CN102707297A

CN102707297A - 一种compass信号的快速捕获方法

Info

Publication number: CN102707297A
Application number: CN2012102182857A
Authority: CN
Inventors: 杨奕飞; 苏丽娜; 李效龙; 张冰; 齐亮; 袁伟; 王玉龙; 胡伟华
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种卫星导航技术领域的卫星信号捕获方法，具体涉及一种COMPASS卫星信号的快速捕获方法。该方法将载波频率的一路串行搜索转变成四路进行并行搜索，过程包括：本地伪随机码通过FFT和复共轭变换得到信号C(k)，本地产生四路载波同时与COMPASS信号相乘，经过FFT，得到四路信号X_j(k)(j＝1,2,3,4)；C(k)分别与X_j(k)(j＝1,2,3,4)相乘，然后经过IFFT并取模得到信号|r_j(n)|(j＝1,2,3,4)，每一路得到的信号中的最大值都与预设门限比较，以确定是否真正捕获到卫星信号。本发明在不影响捕获精度的情况下，提高了COMPASS信号的捕获速度。

Description

一种COMPASS信号的快速捕获方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，具体涉及COMPASS信号的捕获方法。

背景技术

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，分为北斗一代(Beidou I)和北斗二代(COMPASS或Beidou II)两个阶段。COMPASS卫星导航系统建成后将提供两种服务，一种是针对非授权用户的开放服务，另一种是针对授权用户的授权服务。开放服务在全球范围内定位精度可达10m，授时精度可达20ns，测速精度为0.2m/s。授权服务可以提供更高精度的定位、授时、测速服务。局部区域内差分定位精度可以达到1m，并且可以利用COMPASS卫星进行报文通信。

COMPASS卫星导航系统与GPS、伽利略系统在载波频率、信号结构和定位原理等方面有很多相似之处。根据国际电信联盟的登记，COMPASS卫星将发射B1、B2、B3、B1-2四种频率的信号，这些信号均采用QPSK调制，B3为单通道信号，B1、B2、B1-2信号分为同相I和正交Q两个通道，其中，I通道由余弦载波调制，开发服务，Q通道由正弦载波调制，授权服务，接收信号可以表示为：

s_b(b)＝D(t-τ_d)C(t-τ_d)exp(j2πf_Dt+θ)+n_b(t)

其中，D(t)为导航电文，C(t)为扩频码序列，τ_d为时延，f_D为包含多普勒频移的载波频率，θ为初始相位，n_b(t)为噪声，t为信号产生时间。

B1和B2上调制的伪随机码都是码长2046bits的Gold码，由11级移位寄存器产生，B1的I通道Gold码是由两个11级移位寄存器模2和生成。

目前，导航卫星信号的常见捕获方法主要有三种：

(1)滑动相关捕获法

滑动相关捕获算法采用码相关器和载波相关器，对码相位和载波进行串行的搜索方式。先设置载波频率为某一值，在这个基础上将当地产生的某一卫星的伪随机码码元每次移动1/2位，与输入信号进行相关运算，每次的相关结果与捕获门限进行比较。如果当地码元移动了一个伪随机码周期时仍未超过捕获门限，则重新设置载波频率，再次重复上述过程；只有当载波频率、当地码元与信号的真实值接近时，相关结果会超过捕获门限，如果遍历所有情况仍然未超过捕获门限，则说明信号中不存在该卫星的信号。

滑动相关捕获法运算量非常大，一般适合硬件处理，软件接收机采用滑动相关捕获法的话，捕获速度会非常慢。该搜索方法的优点是结构简单清晰，易于实现，缺点是搜索耗时较长。

(2)频域并行捕获算法

由于滑动相关捕获算法运算量大，要搜索到全部可视卫星需要时间很长，如果对两个需要搜索的方面同时进行，可以大大地节省时间，基于这种思想就有了频域并行捕获算法。频域并行捕获算法计算过程是本地产生的所对应卫星的伪随机码序列，输入信号先与本地伪随机码相乘解扩，相乘后的信号通过FFT转换到频域。只有当本地伪随机码和输入信号的码相位接近时，FFT后输出的频域信号波形将显示一个特别的峰值，这个峰值对应的一个频率点，如果这个峰值大于预设门限，该频率就是捕获到的载波频率，该峰值对应的码相位就是捕获到的码相位。如果输入信号中含有其他卫星的信号，由于各个卫星的伪随机码具有良好的自相关性，但其互相关性很差，所以其他卫星信号与本地伪随机码相乘后将被衰减而没有出现显著的峰值。

