CN102590833A - 一种卫星导航接收机多通道联合捕获方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星信号多通道捕获方法，特别是卫星导航接收机多通道联合捕获方法，属于卫星导航技术领域。该方法，包括在卫星导航接收机上建立两个信号捕获系统；采用通用异步串口UART进行通信连接，两个信号捕获系统分别收集不同导航星信号捕获信息数据，并将有效信息进行交换。本发明提供了一种信号搜索范围广、捕星速度快、计算量少且资源耗费少的多通道联合捕获方法；接收机盲捕(冷启)时间缩短；两个信号捕获系统互为备份，增加了系统可靠性；某个信号捕获系统复位或者重启后，可通过接收另一系统的可用星信息实现快速恢复。

Description

一种卫星导航接收机多通道联合捕获方法

技术领域

本发明涉及一种卫星信号多通道捕获方法，特别是卫星导航接收机多通道联合捕获方法，属于卫星导航技术领域。

背景技术

卫星导航接收机由于能利用卫星全球定位系统覆盖全球的卫星信号持续不断地实时高精度地提供接收机所在位置速度及时间，在我国卫星和飞船应用领域显示了越来越重要的作用。为满足信号捕获和接收机定位的快速和实时性，多通道信号捕获成为一种必然。

现有的卫星导航接收机多通道捕获方法主要有两种，一种是在时域上多个通道内进行码和载波方向上的二维搜索，强调通道间的协同操作和控制(中国专利公开号CN102023302A，公开日2011.04.20)，一种是利用FPGA等大规模运算器件使用快速傅立叶变换(FFT)方法在频域上进行多通道捕获(中国专利公开号CN101839970A，公开日2010.09.22)。

上述第一种多通道二维搜索方法，信号搜索速度慢、信号捕获时间长、高动态条件下失锁后快速恢复困难；而第二种FFT快速捕获方法虽然信号搜索速度快、信号捕获时间短，但是通常要用FPGA实现，算法复杂计算量较大、资源耗费多。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种卫星导航接收机多通道联合捕获卫星信号的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种卫星导航接收机多通道联合捕获卫星信号的方法，包括下列步骤：

1)在卫星导航接收机上建立两个信号捕获系统，每个信号捕获系统中最多捕获12颗GPS导航星，其中一个信号捕获系统对N颗不同星号的导航星进行捕获，N＝1～12，另一个信号捕获系统对另外M颗不同星号的导航星进行捕获，M＝1～12，每个信号捕获系统均包括处理器、存储器、12路通道相关器以及串口通信UART模块，处理器对通道相关器、存储器和串口通信UART模块进行控制并与其三者进行数据交换；

所述12个通道相关器为并行结构，即可同时对相同或不同的卫星信号进行捕获和跟踪；

所述12个通道相关器中的每个通道相关器同一时间只能对一颗导航卫星信号进行搜索和跟踪；

所述12个通道相关器中的每个通道相关器完成一颗导航卫星信号搜索后，若没有对该卫星信号完成捕获和跟踪，则该通道更换搜索卫星，即对另一颗导航卫星的信号进行捕获和跟踪；

2)采用通用异步串口UART将步骤1)中建立的两个信号捕获系统进行通信连接，其通信方式设为全双工模式，并分别设置通信双方为相同的波特率和发送、接收模式；

3)在两个信号捕获系统中分别采用二维搜索策略对卫星信号进行捕获，收集信号捕获信息数据，并将收集到的数据封装进数据帧，设置数据帧头和校验和；

4)两个信号捕获系统将己方在步骤3)封装好的数据帧发送给对方；

5)两个信号捕获系统接收到对方发送来的数据帧后，对数据帧进行处理，处理过程包括：

5.1首先根据数据帧中的帧头和校验和对数据的有效性进行判断，如果数据有效则进入步骤5.2，否则进入步骤3)；

5.2从数据帧提取导航星信息，选择性地将有效导航星信息置入通道相关器，并对选定导航星进行捕获和跟踪，辅助完成卫星定位；

上述步骤5.2中选择性地将有效导航星信息置入通道相关器的过程为：

5.2.1首先根据导航星信息判断并提取接收到的可用于定位解算的导航卫星集合，并从步骤3)己方信号捕获系统所得到的信息数据提取可用于定位解算的导航卫星集合，判断上述两部分集合的并集不小于4个，则进入步骤5.2.2，否则返回步骤3)；

