在所述步骤4中获得下一遍历周期的伪码相位值利用当前时刻的本地码相位值和最大相对速度变化率获得，所述最大相对速度变化率为卫星导航接收机已知可达到的最大相对速度变化率。 

在所述步骤5中，若本地码相位值超前于下一遍历周期的伪码相位值，则直接将本地码相位值与下一遍历周期的伪码相位值的差值作为调整量；若本地码相位值滞后于下一遍历周期的伪码相位值，则将本地码相位值和下一遍历周期的伪码相位值的差值的补作为调整量。 

所述串行搜索间隔为10秒。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

1、本发明通过把信号的变化规律类比与物体的运动规律，提出了一个快速重捕算法，该算法的本质是串行搜索方法，但由于利用了之前信号的跟踪信息即前一遍历周期中的本地码相位值等信息，确定出一个较小的搜索范围，且多个通道的信号能同时进行搜索，因此极大的提高了重捕效率。 

2、本发明由于利用预报的方式来确定搜索范围，大大缩短了搜索时间，使该算法尤其适用于高动态(即加速度大于1gm/s²)的接收机。 

附图说明

图1为信号失锁后快速定位方法流程图； 

图2为信号失锁后快速定位的通道控制原理图； 

图3为预置码累积器的流程图。 

具体实施方式

重捕是指在信号失锁一段时间后的捕获，要求捕获速度更快，且信号捕获后，该通道卫星信号的观测量应该马上形成，在具备可靠星历的情况下能立即参与定位解算。 

图1为信号失锁后快速定位实现方法的整体流程图。 

系统的模块关系为：所有模块都以TIC中断为基本步调，然后遍历所有通道(12个)，进行监测哪个通道处于失锁状态，通过每个TIC中断中记录的观测量时标判断失锁时间，确定是进行一般的二维搜索还是进行码累加器的预置(具体过程如图3所示)， 

在通道重捕阶段利用失锁之前的先验信息，根据导航接收机应用环境的动态性能，计算通道失锁t时刻后可能出现的最远处的伪码相位偏移，预报未来某一时刻的伪码相位和载波多普勒需要搜索的范围，进行小范围的二维搜索。并设置伪码速率大于GPS L1频点标准伪码速率，采用“追”的方式，即有意地把本地伪码放快，在伪码不确定度范围搜遍后仍没有捕到，则换下一个频点，从最远处的伪码相位偏移向实际伪码相位靠近。完成该频点所有伪码相位模糊 度的搜索后，以中频频点为中心，采用双边搜索的方式更换载波频点，同时加大伪码相位搜索的频格。当失锁时间超过串行搜索间隔(10s)，通道信号伪码、载波多普勒的模糊度较大，则通道转入正常捕获模式。 

为了在快速捕获成功后实现快速定位，对卫星观测量的形成进行预处理。通常，接收机的伪距采用接收时刻tr减去发射时刻ts的方法来获得伪距，因此为了保证信号捕获成功立即生成伪距，需要能立即提供信号的发射时间ts。导航接收机的采用码累积器获得信号的发射时间，码累积器是在信号同步(包括伪码同步、载波同步、位同步和帧同步)上后才完成初始化的，然而在执行信号重捕的情况下，接收机不但知道t0时刻的伪码相位，同时也知道码累积器的值，因此完全可以在执行重捕任务的同时预置好码累积器，这样在信号完成了捕获并成功锁定伪码和载波后即可以提供出可信的伪距观测量。 

图2为某一通道的信号失锁后快速定位的工作过程：通道的快速重捕利用信号失锁之前的先验信息，因此需要记录该通道信号在处于跟踪状态时候的伪码相位及载波多普勒频率。导航接收机的工作是在定时中断信号TIC的响应下完成的，当通道处于锁定状态时，即伪码、载波、比特和帧都处于同步状态，每隔T_p秒相关器中由TIC发生器产生的TIC信号锁存所有通道的码累积器值，同时以中断的形式通知CPU读取、保存通道中所有观测量，并打上时标。 

在高动态情况下，由于接收机的速度、加速度均很大，接收机位置相对卫星的伪码多普勒、载波多普勒较大，因此当某时刻某一通道由于信号遮挡或中断造成通道失锁时，立即转入重捕阶段。 