滑动相关捕获要分别搜索码相位和载波频率，而频域并行捕获只需搜索码相位，减少了运算量，但要对每个码相位作一次FFT，增加了运算复杂程度。

(3)码相位并行捕获法

搜索空间的码相位数量大于频率数量，频域并行捕获省去了频率搜索，但增加了每个码相位的FFT变换，如果对码相位搜索并行处理而频率搜索串行处理，则总耗时将比滑动相关捕获和频域并行捕获都小，根据这种思路设计了并行码相位捕获算法。

接收输入信号先与本地载波相乘解调得到X(n)，然后进行FFT运算变换到频域。本地伪随机码先FFT变换到频域，再作复共轭变换后与X(n)的频域信号相乘，其结果再通过IFFT输出，结果反映了输入信号和本地伪随机码的相关性。如果输出信号出现相关峰，如果峰值大于预设门限，则峰值对应的码相位就是捕获到的码相位，对应的频率就是捕获到的载波频率。

以上三种方法，滑动相关法是在码相位和载波频率都串行搜索；频域并行捕获法是载波频率并行搜索，码相位串行搜索；码相位并行捕获法是码相位并行搜索，载波频率串行搜索。由于码相位的搜索次数远远大于载波频率的搜索次数。所以三种方法中，码相位并行捕获法是速度最快的，但是载波频率串行搜索也限制了速度的进一步提高。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种COMPASS信号的快速捕获方法，将载波频率串行搜索改为并行搜索，即将原本只有一路的载波搜索，变成多路载波搜索，这样卫星信号的捕获速度将得到进一步提高。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种COMPASS信号的快速捕获方法，包括如下步骤：

步骤1：本地伪码产生器产生即时相关伪随机码，然后进行快速傅里叶变换(FFT)变换到频域，再作复共轭变换，得到信号C(k)；

步骤2：本地载波器产生f-10KHZ、f-aKHZ、f、f+aKHZ四路载波频率通路，其中0＜a＜10，同时与COMPASS信号相乘，然后经过快速傅里叶变换运算，得到信号X_j(k)，式中，j＝1,2,3,4；

步骤3：信号C(k)分别与四路信号X_j(k)相乘，得到R_j(k)，然后进行傅里叶反变换运算，得到相关值r_j(n)，并取模|r_j(n)|；

步骤4：将每一路相关值|r_j(n)|中的最大值分别与预设门限值比较，如果其中有一路相关值|r_j(n)|大于预设门限值，则输出该路相关值所对应的码相位和载波频率，表示捕获到该卫星信号，跳到步骤1继续捕获其他卫星；

步骤5：如果任何一路相关值|r_j(n)|都没有超过预设门限值，每一路载波频率通路频率搜索步进500Hz，跳到步骤2继续前述各步骤的捕获过程，直到搜索完所有的载波；

步骤6：如果任何一路相关值|r_j(n)|仍没有超过预设门限值，换一颗卫星，跳到步骤1继续前述各步骤的捕获过程，直到所有卫星信号都搜索完毕。

所述a的初始值优选5。

所述步骤4中，预设门限值的大小优选噪声门限值的8倍。

进一步地，所述步骤5中，当a＞10时，载波搜索完毕。

进一步地，在所述步骤4中，设置检测预设值A和K，如果相关值|r_j(n)|大于预设门限值，则K加1，判断K是否大于等于A，如果是，则表示已捕获到该卫星信号，否则不调整载波频率，继续捕获；如果相关值|r_j(n)|不大于预设门限值，则K减1，判断K是否等于零或者相关时间是否超过最大相关时间，如果K不等于零且相关时间没有超过最大相关时间，则不调整载波频率，继续捕获，否则表示卫星信号未捕获，调整载波频率，并重新设置K，继续捕获。进一步地，所述A=9，K=1。

有益效果：在本发明中产生了f-10KHZ、f-aKHZ、f、f+aKHZ四路频率载波，进行并行搜索，从而缩短了搜索的总耗时；同时通过合理的门限设置保证了卫星信号的捕获精度。本发明在不影响捕获精度的情况下，提高了卫星信号捕获的速度。