5.2.2判断己方是否已处于定位状态，即已捕获到4颗以上导航星且成功进行定位解算，若未处于定位状态，则进入步骤5.2.3，否则返回步骤3)；

5.2.3将接收到的可用于定位解算的导航卫星置入本地通道相关器中，其中每个卫星的置入过程为：

如果该卫星已经存在于本地12个通道相关器中，则判断该卫星是否在本地被捕获，如果已捕获则返回步骤3)，否则在包含该卫星的通道相关器中更新该卫星的多普勒信息；如果该卫星未存在于本地12个通道相关器中，则判断本地通道相关器中是否存在有未捕获到卫星的通道，如果有则将该卫星的星号及多普勒信息置入到一个未捕获到星的通道或者替换掉该通道中正在捕获的卫星，否则返回步骤3)；

上述两个信号捕获系统中任一方出现重启或复位的情况后，当另一方信号捕获系统捕获到4颗以上可用导航卫星时，则另一方信号捕获系统按一定频率持续不断发送有效信息给重启或复位一方的信号捕获系统，重启或复位一方的信号捕获系统接收到该有效信息后，将己方通道相关器按信息内容进行重置，调整通道相关器内码和载波发生器频率及相位，使己方本地信号与输入信号迅速实现相关，可实现重启或复位系统的快速恢复。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明提供了一种信号搜索范围广、捕星速度快、计算量少且资源耗费少的多通道联合捕获方法。该方法避免使用大规模运算器件和复杂算法，接收机盲捕(冷启)时间缩短；本发明中两个信号捕获系统互为备份，有效增加了系统可靠性；某个信号捕获系统复位或者重启后，可通过接收另一系统的可用星信息实现快速恢复，接收机单个信号捕获系统热启时间缩短；本发明将原有12通道捕获扩展为24通道联合捕获，有效地扩大卫星信号搜索范围，可同时获得两倍于原系统(12通道)的卫星信息，为定位计算和导航星优选及卫星有效数据输出提供了方便。

附图说明

图1为本发明中两个信号捕获系统的结构及连接示意图；

图2为本发明中信号捕获系统发送数据的流程图；

图3为本发明中信号捕获系统接收数据的流程图；

图4为本发明中信号捕获系统对接收数据进行处理的流程图。

具体实施方式

实施例1

一种卫星导航接收机多通道联合捕获卫星信号的方法，包括下列步骤：

1)在卫星导航接收机上建立两个信号捕获系统，分别称为信号捕获系统A和信号捕获系统B，如图1所示，每个信号捕获系统均包括处理器、存储器、12路通道相关器以及串口通信UART模块，处理器对通道相关器、存储器和串口通信UART模块进行控制并与其三者进行数据交换；

所述12个通道相关器为并行结构，即可同时对相同或不同的卫星信号进行捕获和跟踪；

所述12个通道相关器中的每个通道相关器同一时间只能对一颗导航卫星信号进行搜索和跟踪；

所述12个通道相关器中的每个通道相关器完成一颗导航卫星信号搜索后，若没有对该卫星信号完成捕获和跟踪，则该通道更换搜索卫星，即对另一颗导航卫星的信号进行捕获和跟踪；

所述串口通信UART模块包括波特率控制器、发送通道和接收通道；

所述通道相关器采用GP2021芯片实现；

所述处理器为32位处理器，所述存储器为32位存储器；

2)采用通用异步串口UART将步骤1)中建立的两个信号捕获系统进行通信连接，如图1所示，信号捕获系统A的发送通道TX、接收通道RX分别与信号捕获系统B的接收通道RX、发送通道TX相连，将双方通信方式设为全双工模式，并分别设置通信双方的波特率均为115200bps，发送方式均为查询发送，设置8个数据位，1个校验位，1个停止位，即每次发送10位数据；接收方式均为中断方式，UART接收端口与DMA0接口配合产生DMA0中断，设置每接收到完整数据包后产生DMA中断，通知处理器取出接收到的数据；

3)在两个信号捕获系统中分别采用二维搜索策略对卫星信号进行捕获，收集信号捕获信息数据，并将收集到的数据封装进数据帧，设置数据帧头和校验和；数据帧的结构如表1所示，包括4个字段分别为：4字节的数据帧头为0xeb90f9a8、4字节的系统本地时间、72字节的12个通道有效信息数据和4字节的校验和，校验和计算过程中参与校验的内容不包括数据帧头和校验和部分；其中72字节的12个通道有效信息数据中每个通道的有效信息数据为6字节，如表2所示包括3个字段分别为：对应通道相关器中所搜索或捕获卫星的星号SAT_ID、锁定状态LOCK_STATUS、载波多普勒信息CARR_DOPP；

