CN102590832B - 一种卫星导航信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航信号捕获方法。其是在时延未知的情况下，先估计出含多普勒频移的信号频率和其对应的模糊频率；然后根据卫星信号中频和多普勒频移范围已知的先验信息去除模糊频率；再利用估计得到的含多普勒频移的频率作为已知条件，根据非线性最小二乘准则估计出每颗卫星信号的时延以及对应的卫星星号。本方法将卫星导航信号捕获过程作为含多普勒频移的信号频率和码相位的参数估计问题来处理，这样能够在不影响捕获性能的前提下简化常规捕获方法的运算过程，降低计算复杂度，因此具有速度快、复杂度低且处理步骤简单等优点。

Description

一种卫星导航信号捕获方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，特别是涉及一种卫星导航信号捕获方法。

背景技术

航天技术是二十一世纪人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域之一，其对人类社会的进步和现代科学技术的发展有着重要的促进作用。其中最引人关注、最具有应用价值的技术之一就是卫星导航定位技术。美国斥巨资建立和维护的全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)，俄罗斯研制的全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System，GLONAS S)，我国北斗卫星导航系统(Compass NavigationSatellite System)的研究以及欧洲的伽利略定位系统(Galileo Positioning System，GALILEO)计划，均表明卫星导航定位系统在军/民用领域的重要地位。卫星导航系统具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。卫星导航系统出现以来在各个领域得到了极为广泛的应用，已经成为现代社会生产、生活中不可缺少的重要基础工具。

信号捕获程序是卫星导航接收机的起始部分，用于检测GPS卫星信号，为跟踪程序提供初始条件。在常规接收机中，如果某颗卫星在输入信号中被检测到，则此卫星信号所对应的一个周期内的C/A码偏移量和频率值将会被作为跟踪程序的初始值进行后续计算。常规信号捕获方法是一个二维搜索过程，在C/A码相位搜索的同时搜索多普勒频移。C/A码作为一种伪随机码，其特点是不同序列互相关值接近为零，同一序列只有相位完全相同情况下才会出现峰值。常规接收机中捕获方法就是根据这一特点计算出含多普勒频移的信号频率和一个C/A周期内的码相位偏移量。

常规卫星导航接收机捕获方法采用二维搜索，同时搜索含多普勒频移的信号频率和码相位，找到其对应的最大值。虽然采用并行码搜索方法可以较好地改善搜索速度，但是常规捕获方法仍然具有较高的计算复杂度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种速度快、复杂度低且处理步骤简单的卫星导航信号捕获方法。

为了达到上述目的，本发明提供的卫星导航信号捕获方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)将卫星天线接收到的射频信号下变频为中频信号；

(2)将上述下变频得到的模拟中频信号进行A/D转换，并存储为数字中频信号；

(3)对接收到的未知时延信号进行平方处理，通过傅里叶分析得到每颗接收到的卫星含多普勒频移的真实频率估计值和对应的模糊频率；

(4)根据卫星导航信号中频和多普勒频移范围已知的特性，去除步骤(3)估计过程中得到的模糊频率，以得到含多普勒频移的卫星信号频率估计值；

(5)利用得到的含多普勒频移的卫星信号频率估计值，根据非线性最小二乘准则估计出每颗已知频率卫星的时延以及对应的卫星星号。

所述的步骤(1)中下变频为中频信号操作采用下变频模块完成，下变频模块主要由低噪声射频放大器、混频器及自动增益控制电路组成。

所述的步骤(5)中利用得到的含多普勒频移的卫星信号频率估计值，根据非线性最小二乘准则估计出每颗卫星信号的时延以及对应的卫星星号的方法是，将估计得到的频率值作为已知信息，对已知载波的信号进行时延估计；对已估出频率的卫星，根据非线性最小二乘准则，分别求出其对应的时延和卫星星号，直至所有已估出频率的卫星计算完毕，即完成捕获过程。

