CN102759739A - 快速联合捕获装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出了一种快速联合捕获装置，包括：中频去载波模块、码发生器、采样模块、寄存器模块、匹配滤波器、相关结果存储器、二级码剥离模块、数据处理模块和信号检测单元。本发明实施例另一方面提出了一种快速联合捕获方法。本发明提出的技术方案，利用匹配滤波器技术和FFT技术提供了对含二级码GNSS信号的快速联合捕获，达到卫星伪码初始位置和二级码初始位置联合捕获的目的，且能对载波频率进行并行搜索，解决了伪码、二级码联合捕获时，二级码的频偏敏感性对搜索步长的限制，大幅降低了计算量，提高了捕获速度，不仅适用于有先验信息的弱信号重捕，也适用于冷启高灵敏度捕获。

Description

快速联合捕获装置及其方法

技术领域

本发明涉及卫星定位与导航通信领域，具体而言，本发明涉及快速联合捕获装置及其方法。

背景技术

全球卫星定位与导航系统(GNSS)，例如GPS系统、Galileo系统、北斗系统，通常包括一组发送GNSS信号的一个卫星星座，该GNSS信号能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。每一颗GNSS卫星所传送的GNSS信号都是直接序列扩频信号。每一颗卫星发射不同的PRN(Pseudo Random Noise，伪随机噪声)码，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫星星号”和这个PRN码相关，可以用以标示不同的GNSS卫星。

GNSS利用到达时间(TOA)测距原理来确定用户的位置，这种原理需要测量信号从卫星发出至到达用户接收机所经历的时间。为此，GNSS接收机必须首先复现将被捕获的卫星所发射的PRN码，然后移动这个复现码的相位，直到与卫星的PRN码发生相关为止。当接收机复现码的相位与输入的卫星码相位相匹配时，有最大的相关。接收机首先搜索所希望卫星的相位，然后调节其复现码发生器的标称扩频码码片速率，从而实现对卫星码状态的跟踪。

导航和定位服务的日益增长，激发了对GNSS系统性能的要求，并催生了二代GNSS系统。在过去的十年间，美国GPS开始了现代化进程，俄国GLONASS系统启动了重建工程，欧洲Galileo系统充分吸收了GPS和GLONASS在过去30年间的经验教训，而中国北斗系统也加入了GNSS系统的阵营。GNSS现代化的一个重要特征是采用新民码信号，其主要特点有数据通道和无数据通道的双通道设计、电文纠错编码、叠加二级码和新调制方式等等。GPS、Galileo以及北斗系统都采用了二级同步码，其中GPS采用了NH码和OC码，Galileo采用了CS码，北斗采用了NH码。二级码主要具有以下优点：1、使得信号功率谱线间隔下降，从而提高抗窄带干扰的能力；2、改善了卫星间的互相关特性；3、使得在导航电文一个比特的宽度内增加了多次相位改变，从而可以通过二级码同步的方法实现比特同步。

GNSS新信号的设计给接收机提供性能提高的机会的同时，也为接收机的算法和架构设计提出了新要求。捕获是GNSS接收机基带处理的第一个环节，是接收机实现定位的基础，对含二级码的GNSS信号来说，伪码加二级码的捕获就成为研究热点。目前，伪码加二级码的捕获有多种方案，但可以分为两大类：分级捕获和联合捕获。分级捕获指将捕获分为粗捕获和精捕获两步，粗捕获时不考虑二级码的影响，只捕获伪码相位和粗略载波频率，之后进行精捕获，对载波频率进行精细估计并获取二级码同步。分级捕获最大的问题是粗捕获阶段由于二级码符号的限制，只能采取非相干累加方式，接收机灵敏度受限。联合捕获是捕获时考虑二级码的影响，将伪码加二级码视为整体统一进行捕获。联合捕获能在长时间内进行相干积分，具有灵敏度高的特点，且能同时获得伪码和二级码的同步，但其最大的问题是由于二级码的频偏敏感性，频率搜索的步长很小，导致运算量大、捕获速度慢。

如何提高含二级码GNSS信号的捕获灵敏度和捕获速度是GNSS基带处理需要研究的一个重要问题，因此，有必要提出一种有效的技术方案解决上述问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术问题之一，本发明实施例一方面提出了一种快速联合捕获装置，包括：中频去载波模块、码发生器、采样模块、寄存器模块、匹配滤波器、相关结果存储器、二级码剥离模块、数据处理模块和信号检测单元，