表1.捕获信息封装的数据帧结构

表2.通道数据结构

所述步骤3)中数据打包频率为1Hz；

4)两个信号捕获系统将己方在步骤3)封装好的数据帧发送给对方，其发送过程流程图如图2所示，采取查询方式发送捕获信息数据将数据按字节放入发送寄存器中，不断查询，当上一个数据发送完毕后，发送下一字节的数据，发送时高字节在前，低字节在后

所述步骤4)中发送频率也为1Hz；

5)两个信号捕获系统接收到对方发送来的数据帧后，接收过程流程图如图3所示，设定触发条件为固定字节数84字节，当接收到84字节后发生中断，处理器在处理中断时首先清空中断标记，并将数据从RX接收存储寄存器中转移到内部存储器中以使数据不被后续数据覆盖，然后将接收计数加一；之后对数据帧进行处理，包括：

5.1首先根据数据帧中的帧头和校验和对数据的有效性进行判断，判断过程为：正确的帧头为0xeb90f9a8，计算数据帧内有效数据的校验和，校验和计算方式同步骤3)中生成校验和的计算方式一致，然后判断该计算结果是否与收到数据帧中的校验和数值相同，上述两项验证正确后，认为数据包内容完整，未发生数据丢失或错位；如果数据有效则进入步骤5.2，否则进入步骤3)；

5.2从数据帧提取导航星信息，选择性地将有效导航星信息置入通道相关器，并对选定导航星进行捕获和跟踪，完成卫星定位；

上述步骤5.2中选择性地将有效导航星信息置入通道相关器的过程为：

5.2.1首先根据导航星信息判断并提取接收到的可用于定位解算的导航卫星集合，并从步骤3)己方信号捕获系统所得到的信息数据提取可用于定位解算的导航卫星集合，判断上述两部分集合的并集不小于4个，则进入步骤5.2.2，否则返回步骤3)；

上述步骤5.2.1中判断可用于定位解算的导航卫星的方法为：判断收到数据包中各通道的卫星锁定状态LOCK_STATUS，已锁定的卫星为可用星，未锁定的卫星为非可用星；

以信号捕获系统A接收到信号捕获系统B的数据帧为例，接收到的可用星为1、2、3号星和本地可用星3、4、5号星，则星号并集为1、2、3、4、5号星，总数达到4颗以上，将接收到的可用星中与本地星号不同的星1、2号星的卫星星号和多普勒信息置入到本地信号捕获系统的通道相关器，且当本地信号捕获系统的系统时间未进行初始化，则在进行导航星置入后，可利用数据包中的系统时间TIME_SEC进行本地时间的初始化操作；

5.2.2判断己方是否已处于定位状态，即已捕获到4颗以上导航星且成功进行定位解算，若未处于定位状态，则进入步骤5.2.3，否则返回步骤3)；

5.2.3将接收到的可用于定位解算的导航卫星置入本地通道相关器中，其中每个卫星的置入过程为：

如果该卫星已经存在于本地12个通道相关器中，则判断该卫星是否在本地被捕获，如果已捕获则返回步骤3)，否则在包含该卫星的通道相关器中更新该卫星的多普勒信息；如果该卫星未存在于本地12个通道相关器中，则判断本地通道相关器中是否存在有未捕获到卫星的通道，如果有则将该卫星的星号及多普勒信息置入到一个未捕获到星的通道或者替换掉该通道中正在捕获的卫星，否则返回步骤3)；

以信号捕获系统A接收到信号捕获系统B的数据帧为例，信号捕获系统A中本地通道相关器共有12个通道，从第1个通道开始查询，依次向下，若通道中的3、4、5号星已锁定，则不对该通道进行操作，继续查询；若通道中的星未锁定但星号与待置入星的星号相同(例如待置入星和当前通道中的星都为1号星)，则该通道中星号不变，将待置入星的多普勒信息置入到通道中，使该通道按置入多普勒信息进行信号搜索；若通道中的星未锁定且星号与待置入星的星号不同，则将待置入星的星号和多普勒信息同时置入到该通道中进行信号搜索；若通道中未有正在捕获的导航星，则将待置入星的星号和多普勒信息同时置入到该通道中进行信号搜索；若12个通道都不满足上述置入条件，则不对本地通道进行导航星信息的置入；