图3为本发明的技术实现流程图，假设通道信号在t₀时刻失锁，CPU在上一个TIC时刻记录了该通道的最后一次更新的通道测量值(包括伪码相位、码累积器和载波多普勒的值)，卫星信号的伪码相位和载波多普勒在t₀时刻分别为PN(t₀)[单位：chips]和f_{carrier-doppler}(t₀)[单位：Hz]，接收机与卫星间的最大相对速度变化率为a_max[单位：m/s²]。CPU在下一个TIC即t₁时刻组织通道进行重捕，推算出在t₁时刻伪码相位可能出现的最大偏移。 

我们首先计算出伪码在t₀时刻的码速率。根据码多普勒和载波多普勒的关系式： 

$f_{\mathrm{code}-\mathrm{doppler}}=\frac{f_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler}}}{(f_{\mathrm{carrier}0}/f_{\mathrm{code}0})}$ (公式1-1) 

其中，f_carrier0为载波的标称频率，f_code0为伪码的标称频率。以GPS的L1频点的I支路信号为例，f_carrier0＝1575.42MHz，f_code0＝1.023MHz。 

因此，在t₀时刻的伪码速度为 

$f_{\mathrm{code}}\left(t_0\right)=f_{\mathrm{code}0}+\frac{f_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler}}\left(t_0\right)}{(f_{\mathrm{carrier}0}/f_{\mathrm{code}0})}=f_{\mathrm{code}0}(1+\frac{f_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler}}\left(t_0\right)}{f_{\mathrm{carrier}0}})$ (公式1-2) 

接下来，根据接收机与卫星间的最大速度变化率a_max，可以分别求得最大的伪码多普勒变化率和载波多普勒变化率， 

根据多普勒的计算公式 

$f_d=-\frac{v}{\mathrm{\λ}}$ (公式1-3) 

其中，v[单位：m/s]表示接收机与卫星间的相对速度，λ为电波标称波长，当λ＝c/f_carrier0，则f_d对应为载波多普勒，当λ＝c/f_code0，则f_d对应伪码多普勒，其中，c表示光速(c＝299792458m/s)。式(公式1-3)的两边同时对时间t求导，则有多普勒变化率 

${\stackrel{\·}{f}}_d=-\frac{\stackrel{\·}{v}}{\mathrm{\λ}}=-\frac{a}{\mathrm{\λ}}$ (公式1-4) 

其中，a为v对时间的导数，即加速度。因此伪码在t₁时刻的码相位为 

$\mathrm{PN}\left(t_0\right)=\mathrm{mod}\{\mathrm{PN}\left(t_0\right)+\underset{t_0}{\overset{t_1}{\∫}}[f_{\mathrm{code}0}+{\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{code}-\mathrm{doppler}}\left(t\right)t]\mathrm{dt},\mathrm{PL}\}$ (公式1-5) 

$=\mathrm{mod}\{\mathrm{PN}\left(t_0\right)+f_{\mathrm{code}0}\×(t_1-t_0)+\underset{t_0}{\overset{t_1}{\∫}}{\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{code}-\mathrm{doppler}}\left(t\right)t\·\mathrm{dt},\mathrm{PL}\}$

其中，函数mod{·，PL}表示对PL取模，PL为伪码长度，对于GPS的L1的I支路信号，PL＝1023。在式(公式1-5)中代入加速度a_max，即可算得t₁时刻的可能的两个相位的极限值，表示伪码相位的搜索区间。 

两个载波多普勒的变化的极限分别为 

$f_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler},\min }\left(t_1\right)=f_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler}}\left(t_0\right)-{\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler},\max }\×(t_1-t_0)$

$f_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler},\max }\left(t_1\right)=f_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler}}\left(t_0\right)+{\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{carrier}-\mathrm{doppler},\max }\×(t_1-t_0)$ (公式1-6) 

其中 

可以根据(公式1-4)计算得出。 

对于最后一次更新的伪码相位PN，它里面包含的不确定度最大为1/2码片，因此搜索的伪码的不确定度区间需要增加正负半码片。至此，已分析出t₁时刻码和载波搜索的两个小的二维空间搜索范围。在高动态情况下，还需要对码搜索方式进行改变。 