所述中频去载波模块用于对接收的中频采样数据去除载波及多普勒频移；

所述码发生器用于产生待搜索卫星的伪码序列；

所述采用模块用于将去除多普勒频移后的信号降采样，将所述伪码序列上采样，其后将采样结果输入到所述寄存器模块；

所述匹配滤波器用于接收来自寄存器模块的信号进行相关操作，1个伪码周期后得到所有伪码相位对应的相关值；

所述相关结果存储器用于存储来自所述匹配滤波器的相关结果；

所述二级码剥离模块用于对所述匹配滤波器得到的相关值进行二级码剥离；

所述数据处理模块用于对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算，其后取模方，迭代累加K次，将结果存储于数据处理存储器中；

所述信号检测单元用于挑选所述数据处理存储器中的最大值，并与预定门限值比较，超过所述门限值则实现信号捕获。

本发明实施例另一方面提出了一种快速联合捕获方法，包括以下步骤：

对基带中频采样信号进行去载波处理，将接收的中频采样数据去除载波及多普勒频移；

将去除多普勒频移后的信号降采样，将码发生器产生的伪码序列上采样，其后将采样结果输入到寄存器模块；

通过匹配滤波器对来自寄存器模块的信号进行相关操作，1个伪码周期后得到所有伪码相位对应的相关值，并将所述相关值存储于相关结果存储器中；

对相关结果存储器中的所述相关值进行二级码剥离，对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算，其后取模方，迭代累加K次模方值，将结果存储于数据处理存储器中；

挑选所述数据处理存储器中的最大值，并与预定门限值比较，超过所述门限值则实现信号捕获。

本发明提出的上述方案，利用匹配滤波器技术和FFT技术提供了对含二级码GNSS信号的快速联合捕获，达到卫星伪码初始位置和二级码初始位置联合捕获的目的，且能对载波频率进行并行搜索，解决了伪码、二级码联合捕获时，二级码的频偏敏感性对搜索步长的限制，大幅降低了计算量，提高了捕获速度，不仅适用于有先验信息的弱信号重捕，也适用于冷启高灵敏度捕获。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为传统的GNSS接收机结构框图；

图2为含二级码GNSS信号的示意图；

图3为传统的分级捕获的信号处理流程图；

图4为传统的联合捕获的信号处理流程图；

图5为本发明实施例捕获装置硬件结构框图；

图6为本发明实施例快速联合捕获方法流程图。

图7为本发明又一实施例快速联合捕获方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

GNSS基带芯片是GNSS接收机中处理基带信号的芯片，是整个GNSS接收机的核心。本发明的装置和方法均在GNSS基带芯片中实现。为方便起见，本发明中“接收机”均指“GNSS基带芯片”。

图1描述了一个典型的GNSS接收机的结构框图。这是一个完整的GNSS接收机，包括了天线101、射频前端芯片102、基带处理芯片103。基带处理部分由若干个相关通道104、捕获处理105、跟踪处理106和定位解算处理107组成。基带处理部分103从射频前端芯片102接收数字中频采样数据，其信号处理分为捕获处理105和跟踪处理106两个阶段。捕获处理105进行载波频率域和码域二维搜索，获得关于接收信号载波频率(含多普勒频偏)和伪码相位的粗略估计。跟踪处理106用于跟踪捕获到的卫星，并与之同步，以便计算初PRN码的发射时间，同时解调出导航电文用以定位。所述的同步包括载波同步、码同步、比特同步和帧同步。定位解算处理107根据跟踪处理106所复现的伪码相位计算伪距，或者根据复现的载波多普勒相位或频率计算Δ伪距，或者根据载波多普勒相位计算积分多普勒相位，进而利用这些测量得到对用户位置、速度、用户时钟偏差和时钟漂移的估计。

该GNSS接收机实例使用了射频前端和基带处理独立封装成芯片的形式。实际中还有其他形式，如将两部分封装在一起形成SIP系统，以及将两部分合二为一形成单SOC芯片。本发明对于以上形式的GNSS接收机芯片都是适用的。

图2描述了含二级码GNSS信号的示意图。这种GNSS信号除了PRN码和导航电文数据调制之外，还叠加了二级码调制。其中，三者时间同步，一个PRN码周期对应一个二级码符号，而一个二级码周期对应一个导航电文比特。

