CN102495416A

CN102495416A - 卫星导航系统信号快速捕获的方法及装置

Info

Publication number: CN102495416A
Application number: CN2011103365776A
Authority: CN
Inventors: 路卫军; 于敦山; 黄永灿; 孔雪; 张利锋
Original assignee: BEIJING ZHONGWEI XINGTONG ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: BEIJING ZHONGWEI XINGTONG ELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明提出了一种卫星导航系统中信号的捕获方法及装置，根据本发明的方法和装置，通过判断能量峰值出现的相位是否一致的方法，来判断卫星信号的是否可见及卫星信号的多普勒频率和码相位，而不是采用传统捕获方法中采用检测能量峰值和门限比较的方法。能有效减少捕获时间，在并行度不变的条件下，能使采用本发明的接收机能更快速地启动。反之，如果要求的接收机启动时间不变，本发明可以减少能量监测器的并行度，从而减少硬件实现代价，从而节约成本。

Description

卫星导航系统信号快速捕获的方法及装置

技术领域

本发明涉及全球卫星导航系统领域，更具体地，涉及全球卫星导航系统的信号捕获方法及其装置，包括GPS，GLONASS，北斗等卫星导航系统中的信号捕获方法及其装置。

背景技术

随着基于位置的服务的需求的拓展，全球导航卫星系统(GNSS)技术的研究与应用逐步深入。导航定位接收机是GNSS系统的重要组成部分，导航接收机一般包括天线、射频模块、基带模块和其他应用模块。其中基带模块完成信号的同步和导航电文解调，产生用于定位的测量值，并根据测量值和导航电文求出位置，根据一定的协议送给应用模块，为应用模块提供位置，速度或时间信息。信号的同步过程包括捕获、跟踪、位同步、帧同步等步骤。其中信号的捕获模块是信号同步的第一个功能模块。

由于多普勒效应和时钟的偏差，接收到的载波频率处于一个范围内。同时，由于接收机启动时间是随机的，开机后，到达接收机的码相位也是随机的，码相位总的个数随着导航系统的不同而有所差异，对GPS来说，码相位为0-1022，共1023个不确定相位。

GNSS信号的捕获是一种二维搜索的过程，要捕获信号，首先需要在本地复制和卫星载波频率和码相位近似一致的信号，当本地的载波频率和卫星信号的载波频率接近且码相位和卫星信号的码相位一致时，捕获模块中的能量检测器就会检测到能量峰值，该能量峰值超过预先设定的门限。但是由于噪声的存在，正确的载波频率和码相位上能量存在一定的概率超不过设定的门限，称为漏捕概率，同样在错误的载波频率和码相位上能量也存在一定的概率超过预先设定的门限，称为虚警概率，由于虚警概率的存在，当捕获模块中的能量检测器检测到的信号能量超过设定门限时，需要判断是否是噪声引起的能量峰值，即消除虚警引起的能量检测峰值，这个过程为验证过程，通过验证过程可以确定能量峰值对应的频率和相位是否和卫星信号种的一致。

验证过程一般是个耗时的过程，一般的方法时，当能量超过门限时，再在该相位和频率上继续检测N次，当其中有M次超过门限时，判决该频率和相位为正确的，否则认为是虚警引起的能量峰值。随着应用的不断拓展和研究的不断深入，现在的接收机需要在信号极弱的条件下捕获信号，这就需要增加积分时间，积分时间增加后，传统的串行能量检测方法会变的太慢而难以忍受，所以一般需要提高并行度来加快捕获速度。即需要同时在多个码相位上进行检测，在同时对几个码相位进行能量检测时，每个相位上出现的虚警概率不变，但在所有的相位出现一个虚警的概率就会增加，当并行度进一步增加，虚警概率就会变的很大，致使捕获模块需要不断的进入验证过程，而传统方法的验证过程所需要的时间一般比较长，从而使捕获时间变的过长而使启动时间变长。

本发明提出了一种在并行搜索条件下的快速验证的方法及其装置，克服了并行捕获中验证时间过长的问题，在其他条件不变的情况下，可以加速卫星信号的捕获过程。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种缩短卫星导航系统在并行捕获中验证时间的信号捕获方法及其装置，该方法及装置能够在其他条件不变的情况下，加速卫星信号的捕获过程。