本发明提供的卫星导航信号捕获方法是在时延未知的情况下，先估计出含多普勒频移的信号频率和其对应的模糊频率；然后根据卫星信号中频和多普勒频移范围已知的先验信息去除模糊频率；再利用估计得到的含多普勒频移的频率作为已知条件，根据非线性最小二乘准则估计出每颗卫星信号的时延以及对应的卫星星号。本方法将卫星导航信号捕获过程作为含多普勒频移的信号频率和码相位的参数估计问题来处理，这样能够在不影响捕获性能的前提下简化常规捕获方法的运算过程，降低计算复杂度，因此具有速度快、复杂度低且处理步骤简单等优点。

附图说明

图1为本发明提供的卫星导航信号捕获方法流程图。

图2(a)和图2(b)分别为本发明提供的卫星导航信号捕获方法和常规卫星导航信号捕获方法搜索过程比较图。

具体实施方式

下面参照附图和具体实施例对本发明提供的卫星导航信号捕获方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的卫星导航信号捕获方法包括按顺序进行的下列步骤：

(1)将卫星天线接收到的射频信号下变频为中频信号；

将卫星天线接收到的射频信号通过由低噪声射频放大器、混频器及自动增益控制电路等组成的下变频模块下变频到中频信号，以便后续处理。

(2)将上述下变频得到的模拟中频信号进行A/D转换，并存储为数字中频信号；

将卫星天线接收到的信号通过由低噪声射频放大器、混频器及自动增益控制电路等组成的下变频模块下变频到中频信号，若接收机接收到P颗卫星信号，则信号模型可以表示为：

$y\left(t\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p{d}_p(t-{\mathrm{\τ}}_p){c_p(t-{\mathrm{\τ}}_p)e}^{j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}}(t-{\mathrm{\τ}}_p)}+e\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，d_p(t)表示第p颗卫星信号的导航电文，c_p(t)表示第p颗卫星信号的C/A码，导航电文和C/A码在卫星导航系统中取值均为±1，e(t)表示接收机热噪声，α_p、τ_p、ω_dp分别表示第p颗卫星信号所对应的幅度、时延和含多普勒频移的频率。

对下变频得到的模拟中频信号进行A/D转换，并存储为数字中频信号，则A/D变换后的信号模型为：

$y\left(n\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p{d}_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)c_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)e^{j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}}(n-{\mathrm{\τ}}_p)}+e\left(n\right)---\left(2\right)$

(3)对接收到的未知时延信号进行平方处理，通过傅里叶分析得到每颗接收到的卫星含多普勒频移的真实频率估计值和对应的模糊频率；

为了去除C/A码对频率估计的影响，对式(2)进行平方处理，可以得到：

$y^2\left(n\right)\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p^2{d}_p^2(n-{\mathrm{\τ}}_p)c_p^2(n-{\mathrm{\τ}}_p)e^{j2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}}(n-{\mathrm{\τ}}_p)}$

$+2e\left(n\right)\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p{d}_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)c_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)e^{j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}}(n-{\mathrm{\τ}}_p)}$

$+2\underset{p=1}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=p+1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p{\mathrm{\α}}_r{d}_p(n-{\mathrm{\τ}}_P)d_r(n-{\mathrm{\τ}}_r)c_p(n-{\mathrm{\τ}}_P)c_r(n-{\mathrm{\τ}}_r)e^{j[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}}(n-{\mathrm{\τ}}_p)+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dr}}(n-{\mathrm{\τ}}_r)]}+e^2\left(n\right)---\left(3\right)$

因为导航电文和C/A码在卫星导航系统中取值均为±1，所以上式可以简化为：

$y^2\left(n\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p^2{e}^{j2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}}(n-{\mathrm{\τ}}_p)}+e_1\left(n\right)---\left(4\right)$

