CN103777216B - 一种卫星导航导频信号捕获方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明供一种运算量小、速度快、高信噪比和检测概率的卫星导航导频信号捕获方法及装置。捕获方法包括：设定频域搜索范围和步进长度；设置两个本地载波的频率；数字中频信号分别与两个本地载波混频；混频后的信号进行伪码剥离；伪码剥离后的信号进行相参积累；相参积累后的信号进行类相参积累；类相参积累后的信号进行非相参积累；非相参积累后的信号进行相关峰合成；相关峰合成后的信号进行峰值检测；判断峰值是否超过检测门限；若超过，估计多普勒频移和测量码相位偏移；若不超过，重新设定两个本地载波的频率，重复上述步骤直至峰值超过检测门限或频域搜索完成。捕获装置包括：信号采集部、载波发生部、码发生部、信号处理部、合成部及控制部。

Description

一种卫星导航导频信号捕获方法及装置

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，更加具体地，涉及一种卫星导航导频信号捕获方法及装置。

背景技术

卫星导航系统在设计之初的主要目标是满足开阔天空条件下广域乃至全球范围的定位授时。由于卫星远离地面，信号到达地表附近已经非常微弱。假如天线和接收机移动到室内，接收信号功率还会降低10～1000倍。即便在室外环境，微弱信号捕获和跟踪依旧是卫星导航接收机设计领域一个无法回避的问题。来自建筑物、树木甚至汽车车顶的遮挡或系统内外的射频干扰就足以对普通接收机的卫星信号捕获产生严重影响。现代卫星导航系统，如GPS、Galileo和我国的北斗，从信号设计着手，采取添加无导航电文的导频通道方式，增强微弱信号接收灵敏度、系统健壮性和抗射频干扰能力。导频通道上还增加了第二重伪随机序列，在GPS-L5频点上为纽曼-霍夫曼(NH)码，以进一步抑制微弱信号条件下系统内部的互相关干扰。

通常接收机采取长度为第一重伪随机序列周期的相参积累加非相参积累进行捕获，或者将两重伪随机序列看作一个完整的长码进行相参积累。前一种捕获方法最主要的问题是信噪比和检测概率较低，后者则因占用的硬件资源太大而难以应用于普通商用接收机。为了提高信噪比和检测概率，发明专利CN102508269A公开了一种在常规方法的相参积累和非相参积累之间添加类相参积累的导频信号捕获方案，包括：对接收到的卫星导航导频信号进行积分区间长度为第一重伪随机序列周期的相参积累，得到相参积累值；在得到的相参积累值中，将对应于第二重伪随机序列中同一个码元的相参积累值累加，得到一个第二重伪随机序列周期中各码元的同相累加结果和正交累加结果，即类相参积累；对于该第二重伪随机序列周期中的各码元类相参积累结果分别进行下述处理：用该码元的同相累加结果的平方和正交累加结果的平方相加，得到该码元的累加结果；对各码元都处理完后累加各码元的累加结果或各累加结果的平方根，得到整个数据段的累加值，即非相参积累；对所述累加值进行峰值搜索并与既定门限进行比较完成信号捕获。该方法得到的频域相关峰示意图如图1所示，横坐标为相关峰的频偏，单位是Hz，纵坐标为归一化相关峰幅值。图1是GPS-Q5信号采用1毫秒相参积累，2次类相参积累和1次非相参积累，在码相位基本对准的条件下，归一化相关峰幅值与频偏的关系图。从图1中可以清楚地看出，上述方法存在以下缺陷：相关峰在频域主瓣很窄，副瓣峰值很高，存在相关峰在零频偏处凹陷为零点和两个对称主瓣的现象。因为频域的步进长度与主瓣宽度有直接的关系，所以频域搜索步进长度随之减小，搜索运算量大增，其频域搜索运算量或硬件资源占用量不小于前述将两重伪随机序列看作一个完整的长码进行相参积累方案；副瓣与主瓣峰值高度相差较少且存在两个对称主瓣的现象，在噪声的影响下很容易出现多普勒频率测量模糊的问题；而且传统相参-非相参积累零频偏处应为相关峰的顶点，而上述方法存在零频偏处为零点的现象，这会导致未捕获目标的误判。