附图说明

图1是本发明的COMPASS信号快速捕获方法流程图；

图2是本发明的COMPASS信号快速捕获方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

下面以COMPASS-B1信号的捕获为例，结合图1进行详细说明。图1是本发明的COMPASS信号快速捕获流程图。

由于COMPASS-B1信号受到多普勒频移的影响，频移范围在-10KHz~10KHz之间，经过下变频后，信号频率变为f-10KHZ~f+10KHZ，而且考虑到硬件资源功耗，因此在本发明中，采取四路频率并行搜索，兼顾多普勒搜索范围，选取a的初值为20KHZ/4＝5KHZ，同时设置A=9，K=1。图1中：

步骤1：本地伪码产生器产生即时相关伪随机码，然后进行FFT变换到频域，再作复共轭变换，得到信号C(k)。

步骤2：本地载波器将产生f-10KHZ、f-5KHZ、f、f+5KHZ四路载波频率通路，同时与COMPASS-B1信号相乘，然后经过FFT运算，得到信号X_j(k)(j＝1,2,3,4)。

步骤3：信号C(k)分别与四路信号X_j(k)(j＝1,2,3,4)相乘，得到R_j(k)(j＝1,2,3,4,)，然后进行 IFFT (傅里叶反变换)运算，得到相关值r_j(n)(j＝1,2,3,4)，并取模|r_j(n)|(j＝1,2,3,4)。

步骤4：首先确定噪声门限：将本地接收机产生的伪随机序列与卫星发送的伪随机序列进行相关运算，对相关运算结果进行统计分析，作出概率分布曲线，按照系统所要求的检测概率指标在分布曲线上选取合适的点，作为其噪声门限。然后选取噪声门限值的8倍作为捕获门限的预设门限值，将每一路相关值|r_j(n)|(j＝1,2,3,4)中的最大值分别与预设门限值比较，如果其中有一路相关值|r_j(n)|(j＝1,2,3,4)大于预设门限值，则输出它所对应的码相位和载波频率，表示捕获到该卫星信号，跳到步骤1继续捕获其他卫星。确定真正捕获到卫星信号方法是综合考虑高检测率、低虚警概率以及捕获速度的要求，设置检测预设值A和K，本实施例采用预设值A=9和K=1，如果相关值|r_j(n)|(j＝1,2,3,4)大于预设门限，则K加1，判断K是否大于等于A，如果是，则表示已捕获到该卫星信号，否则不调整载波频率，继续捕获；如果相关值|r_j(n)|(j＝1,2,3,4)不大于预设门限，则K减1，判断K是否等于零或者相关时间是否超过最大相关时间，如果不等于零且相关时间没有超过最大相关时间，则不调整载波频率，继续捕获，否则表示信号未捕获，调整载波频率，并重新设置K，继续捕获。

步骤5：如果任何一路相关值|r_j(n)|(j＝1,2,3,4)都没有超过预设门限值，每一路载波频率通路频率搜索步进500Hz，跳到步骤2继续前述各步骤的捕获过程，直到搜索完所有的载波。

步骤6：如果任何一路相关值|r_j(n)|(j＝1,2,3,4)仍没有超过预设门限值，换一颗卫星，跳到步骤1继续前述各步骤的捕获过程，直到所有卫星信号都搜索完毕。

图2是本发明的COMPASS信号快速捕获方法示意图，从另一个方面说明了COMPASS信号快速捕获的实现过程。

Claims

1.一种COMPASS信号的快速捕获方法，包括如下步骤：

步骤1：本地伪码产生器产生即时相关伪随机码，然后进行快速傅里叶变换变换到频域，再作复共轭变换，得到信号C(k)；

2.根据权利要求1所述一种COMPASS信号的快速捕获方法，其特征在于：a的初始值为5。

3.根据权利要求1所述一种COMPASS信号的快速捕获方法，其特征在于：所述步骤4中，预设门限值的大小为噪声门限值的8倍。

4.根据权利要求1所述一种COMPASS信号的快速捕获方法，其特征在于：所述步骤5中，当a＞10时，载波搜索完毕。

5.根据权利要求1所述的一种COMPASS信号的快速捕获方法，其特征在于：在所述步骤4中，设置检测预设值A和K，如果相关值|r_j(n)|大于预设门限值，则K加1，判断K是否大于等于A，如果是，则表示已捕获到该卫星信号，否则不调整载波频率，继续捕获；如果相关值|r_j(n)|不大于预设门限值，则K减1，判断K是否等于零或者相关时间是否超过最大相关时间，如果K不等于零且相关时间没有超过最大相关时间，则不调整载波频率，继续捕获，否则表示卫星信号未捕获，调整载波频率，并重新设置K，继续捕获。

6.根据权利要求5所述一种COMPASS信号的快速捕获方法，其特征在于：所述A=9，K=1。