本发明提供了一种卫星导航系统的信号捕获方法，其中包括H1单元的初步判断和H1单元的验证过程，其特征在于：对于给定的一个频率，对所有码相位进行两次能量检测，如果两次检测到的最大能量值所对应的码相位不一致，则转入该频率剩余码相位的搜索或下一个频率的搜索，如果两次检测到的最大能量所对应的码相位一致，继续检测N次，以验证是否为正确的相位和频率，若所有能量峰值均为同一相位，则捕获成功，否则进行该频点上剩余相位的判决或者换到下一频率。

其中，H1单元的判断采用比较能量峰值对应码相位方法。

其中，H1单元的验证采用比较能量峰值对应码相位的方法。

其中，N的大小根据检测时的并行度和能接受的错捕概率确定。

其中，积分方法采用相干积分结合非相干积分的方式，或者相干积分结合差分积分的方式。

其中，相干积分部分采用时域相关或者频域FFT的方法。

本发明还提供了一种卫星导航系统的信号捕获装置，包括天线、射频模块、能量检测器和处理器，其中能量检测器和处理器按照权利要求1至4中所述信号捕获方法进行卫星信号的捕获。

其中，所述能量检测器包括混频器、载波DCO，存储器、选择器、峰值检测器、控制逻辑、码DCO，码产生器，码相位重载模块，积分模块。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1显示了本发明实施例一对应的捕获方法的流程图；

图2显示了本发明中实现上述捕获方法的信号捕获装置结构图；

图3显示了图2中对应的能量检测器的结构图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果。

根据本发明的具体实施例，参见图1，i指一个频点上的检测次数，其初始值为0；Phase_i指第i次检测中，能量最大值对应的相位；No_bins是搜索的多普勒频率对应的频率序号；N_{doppler_bins}为总的搜索的频点数，f_step为频率搜索步长。

执行过程如下：

设定某一个频率点，在0-N个码相位上进行并行能量检测，在本实施例中，假设搜索的相位并行度为某个频点上所需要检测的所有相位个数，在其他实施例中，相位并行度也可小于总的码相位个数。检测方法可采用相干积分结合非相干积分的方法或者相干积分结合差分积分的方法，对相干积分可以采用相关法或者FFT等方法，检测时间根据信号的强弱进行调整；并行度上可以采用串行，部分并行或全部并行的方法。

能量检测过程能找出所有相位中能量最大的相位Phase_i和最大的能量值Power_i。

在某个频点上对所有相位上进行两次能量检测，对应i＝0和i＝1，如果两次能量检测对应的相位不一致，即Phase₀！＝Phase₁则说明本地载波频率和信号中的不同(假设全相位搜索)，则No_bins++，转到下一个频率。如果Phase₀＝＝Phase₁，即在同一频点上两次检测到的最大能量对应的相位是一致的，则说明相位Phase₀(或Phase₁)有很大概率是当前卫星信号正确的相位，当前设置的多普勒频率和卫星信号的多普勒频率接近。如果，并行度N选择的很大，在错误的频点和相位上，在同一频点和同一码相位上就会峰值的概率很小，如果两次出现峰值，基本上可以判定当前频点和峰值对应相位为信号的正确频率和相位。如果并行度比较小，在该频点上检测，在同一相位上出现峰值的概率就会变大，当同一相位上出现两次峰值后，需要再检测几次以确定卫星信号可见且该相位和频率为正确的相位和频率，则图中为检测N次，N的选择根据并行度和最终能接受的错捕概率来确定。如果在验证过程中，Phase_i！＝Phase_i-1，则No_bins++，转到下一个频率，如果在验证过程中，一直满足Phase_i＝＝Phase_i-1，即每次检测和前次检测得到的能量峰值对应的相位都一致，则判断信号捕获成功，该频率和能量峰值对应的码相位为正确的多普勒频率和相位。

图2虚线框内部分是实现本发明的装置，本发明可以用本装置实现，但不局限于图三所示装置。整个装置包括，一个天线，一个射频模块，一个能量检测器，一个处理器。其中，能量检测器和处理器组成本发明的捕获电路。天线负责信号的接收，射频模块完成信号的放大，滤波和下变频，以及信号的模数转化，并向能量检测器输出两位的中频数据，采样时钟信号。