图3描述了传统的分级捕获的信号处理流程图。分级捕获方案，指先不考虑二级码对捕获的影响，采用非相干累加的方法得到对载波频率的粗略估计和PRN码的相位，然后再采用细频率搜索或者锁频环牵引的方法减小载波频率模糊度，再进行二级码同步。这种方案，虽然搜索步长大，对PRN码的捕获速度快，但由于非相干损失的影响，灵敏度有限，只适合中高信噪比的信号。

图4描述了传统的联合捕获的信号处理流程图。联合捕获方案，在捕获PRN码时就考虑二级码调制的影响，将PRN码加二级码视为一个整体扩频码对其进行捕获。这样，可以使用比分级捕获方案长的多的相干积分时间，从而避免非相干损失，提高捕获的灵敏度，而且能同时得到二级码同步。但其存在的主要问题是由于二级码的频偏敏感性，需要采用比分级捕获小很多的搜索步长(与二级码周期倒数相当，而非PRN码周期的倒数)，从而带来计算量的增加和搜索速度的降低，不适合没有频率先验信息的冷启情况下使用。

为了实现本发明之目的，本发明实施例提出了一种快速联合捕获装置，包括：中频去载波模块、码发生器、采样模块、寄存器模块、匹配滤波器、相关结果存储器、二级码剥离模块、数据处理模块和信号检测单元。

具体而言，中频去载波模块用于对接收的中频采样数据去除载波及多普勒频移，中频去载波模块对接收的中频采样数据进行粗略多普勒剥离，在后续的处理中，通过FFT变换，会进一步消除多普勒频移效应。

码发生器用于产生待搜索卫星的伪码序列。

采样模块用于将去除多普勒频移后的信号降采样，将伪码序列上采样，其后将采样结果输入到寄存器模块。

采样模块包括：接收信号降采样模块、本地伪码上采样模块，

降采样模块用于将去除多普勒频移后的信号降采样到伪码频率的P倍，P大于等于2；本地伪码上采样模块用于将产生的伪码序列上采样到P倍频序列，P对应接收降采样速率。

接收移位寄存器用于以P倍伪码速率的时钟存储降采样后的信号，输入到匹配滤波器；本地伪码寄存器用于存储P倍频伪码序列，输入到匹配滤波器；

匹配滤波器用于接收信号进行相关操作，1个伪码周期后得到所有伪码相位对应的相关值。

相关结果存储器用于存储来自匹配滤波器的相关结果。

进一步而言，相关结果存储器以FIFO的形式存储来自所述匹配滤波器的相关结果。

二级码剥离模块用于对匹配滤波器得到的相关值进行二级码剥离。

进一步而言，在1个伪码周期结束，匹配滤波器输出的相关结果以FIFO形式进入相关结果存储器后，将本地产生的二级码序列与存储的对应相关结果进行相乘操作，以实现二级码去除。

数据处理模块用于对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算，其后取模方，迭代累加K次，将结果存储于数据处理存储器中。

进一步而言，数据处理模块包括快速傅立叶变换FFT模块，能量累加模块和数据处理存储器

快速傅立叶变换FFT模块用于对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算；

能量累加模块用于将FFT结果取模方后，迭代累加K次，将结果存储于数据处理存储器中。

快速傅立叶变换(FFT)模块对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算，FFT运算前可以补零到

，也可以不补零。

信号检测单元用于挑选数据处理存储器中的最大值，并与预定门限值比较，超过门限值则实现信号捕获。即，信号检测单元挑选出K个二级码周期积分时间内能量的最大值，并与门限比较，超出门限视为捕获到信号，反之视为无信号。

进一步而言，K的选取与接收信号的强度有关，信号强度越弱，K的取值需要越大。

图5描述了本发明的一个较优实施例的捕获装置硬件结构框图。捕获装置由中频去载波模块501、降采样模块502、接收移位寄存器503、码发生器504、本地伪码上采样模块505、本地伪码寄存器506、匹配滤波器507、相关结果存储器508、二级码剥离模块509、快速傅立叶变换(FFT)模块510、能量累加模块511和信号检测单元512组成。去载波模块501对接收的中频信号去除粗略多普勒之后，与降采样模块502相连，被降至P倍伪码速率的采样点存储在接收移位寄存器503中。码发生器504产生本地伪码序列，并与上采样模块505相连，上采样至P倍频的伪码存储在本地伪码寄存器506中。P可以是2，也可以是其他参数。匹配滤波器507基于接收移位寄存器503和本地伪码寄存器506进行相关运算，相关结果存储在存储器508中。二级码剥离模块509对存储在508中的相关结果进行二级码剥离，并与FFT模块510相连，得到精细频点上的相关值。能量累加模块511与FFT模块510相连，完成相关值的非相干累加。信号检测单元512在非相干累加结果中找到最大值，并与门限比较，完成判决。