在高动态情况下，码、载波变化情况剧烈，通道重捕阶段采用“追”的方式进行码相位搜索，即将本地伪码速率有意加快，每次搜索一个频点，每次搜索前预置本地伪码相位对应+a_max的码相位，然后采用“追”的方式向中心码相位频格搜索，在伪码不确定度范围搜遍后仍没有捕到，则换下一个频点。需要注意的是需要把搜索时间也考虑进去，每次切换新的搜索频点时需要计算本次需要搜索的伪码的不确定度范围。如果设置的载波多普勒频率正确，那么则可以产生相关值，成功捕获信号。 

执行完小范围二维搜索的时间很快，搜索一轮后进行第二轮。需要进行多轮搜索的原因是因为需要等待信号复现。当多轮搜索结束到达预定的重捕间隔，即失锁时间超过10s信号仍未捕到，则转入一般的二维搜索，搜索所有的不确定度。如图1右半部分所示。 

在信号捕获成功后，为了快速地形成可用的观测量，如图3所示，对形成观测量的各种码累积器的值通过失锁前的先验信息进行推算、预置。为了准确地在下一个中断TIC来临时，通道立即处于推算出的相位状态，同时码累积器包括码NCO也对应着该相位值，需要停止本地码发生器的驱动时钟，使它停止累加，该操作通过软件控制命令字的方式实现。 

码发生器仍采用移位寄存器的形式，在本次TIC中仅停止码钟，然后在下一个TIC(i+1)的中断里读取当前的码累积器值，从而了解当前码发生器的 状态，即本地码相位值，这时在推算下一个TIC处即TIC(i+2)的伪码相位可能跑的最远的相位和和相位不确定度。比较当前码发生器的状态所对应的相位和推算的相位值的大小，如果码发生器的相位超前计算的相位则计算出延迟相位值ΔP[chips]，告诉NCO_CTRL_UNIT在下一个TIC后延迟ΔP[chips]在使能码钟，如果码发生器的码相位滞后计算的相位则延迟滞后相位对码周期的补。 

本发明中未公开的部分属于本领域公知技术。 

Claims (5)

1.高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在每个遍历周期，对卫星导航接收机的各通道进行遍历，检测通道的失锁状态，若存在失锁通道，则转入步骤2；

步骤2：判断失锁通道的失锁时间是否超出串行搜索间隔，若失锁时间超过串行搜索间隔，则对失锁通道进行普通串行搜索，完成后返回步骤1；否则，转入步骤3；

步骤3：若卫星导航接收机的码钟正在运行，则确定捕获频点和在确定的频点下的码搜索范围，并关闭码钟，返回步骤1；若卫星导航接收机的码钟已经关闭，则转入步骤4；

步骤4：读取卫星导航接收机的当前时刻的本地码相位值；根据本地码相位值获得下一遍历周期的伪码相位值；转入步骤5；

步骤5：比较当前时刻的本地码相位值和下一遍历周期的伪码相位值，获得相对于本地码相位的调整量，并转入步骤6；

步骤6：利用步骤5获得的调整量，并根据调整量预置码NCO、码相位计数器和历元计数器；打开卫星导航接收机的码钟，重捕结束，转入步骤1。

2.根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法，其特征在于：在所述步骤3中，码搜索范围通过在确定的捕获频点利用最大相对速度变化率获得，所述最大相对速度变化率为卫星导航接收机已知可达到的最大相对速度变化率。

3.根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法，其特征在于：在所述步骤4中获得下一遍历周期的伪码相位值利用当前时刻的本地码相位值和最大相对速度变化率获得，所述最大相对速度变化率为卫星导航接收机已知可达到的最大相对速度变化率。

4.根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法，其特征在于：在所述步骤5中，若本地码相位值超前于下一遍历周期的伪码相位值，则直接将本地码相位值与下一遍历周期的伪码相位值的差值作为调整量；若本地码相位值滞后于下一遍历周期的伪码相位值，则将本地码相位值和下一遍历周期的伪码相位值的差值的补作为调整量。

5.根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机信号的快速重捕方法，其特征在于：所述串行搜索间隔为10秒。

Images