上述步骤5)中对数据有效性进行判断以及将接收到的星进行置入的处理过程如图4所示。

通过信号捕获系统A得到了信号捕获系统B的1，2号导航星的有效信息，使得信号捕获系统A节省了对未知导航星的捕获时间，该时间在高动态信号搜索范围为51000Hz搜索步长为500Hz时最长为330s，而在25s内使本地导航星数快速增加到5颗，大大加快了导航星捕获速度，缩短了首次定位时间。

本方法的原理是：信号的捕获策略采用的是二维搜索，即在某一频点上对通道内卫星的C/A码进行搜索，如果没有搜索到可用星，则更改频点再对该卫星的C/A码进行搜索，直到盲捕频率范围内的所有频点都已搜索完毕。以GPS信号为例，由于GPS C/A码的发生速率为1ms产生1023个码片，码搜索的步长为1/2个码片，即每次搜索挪动1/2，则完成一个频点上C/A码的搜索需要2046ms即大约2s。而当信号强度在捕获门限与失锁门限之间抖动时，信号搜索会有短暂停留，以1/2码片为步长则不可能2s完成一个频点的搜索，实际测试的结果显示，当有射频信号接入时，信号抖动增多，完成一个频点的搜索时间在3s左右。输入的数字中频信号进入相关通道后，首先进行解调。即与复现的载波混频以剥离载频，产生同相(I)与正交(Q)两路数据。复现的载频信号是由载频数控振荡器(CarrDco)和离散的正弦和余弦映射函数合成而来的。在闭环工作时，CarrDco由基带处理单元中的载波跟踪环来控制。载波跟踪环使用锁频环(FLL)与锁相环(PLL)相结合，以保持复现载波与进来的卫星载频信号之间的载波锁定。CarrDco的频率和相位受处理器的控制以完成与输入信号的相关和载波剥离。当通道内星所有频点都搜索完毕后，若没有捕获，则更换导航星进行搜索。当收到对方信号捕获系统发送来的信号捕获信息后，可直接得到对方已捕获卫星的星号、多普勒偏移信息，将其置入通道可直接对导航星进行捕获，省去了二维搜索过程中对载波频点的顺序搜索过程，节省了时间，加快了捕获速度。

实施例2

与实施例1不同点在于：

当信号捕获系统A接收到信号捕获系统B的可用星为1、2、3、4号星，而本地可用星为0颗时，可用星号的并集为1、2、3、4号星，总数达到4颗，则将1、2、3、4号星直接置入到本地通道相关器中，通过准确的星号和多普勒的置入，使信号捕获系统B在25s内完成对可用星的捕获，使可用星数迅速达到4颗进行定位解算。

实施例3

与实施例1不同点在于：

当信号捕获系统A本地可用星为3、4、5、6号星且已定位，收到信号捕获系统B的1、2、3号可用星后，虽然可用星号的并集为1、2、4、5、6号星，总数达到4颗以上，但由于本地已完成定位解算，故不将信号捕获系统B发送过来的有效导航星信息进行置入。

对比例

单信号捕获系统卫星导航接收机捕获卫星信号的方法，包括下列步骤：

1)在卫星导航接收机上建立一个信号捕获系统，包括处理器、存储器、12路通道相关器以及串口通信UART模块，处理器对通道相关器、存储器和串口通信UART模块进行控制并与其三者进行数据交换；

所述12个通道相关器为并行结构，即可同时对相同或不同的卫星信号进行捕获和跟踪；

所述12个通道相关器中的每个通道相关器同一时间只能对一颗导航卫星信号进行搜索和跟踪；

所述12个通道相关器中的每个通道相关器完成一颗导航卫星信号搜索后，若没有对该卫星信号完成捕获和跟踪，则该通道更换搜索卫星，即对另一颗导航卫星的信号进行捕获和跟踪；