能量检测器接收射频模块输出的中频信号，处理器通过总线配置能量检测器的载波频率，和卫星码产生器的初始化相位和码多项式，能量检测器输入信号进行混频和相关操作，完成相干积分过程，相干积分结果再进行差分或非相干积分，不同相位的差分或非相干积分结果进行比较，具有最大能量值的相位以及最大能量值被记录，并向CPU发送中断信号，CPU响应中断，通过总线读走能量最大值以及最大能量值对应的相位。

处理器控制能量检测器的运行，并读取能量最大值及其对应相位，通过能量及相位判断卫星信号是否可见。

图3是能量检测器的一种实现方式。

输入的中频信号与本地产生的载波进行混频，分别产生I，Q两路混频后的数据，混频结果在一个码片内进行积分，积分结果放在存储器1或者2中。

存储器1和存储器2是个乒乓结构，当混频积分结果在在向存储器1中保存时，后面的相关器取存储器2中的数据进行处理，当混频积分结果在向存储器2中保存时，后面的相关器对存储器1中的数据进行处理。

该并行相关器采用了20个相关器，通过分时共享完成1023相位的I和Q支路的相干积分功能。并行相关器的输出的某相位下的相干积分结果Ip，i和Qp，i分别与RAM2中保存的上一个1ms的积分结果Ip，i-1和Qp，i-1相乘，结果累加在RAM3中。在累加次数达到预先设置的对大积分数Ndiff时，峰值检测模块找出所有1023个相位的能量最大的相位，并保存最大的能量值。最后，对应于最大能量的相位值，及最大能量值被CPU读取，完成下一步的判决与验证操作。

本发明通过判断能量峰值出现的相位是否一致的方法，来判断卫星信号的是否可见及卫星信号的多普勒频率和码相位，而不是采用传统捕获方法中采用检测能量峰值和门限比较的方法。能有效减少捕获时间，在并行度不变的条件下，能使采用本发明的接收机能更快速地启动。反之，如果要求的接收机启动时间不变，本发明可以减少能量监测器的并行度，从而减少硬件实现代价，从而节约成本。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对恶意代码的检测方法及其体系结构做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或步骤的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims

1.一种卫星导航系统的信号捕获方法，其中包括H1单元的初步判断和H1单元的验证过程，其特征在于：对于给定的一个频率，对所有码相位进行两次能量检测，如果两次检测到的最大能量值所对应的码相位不一致，则转入该频率剩余码相位的搜索或下一个频率的搜索，如果两次检测到的最大能量所对应的码相位一致，继续检测N次，以验证是否为正确的相位和频率，若所有能量峰值均为同一相位，则捕获成功，否则进行该频点上剩余相位的判决或者换到下一频率。

2.如权利要求1所述的卫星导航系统的信号捕获方法，其中，H1单元的初步判断采用比较能量最大值对应码相位的方法。

3.如权利要求1所述的卫星导航系统的信号捕获方法，其中，H1单元的验证采用能量最大值对应码相位的方法。

4.如权利要求1所述的卫星导航系统的信号捕获方法，其中，N的大小根据检测时的并行度和能接受的错捕概率确定。

5.如权利要求1所述的卫星导航系统的信号捕获方法，其中，积分方法采用相干积分结合非相干积分的方式，或者相干积分结合差分积分的方式。

6.如权利要求1所述的卫星导航系统的信号捕获方法，其中，相干积分部分采用时域相关或者频域FFT的方法。

7.一种卫星导航系统的信号捕获装置，包括天线、射频模块、能量检测器和处理器，其中能量检测器和处理器按照权利要求1至4中所述信号捕获方法进行卫星信号的捕获。

8.如权利要求7所述的卫星导航系统的信号捕获装置，其中，所述能量检测器包括混频器、载波DCO，存储器、选择器、峰值检测器、控制逻辑、码DCO，码产生器，码相位重载模块，积分模块。

9.如权利要求7所述的卫星导航系统的信号捕获装置，其中，所述积分模块包括随机存取存储器、相干积分器、非相干积分器。