发明内容

本发明是为了解决现有基于类相参积累技术捕获方案中存在的上述缺陷而做出，其目的在于提供一种运算量小、捕获速度快、高信噪比和检测概率的卫星导航导频信号捕获方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供一种卫星导航导频信号捕获方法，包括：设定频域搜索范围和步进长度；设置两个本地载波的频率；数字中频信号分别与两个本地载波混频；将混频后的两路信号进行伪码剥离；将伪码剥离后的两路信号进行相参积累；将相参积累后的两路信号进行类相参积累；将类相参积累后的两路信号进行非相参积累；将非相参积累后的两路信号进行相关峰合成（合路）；将相关峰合成后的信号进行峰值检测；判断最大峰值是否超过设定的检测门限；如果最大峰值超过检测门限，则估计多普勒频移和测量码相位偏移；如果最大峰值不超过检测门限，则根据频域步进长度和频差要求重新设定两个本地载波的频率，重复上述步骤，直至最大峰值超过检测门限或者遍历整个频域搜索范围。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于卫星导航导频信号捕获装置，包括：信号采集部，接收导频信号并对信号进行下变频和A/D转换，将转换后的数字中频信号暂存在缓冲器中；载波发生部，提供两个具有指定频差的本地载波；码发生部，提供对应第一重伪随机序列不同码相位延迟的多个本地伪随机序列；信号处理部，将数字中频信号分别且同时与两个本地载波进行混频、与本地伪随机序列相乘进行伪码剥离、相参积累、类相参积累、非相参积累处理，得到两路非相参积累信号输出；合成部，将非相参积累后的两路信号进行相关峰合成（合路），得到合成后的相关峰（非相参积累合成信号）输出；控制部，负责上述各部之间数据存储和传输，将相关峰合成后的信号进行峰值检测及门限比较，多普勒频移以及码相位偏移的估计或测量，当两个本地载波的频率需要重新设定时，发控制信号给载波部。

本发明提供两个满足特定频偏关系的本地载波，分别且同时完成对接收信号的混频、伪码剥离、相参积累、类相参积累、非相参积累处理，将两路非相参积累信号进行相关峰合成（合路），消除了公开号为CN102508269A发明专利相关峰在频域上的大量零点，两个主瓣和众多旁瓣合成一个宽度大大扩展的单一主瓣，增加了频域搜索的步进长度，减少了运算量；合成后的相关峰主瓣和副瓣峰值高度相差较大，不容易出现多普勒频率测量的模糊问题；合成后的相关峰在零频偏附近幅值最大，不存在未捕获目标的误判。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是根据公开号为CN102508269A发明专利相关峰频域示意图；

图2是本发明导频信号捕获方法的流程图；

图3是根据本发明相关峰频域示意图；

图4是根据本发明导频信号捕获装置的示意图；

图5是根据本发明导频信号捕获装置相关峰合成部的示意图；

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图2是本发明导频信号捕获方法的流程图，本发明导频信号捕获方法包括：

首先，在步骤S200中，设定频域搜索范围和步进长度，其中，搜索范围可以根据需要确定，例如±10KHz;搜索频域步进长度与相关峰主瓣的宽度相关，例如可以为相关峰主瓣的半功率点以上部分。

确定了搜索范围和步进长度后，在步骤S210中，设置两个本地载波的频率，本地载波1的频率是对数字中频信号频率的估计，本地载波2与本地载波1的频差为其中，J是类相参次数，L是第二重伪随机序列长度，Tp是相参积累时间，通常与第一重伪随机序列周期相等。

确定了两个本地载波后，在步骤S220中，将数字中频信号分别且同时与两个本地载波混频，得到两路混频信号，即，与本地载波1频率相关的一路混频信号和与本地载波2频率相关的另一路混频信号。

得到两路混频信号，在步骤S230中，将两路混频信号分别且同时进行伪码剥离，即，将混频后的两路信号与对应第一重伪随机序列不同码相位延迟的本地伪随机序列进行相乘运算，实现第一重伪随机码的剥离。

将两路伪码剥离后的信号，在步骤S240中，分别且同时进行相参积累，即，分别将两路伪码剥离后的信号在第一重伪随机序列周期内进行相参积累，得到两路相参积累后的信号。

得到两路相参积累后的信号，在步骤S250中，将两路相参积累后的信号分别且同时进行类相参积累，即，将各路相参积累后的信号中对应于第二重伪随机序列中同一个码元的相参积累值分别累加，得到含有第二重伪随机序列的两路类相参积累信号，其中，码元个数与第二重伪随机序列周期中的码元数相等。类相参积累次数就是参与累加的对应于同一个第二重伪随机码元的相参积累结果样点的数量，或者说参与类相参积累的数据长度与两重伪随机序列总周期之比，两重伪随机序列总周期即是第一重伪随机序列周期Tp与第二重序列长度L的乘积。可以根据灵敏度需要设定，类相参积累次数越多，灵敏度越高，但是运算量也越大。

类相参积累后的每路复信号包括同相（I）和正交（Q）两个支路。在步骤S260中，将两路类相参积累后的信号分别且同时进行非相参积累，即，对每路复信号的同相和正交两个支路求取平方和(I²+Q²)或者平方和的平方根得到两路复信号的幅值，去掉第二重伪随机码。