所述串口通信UART模块包括波特率控制器、发送通道和接收通道；

所述通道相关器采用GP2021芯片实现；

所述处理器为32位处理器，所述存储器为32位存储器；

2)在信号捕获系统中采用二维搜索策略对卫星信号进行捕获。由于单信号捕获系统只能同时进行12颗导航星的搜索和捕获，在高动态情况下，采用搜索范围为51000Hz，搜索步长为500Hz，而每个搜索频点大约需要3s，则对12颗导航星完成一轮搜索的时间为330s。第一轮搜索后捕获到2颗可用导航星，然后进行第二轮搜索，搜索过程同上，搜索到3颗可用导航星。两轮搜索后捕获到4颗以上导航星，但最长搜索时间为660s。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种卫星导航接收机多通道联合捕获方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)在卫星导航接收机上建立两个信号捕获系统，每个信号捕获系统中最多捕获12颗GPS导航星，其中一个信号捕获系统对N颗不同星号的导航星进行捕获，N＝1～12，另一个信号捕获系统对另外M颗不同星号的导航星进行捕获，M＝1～12；

(2)采用通用异步串口UART将步骤(1)中建立的两个信号捕获系统进行通信连接；

(3)在两个信号捕获系统中分别采用二维搜索策略对卫星信号进行捕获，收集信号捕获信息数据，并将收集到的数据封装进数据帧，设置数据帧头和校验和；

(4)两个信号捕获系统将己方在步骤(3)封装好的数据帧发送给对方；

(5)两个信号捕获系统接收到对方发送来的数据帧后，对数据帧进行处理，辅助完成卫星定位；处理过程包括：

5.1首先根据数据帧中的帧头和校验和对数据的有效性进行判断，如果数据有效则进入步骤5.2，否则进入步骤(3)；

5.2从数据帧提取导航星信息，根据己方情况判断是否需要将有效导航星置入，需要置入时，选择性地将有效导航星信息置入通道相关器，并对选定导航星进行捕获和跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机多通道联合捕获方法，其特征在于：步骤1)中每个信号捕获系统均包括处理器、存储器、12路通道相关器以及串口通信UART模块，处理器对通道相关器、存储器和串口通信UART模块进行控制并与其三者进行数据交换；

12个通道相关器为并行结构，即可同时对相同或不同的卫星信号进行捕获和跟踪；

12个通道相关器中的每个通道相关器同一时间只能对一颗导航卫星信号进行搜索和跟踪；

12个通道相关器中的每个通道相关器完成一颗导航卫星信号搜索后，若没有对该卫星信号完成捕获和跟踪，则该通道更换搜索卫星，即对另一颗导航卫星的信号进行捕获和跟踪。

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机多通道联合捕获方法，其特征在于：步骤(2)中通信方式设为全双工模式，并分别设置通信双方为相同的波特率和发送、接收模式。

4.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机多通道联合捕获方法，其特征在于：步骤5.2中选择性地将有效导航星信息置入通道相关器的过程为：

5.2.1首先根据导航星信息判断并提取接收到的可用于定位解算的导航卫星集合，并从步骤(3)己方信号捕获系统所得到的信息数据提取可用于定位解算的导航卫星集合，判断上述两部分集合的并集不小于4个，则进入步骤5.2.2，否则返回步骤3)；

5.2.2判断己方是否已处于定位状态，即已捕获到4颗以上导航星且成功进行定位解算，若未处于定位状态，则进入步骤5.2.3，否则返回步骤(3)；

5.2.3将接收到的可用于定位解算的导航卫星置入本地通道相关器中，其中每个卫星的置入过程为：

如果该卫星已经存在于本地12个通道相关器中，则判断该卫星是否在本地被捕获，如果已捕获则返回步骤(3)，否则在包含该卫星的通道相关器中更新该卫星的多普勒信息；如果该卫星未存在于本地12个通道相关器中，则判断本地通道相关器中是否存在有未捕获到卫星的通道，如果有则将该卫星的星号及多普勒信息置入到一个未捕获到星的通道或者替换掉该通道中正在捕获的卫星，否则返回步骤(3)。

5.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机多通道联合捕获方法，其特征在于：两个信号捕获系统中任一方出现重启或复位的情况后，当另一方信号捕获系统捕获到4颗以上可用导航卫星时，则另一方信号捕获系统按一定频率持续不断发送有效信息给重启或复位一方的信号捕获系统，重启或复位一方的信号捕获系统接收到该有效信息后，将己方通道相关器按信息内容进行重置，调整通道相关器内码和载波发生器频率及相位，使己方本地信号与输入信号迅速实现相关，可实现重启或复位系统的快速恢复。

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