其中， $e_1\left(n\right)=2\underset{p=1}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{r=p+1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p{\mathrm{\α}}_r{d}_p(n-{\mathrm{\τ}}_P)d_r(n-{\mathrm{\τ}}_r)c_p(n-{\mathrm{\τ}}_P)c_r(n-{\mathrm{\τ}}_r)e^{j[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}}(n-{\mathrm{\τ}}_p)+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dr}}(n-{\mathrm{\τ}}_r)]}$

$+2e\left(n\right)\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p{d}_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)c_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)e^{j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}}(n-{\mathrm{\τ}}_p)}+e^2\left(n\right)$

经过平方处理后的信号的傅里叶变换谱可以表示为：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=\left|\underset{n=-N/2}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2\left(n\right)e^{-\mathrm{j\ωn}}\right|---\left(5\right)$

其中，ω＝2ω_dp。

由于不同卫星信号的C/A码的相关系数很小，且信号和噪声是不相关的，所以式(5)中不同卫星信号C/A码的乘积项以及噪声和信号乘积项的傅里叶分析结果接近为零。式(5)中F(ω)的前P个最大值所对应的ω，即为P颗卫星所对应的频率估计值。

(4)根据卫星导航信号中频和多普勒频移范围已知的特性，去除步骤(3)估计过程中得到的模糊频率，以得到含多普勒频移的卫星信号频率估计值；

由于FFT计算得到的ω，即的频率范围在[-π，π]之间，所以估计值范围在[-π/2，π/2]之间。然而ω_dp的真实值在[-π，π]之间，这就使得ω_dp的真实估计值可能为或者两个频率中的一个为真实的频率估计值，另一个则为对应的模糊频率。因此在估计过程中，存在的频率模糊问题会导致计算错误。由于卫星导航信号下变频后的中频已知，且多普勒频移范围一般为±10kHz，真实频率和模糊频率之间的频率误差一般都大于多普勒频移，因此可以利用是否在多普勒频移范围之内作为判断标准来去除模糊频率。

(5)利用得到的含多普勒频移的卫星信号频率估计值，根据非线性最小二乘准则估计出每颗已知频率卫星的时延以及对应的卫星星号。

令则式(2)可以写为如下形式：

$y\left(n\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p{s}_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)+e\left(n\right)---\left(6\right)$

对任意接收到的卫星q∈[1，P]，由于其频率估计值已经得到，利用代替ω_dp则

${\hat{s}}_q\left(n\right)=d_q\left(n\right)c_q\left(n\right)e^{j{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{dq}}n}---\left(7\right)$

式(6)可以进一步改写为：

$y\left(n\right)={\mathrm{\α}}_q{\hat{s}}_q(n-{\mathrm{\τ}}_q)+e_2\left(n\right)---\left(8\right)$

其中， $e_2\left(n\right)=\underset{p\≠q}{\overset{P}{\underset{p=1}{\mathrm{\Σ}}}}{\mathrm{\α}}_p{s}_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)+{\mathrm{\α}}_{q}s(n-{\mathrm{\τ}}_q)-{\mathrm{\α}}_q\hat{s}(n-{\mathrm{\τ}}_q)+e\left(n\right)$

对上式进行离散傅里叶变换可以得到：

$Y\left(k\right)={\mathrm{\α}}_q{\hat{S}}_q\left(k\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{q}k}+E_2\left(k\right)---\left(9\right)$

其中Y(k)、E₂(k)分别为y(n)、和e₂(n)的离散傅里叶变换，ω_q＝-2πτ_qf_s/N，f_s表示采样率。

时延估计值可以通过以下非线性最小二乘代价函数最小化来得到：

$Q\left({\widehat{\mathrm{\ω}}}_q\right)=\underset{k=-N/2}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{|Y\left(k\right)-\hat{S}\left(k\right){\mathrm{\α}}_q{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{q}k}|}^2---\left(10\right)$

令 ${\hat{S}}_q=\mathrm{diag}\{{\hat{S}}_q(-N/2),{\hat{S}}_q(-N/2+1),...,{\hat{S}}_q(N/2-1)\}$