如图6所示，本发明实施例还提出了一种快速联合捕获方法，包括以下步骤：

S110：对基带中频采样信号进行去载波处理，将接收的中频采样数据去除多普勒频移。

在步骤S110中，首先对基带中频采样信号进行去载波处理，将接收的中频采样数据去除载波及多普勒频移。可实现对接收中频采样数据的粗略多普勒去除，在后续的处理中，通过FFT变换，会进一步消除多普勒频移效应。

对基带中频采样信号进行去载波处理时，频率搜索步长为伪码周期倒数的1/2或者2/3。

S120：将信号和伪码序列采样，其后将采样结果输入到寄存器模块。

在步骤S 120中，将去除多普勒频移后的信号降采样，将码发生器产生的伪码序列上采样，其后将采样结果输入到寄存器模块；

将去除多普勒频移后的信号降采样、将码发生器产生的伪码序列上采样包括：将去除多普勒频移后的信号降采样到伪码频率的P倍，P大于等于2；将产生的伪码序列上采样到P倍频序列。

将码发生器产生的伪码序列、对伪码序列进行上采样的结果、以及将上采样后的伪码序列存储到本地伪码寄存器，采取预先存储的方式，每次搜索卫星时只进行一次配置。

S130：通过匹配滤波器对接收信号进行相关操作，将相关值存储于相关结果存储器中。

在步骤S 130中，通过匹配滤波器对接收信号进行相关操作，1个伪码周期后得到所有伪码相位对应的相关值，并将所述相关值存储于相关结果存储器中。

匹配滤波器对接收信号与本地伪码进行相关操作，在1个伪码周期结束时，得到全部伪码相位对应的相关结果。

相关结果以FIFO模式存储起来，执行FIFO存储的时间单位为1个伪码周期。

S140：对相关值进行二级码剥离、FFT运算，其后取模方迭代累加。

在步骤S140中，对寄存器中的所述相关值进行二级码剥离，即，在1个伪码周期结束，匹配滤波器输出的相关结果以FIFO形式进入相关结果存储器后，将本地产生的二级码序列与存储的对应相关结果进行相乘操作，以实现二级码去除。对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算，其后取模方，迭代累加K次模方值，将结果存储于数据处理存储器中。

S150：与预定门限值比较判断是否实现信号捕获。

在步骤S150中，挑选所述数据处理存储器中的最大值，并与预定门限值比较，超过所述门限值则实现信号捕获。

图7描述了本发明又一个实施例的快速联合捕获算法流程。接收到的中频采样信号首先进行去载波处理701，此处去载波只需要去除粗略多普勒。然后进行降采样处理702，得到速率为伪码P倍的接收序列。本地伪码发生器产生PRN序列703，并上采样到P倍频704，这两步在捕获时间内只需要执行一次。P可以是2，也可以是其他参数。对接收序列和本地伪码序列进行匹配滤波705，将相关值以FIFO形式存储在存储器中706。然后，对存储器中的相关值进行二级码剥离707和FFT操作708。为进一步提高灵敏度，非相干累加709对连续K个二级码周期内的相关值进行累加，这里进行非相干累加而不是相干累加的原因是导航电文比特翻转的限制。最后信号检测710在累加结果中寻找最大值，并与门限比较，如果超过门限则判定为有信号，反之判定为无信号。

本发明提出的上述装置或方法，利用匹配滤波器技术和FFT技术提供了对含二级码GNSS信号的快速联合捕获，达到卫星伪码初始位置和二级码初始位置联合捕获的目的，且能对载波频率进行并行搜索，解决了伪码、二级码联合捕获时，二级码的频偏敏感性对搜索步长的限制，大幅降低了计算量，提高了捕获速度，不仅适用于有先验信息的弱信号重捕，也适用于冷启高灵敏度捕获。

在前面的讨论中，本发明是参照有导航电文调制的含二级码GNSS信号来描述的。然而，应当理解，这些方法同样适用于无导航电文调制的含二级码GNSS信号，即GNSS系统的导频通道。术语“含二级码的GNSS信号”包括数据通道和导频通道的信号。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种快速联合捕获装置，其特征在于，包括：中频去载波模块、码发生器、采样模块、寄存器模块、匹配滤波器、相关结果存储器模块、二级码剥离模块、数据处理模块和信号检测单元，