$a\left({\mathrm{\ω}}_q\right)={[e^{{\mathrm{j\ω}}_q(-N/2)},e^{{\mathrm{j\ω}}_q(-N/2+1)},...,e^{{\mathrm{j\ω}}_q(N/2-1)}]}^T,$ Y＝[Y(-N/2)，Y(-N/2+1)，...，Y(N/2-1)]^T

那么式(10)最小化等价于使以下代价函数最小化：

$Q\left({\widehat{\mathrm{\ω}}}_q\right)={\left|\right|Y-{\mathrm{\α}}_q{\hat{S}}_{q}a\left({\mathrm{\ω}}_q\right)\left|\right|}^2---\left(11\right)$

根据上式可以得到ω_q的估计值为：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_q=\arg \underset{{\mathrm{\ω}}_q}{\max }{\left|a^H\left({\mathrm{\ω}}_q\right){\hat{s}}_q^{*}Y\right|}^2---\left(12\right)$

进一步可以求得卫星q在一个C/A码周期内的时延估计值为：

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_q=-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{q}N/\left(2\mathrm{\π}{f}_s\right)---\left(13\right)$

式(12)的求解可以用FFT进行计算，从而简化运算量。由于第q颗卫星的星号是未知的，所以不能直接利用卫星q的C/A码重构出进而估计出因此，本发明利用所有卫星的C/A码和卫星q含多普勒频移的频率估计值通过式(7)重构出每颗卫星所对应的并根据式(12)分别求得与y(t)的相关值和对应的时延估计值。

由于不同卫星信号的C/A码之间的相关系数很小，信号和噪声是不相关的，所以式(12)中不同卫星信号的C/A码之间的互相关值以及信号和噪声相关值的傅里叶分析结果近似为零。只有卫星m的C/A码与接收到的卫星q的C/A码一致时，卫星m的相关值才会在所有卫星相关值中达到最大。其中，使相关值达到最大的m值即为卫星q的星号，其对应的时延估计值即为卫星q在一个C/A码周期内的时延。

利用已经估计出的所有P颗卫星含多普勒频移的频率估计值，通过上述方法分别计算出其对应的一个C/A码周期内的时延估计值和卫星星号，即可以完成整个捕获过程。

若常规卫星导航信号捕获方法含多普勒频移的频率搜索次数为Q，在常规卫星导航信号捕获方法中，Q的典型值为21。P的典型值一般在8-12之间，卫星总数M为32。在常规卫星导航信号捕获方法中，由于含多普勒频移的信号频率和时延都是未知的，所以需要按照一定的步长间隔，在频率范围内搜索Q个频率点，每个频率点搜索M颗卫星，求得最大相关值所对应的频率和时延；而本发明提供的卫星导航信号捕获方法中由于P颗卫星含多普勒频移的频率已经被估出，则只需要搜索P个精确的频率点，每个频率点搜索M颗卫星，求得每颗卫星对应的频率和时延。图2(a)和图2(b)分别为本发明提供的卫星导航信号捕获方法和常规卫星导航信号捕获方法搜索过程比较图。从图2中可以看出，由于Q的典型值大于P的典型值，因此，本发明提供的卫星导航信号捕获方法的计算复杂度明显低于常规卫星导航信号捕获方法。

本实施例中仿真生成含有8颗卫星的导航信号，卫星信号中频1.25MHz，采样率5MHz，SNR为-18dB，预检积分时间1ms，常规捕获算法中频率搜索步长为1KHz。

表1和表2分别给出了采用常规卫星导航信号捕获方法和本发明提供的卫星导航信号捕获方法分别对数据进行捕获和跟踪的比较结果。由仿真结果可以看出，常规捕获算法中含多普勒频移的频率估计值分辨率较低，不能满足跟踪环路的要求，需要做进一步的精确频率估计。而本发明算法已经较为准确地估计出了含多普勒频移的频率值，精度上已经可以满足跟踪环路的要求，避免了精细频率估计过程。两种方法捕获得到的码相位偏移量虽然有轻微的差异，但是误差值在捕获算法的允许范围之内，所以两种算法对应的跟踪结果差异极小。因此，本发明的捕获算法具有和常规捕获算法相同的效果。

表1本发明方法和常规方法捕获结果比较表

表2本发明方法和常规方法跟踪结果比较表

本发明采用分别估计含多普勒频移的信号频率和码相位的方法，替代了常规接收机的二维搜索方法，降低了算法的复杂度。因为本发明方法估计出的频率、精度上已经可以满足跟踪算法的要求，所以避免了精细频率估计过程，从而进一步降低了运算量。表3给出了本发明方法和常规方法的运算量比较。其中，新算法的运算量是包含了频率和时延估计运算量的总和。(测试平台为AMD双核CPU，主频2.2GHz，内存2G)。

表3本发明方法和常规方法运算量比较表

	乘法次数	加法次数	时间复杂度	捕获时间(s)
					常规方法	7MQ+4M	2MQ+3M	O(MQ)	3.55
本发明方法	6MP+4P	3MP+7P	O(MP)	2.11

从表3中我们可以看出，在乘加次数和时间复杂度上，本发明方法的运算量都要明显低于常规方法。从捕获时间方面来看，本发明方法同样拥有比较明显的优势，运算速度提高了大约40％。

Claims (3)

1.一种卫星导航信号捕获方法，其特征在于，所述的卫星导航信号捕获方法包括按顺序进行的下列步骤：

（1）将卫星天线接收到的射频信号下变频为中频信号；

（2）将上述下变频得到的模拟中频信号进行A/D转换，并存储为数字中频信号；

（3）对接收到的未知时延信号进行平方处理，通过傅里叶分析得到每颗接收到的卫星含多普勒频移的真实频率估计值和对应的模糊频率；

经过步骤（1）（2）得到信号模型y(n)：

$y\left(n\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_p{d}_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)c_p(n-{\mathrm{\τ}}_p)e^{{\mathrm{j\ω}}_{\mathrm{dp}}(n-{\mathrm{\τ}}_p)}+e\left(n\right)$

接收机接收到P颗卫星信号，d_p(n)表示第p颗卫星信号的导航电文，c_p(n)表示第p颗卫星信号的C/A码，导航电文和C/A码在卫星导航系统中取值均为±1，e(n)表示接收机热噪声，α_p、τ_p、ω_dp分别表示第p颗卫星信号所对应的幅度、时延和含多普勒频移的频率；

对y(n)进行平方处理，经过平方处理后的傅里叶变换谱表示为：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=\left|\underset{n=-N/2}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}^2(n{)e}^{-\mathrm{j\ωn}}\right|,$ 其中，ω=2ω_dp

F(ω)的前P个最大值所对应的ω，即为P颗卫星所对应的频率估计值

（4）根据卫星导航信号中频和多普勒频移范围已知的特性，去除步骤（3）估计过程中得到的模糊频率，以得到含多普勒频移的卫星信号频率估计值。

（5）利用得到的含多普勒频移的卫星信号频率估计值，根据非线性最小二乘准则估计出每颗已知频率卫星的时延以及对应的卫星星号。

2.根据权利要求1所述的卫星导航信号捕获方法，其特征在于：所述的步骤（1）中下变频为中频信号操作采用下变频模块完成，下变频模块主要由低噪声射频放大器、混频器及自动增益控制电路组成。

3.根据权利要求1所述的卫星导航信号捕获方法，其特征在于：所述的步骤（5）中利用得到的含多普勒频移的卫星信号频率估计值，根据非线性最小二乘准则估计出每颗卫星信号的时延以及对应的卫星星号的方法是，将估计得到的频率值作为已知信息，对已知载波的信号进行时延估计；对已估出频率的卫星，根据非线性最小二乘准则，分别求出其对应的时延和卫星星号，直至所有已估出频率的卫星计算完毕，即完成捕获过程。