所述中频去载波模块用于对接收的中频采样数据去除载波及多普勒频移；

所述码发生器用于产生待搜索卫星的伪码序列；

所述采样模块用于将去除多普勒频移后的信号降采样，将所述伪码序列上采样；

所述寄存器模块用于接收来自所述采样模块的输出；

所述匹配滤波器用于接收采样模块的信号进行相关操作，1个伪码周期后得到所有伪码相位对应的相关值；

所述相关结果存储器模块用于存储来自所述匹配滤波器的相关结果；

所述二级码剥离模块用于对所述匹配滤波器得到的相关值进行二级码剥离；

所述数据处理模块用于对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算，其后取模方，迭代累加K次，将结果存储于数据处理存储器中；

所述信号检测单元用于挑选所述数据处理存储器中的最大值，并与预定门限值比较，超过所述门限值则实现信号捕获。

2.如权利要求1所述的快速联合捕获装置，其特征在于，所述采样模块包括：接收信号降采样模块、本地伪码上采样模块，

所述接收信号降采样模块用于将去除多普勒频移后的信号降采样到伪码频率的P倍，P大于等于2；

所述本地伪码上采样模块用于将产生的伪码序列上采样到P倍频序列。

3.如权利要求1所述的快速联合捕获装置，其特征在于，所述寄存器模块包括：接收移位寄存器、本地伪码寄存器，

所述接收移位寄存器用于以P倍伪码速率的时钟存储降采样后的信号，输入到匹配滤波器；

所述本地伪码寄存器用于存储P倍频伪码序列，输入到所述匹配滤波器。

4.如权利要求1所述的快速联合捕获装置，其特征在于，所述相关结果存储器以FIFO的形式存储来自所述匹配滤波器的相关结果。

5.如权利要求1所述的快速联合捕获装置，其特征在于，所述数据处理模块包括快速傅立叶变换FFT模块，能量累加模块和数据处理存储器，

所述快速傅立叶变换FFT模块用于对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算；

所述能量累加模块用于将FFT结果取模方后，迭代累加K次，将结果存储于数据处理存储器中。

6.一种快速联合捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

对基带中频采样信号进行去载波处理，将接收的中频采样数据去除载波及多普勒频移；

将去除多普勒频移后的信号降采样，将码发生器产生的伪码序列上采样，其后将采样结果输入到匹配滤波器；

通过匹配滤波器对接收信号进行相关操作，1个伪码周期后得到所有伪码相位对应的相关值，并将所述相关值存储于相关结果存储器中；

对相关结果存储器中的所述相关值进行二级码剥离，对二级码剥离后的相关信号进行FFT运算，其后取模方，迭代累加K次模方值，将结果存储于数据处理存储器中；

挑选所述数据处理存储器中的最大值，并与预定门限值比较，超过所述门限值则实现信号捕获。

7.如权利要求6所述的快速联合捕获方法，其特征在于，对基带中频采样信号进行去载波处理时，频率搜索步长为伪码周期倒数的1/2或者2/3。

8.如权利要求6所述的快速联合捕获方法，其特征在于，将去除多普勒频移后的信号降采样、将码发生器产生的伪码序列上采样包括：

将去除多普勒频移后的信号降采样到伪码频率的P倍，P大于等于2；将产生的伪码序列上采样到P倍频序列。

9.如权利要求8所述的快速联合捕获方法，其特征在于，将码发生器产生的伪码序列、对伪码序列进行上采样的结果、以及将上采样后的伪码序列存储到本地伪码寄存器，采取预先存储的方式，搜索卫星时只进行一次配置。

10.如权利要求6所述的快速联合捕获方法，其特征在于，匹配滤波器对接收信号与本地伪码进行相关操作，在1个伪码周期结束时，得到全部伪码相位对应的相关结果。

11.如权利要求6所述的快速联合捕获方法，其特征在于，所述相关结果以FIFO模式存储起来，执行FIFO存储的时间单位为1个伪码周期。

12.如权利要求6所述的快速联合捕获方法，其特征在于，所述二级码剥离，在1个伪码周期结束，匹配滤波器输出的相关结果以FIFO形式进入相关结果存储器后，将本地产生的二级码序列与存储的对应相关结果进行相乘操作，以实现二级码去除。

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