去掉第二重伪随机序列后，在步骤S270中，将两路非相参积累后信号进行相关峰合成（合路），即，对应于同一本地码相位的两路非相参积累结果被加以比较，幅值较大者被选通输出，由这些较大值合成新的相关峰，合成后的相关峰频域示意图，如图3所示，频域上大量零点消失，两个主瓣和众多旁瓣被合并（合成）为一个宽度大大扩展的单一主瓣，其中，横坐标为相关峰的频偏，单位是Hz，纵坐标为归一化相关峰幅值。消除相关峰频域主瓣与多个相邻副瓣间的零点将主瓣与其相邻副瓣合并为一个在频域上展宽的新主瓣，有效增加了频域搜索的步进长度，降低频域搜索点数，以较低的硬件成本实现卫星导航导频信号高灵敏度捕获；消除了零偏移处的零点，避免未捕获目标的误判。主瓣峰值和副瓣峰值高度相差较大，不容易造成多普勒频移测量的模糊。

合成两路非相参积累信号得到新的相关峰以后，在步骤S280中，将各个本地码相位处的非相参积累值进行比较，得到相关峰（非相参积累合成信号）的最大值；

得到相关峰最大值后，在步骤S290中，将最大值与设定的检测门限进行比较。

若最大值超过设定的检测门限，说明目标信号存在，则进行步骤S290a，估计数字中频信号相对于本地载波的多普勒频移和测量该中频信号相对于本地码的码相位偏移。

若最大值没有超过设定的检测门限，说明目标信号不存在，则进行步骤S290b,回到步骤S210重新设置两个本地载波的频率，重复步骤S220-S280，直到非相参积累（相关峰）最大值超过设定的检测门限或者遍历整个频域搜索范围。

附图2描述了根据本发明的一种卫星导航导频信号捕获方法。本发明的卫星导航导频信号捕获方法，可以采用软件实现，也可以采用硬件实现，或采用软件和硬件组合的方式实现。

图4是根据本发明导频信号捕获装置的示意图。

如图4所示，所述捕获装置包括信号采集部400、载波发生部410、码发生部420、信号处理部430、合成部440、控制部450。具体地：

所述信号采集部400用来接收卫星导航导频信号并对信号进行下变频和A/D转换，将转换后的数字中频信号暂存在缓冲器（例如FIFO缓冲器）中。

同时，载波发生部410提供两个具有指定频差的本地载波，例如数字振荡器。码发生部420，提供对应第一重伪随机序列不同码相位延迟的多个本地伪随机序列。

然后，将采集部400中的数字中频信号和两个本地载波传输到信号处理部430，所述信号处理部430用来将数字中频信号分别且同时与两个本地载波进行混频、与本地伪随机序列相乘进行伪码剥离、相参积累、类相参积累、非相参积累处理，得到两路非相参积累信号输出。具体地，信号处理部430包括：混频器，分别同时将两个本地载波与数字中频信号混频，例如下变频器；伪码剥离单元，将混频后的两路信号与对应第一重伪随机序列不同码相位延迟的本地伪随机序列进行相乘运算，实现第一重伪随机码的剥离，例如乘法器；相参积累单元，分别同时将两路伪随机序列剥离后的信号进行相参积累，例如，伪随机序列剥离后的信号传输到同相/正交双支路累加器得到相参积累信号；类相参积累单元，分别且同时将两路相参积累后的信号进行类相参积累，例如，分别将两路相参信号并行化，使得相参积累信号与位于第二重伪随机序列的多个不同周期中同一位置上的码元送入同一个同相/正交双支路累加器，经过L（第二重伪随机序列周期中码元的个数）个累加器累加，累加结果经过串行器依次输出；非相参积累单元，分别同时将类相参积累后的信号进行非相参积累，例如，分别将类相参后的信号各码元同相和正交累加结果的平方和或此平方和的平方根相加，完成非相参积累，剥离第二重伪随机序列。

剥离了第一重伪随机序列和第二重伪随机序列的两路非相参积累后信号传输到合成部440，进行相关峰合成，具体地，如图5所示。所述合成部440包括幅度比较器510和二选一开关520。

在图5中，信号1为对应本地载波1的非相参积累输出，信号2为对应本地载波2的非相参积累输出。首先将位于同一本地码相位处的信号1和信号2传输给幅度比较器510，比较两者幅度的大小，例如，当信号1幅度大于等于信号2幅度时，幅度比较器输出为1；当信号2幅度大于信号1幅度时，幅度比较器输出为0。然后利用幅度比较器的结果控制二选一开关520（例如单刀双掷开关）的导通，即，当幅度比较器输出为1，二选一开关520输出信号1，当幅度比较器输出为0，二选一开关520输出信号2。

两路非相参积累信号合成一路信号后，传输到控制部450。所述控制部450用来完成不同装置之间的数据传输，峰值检测及门限比较，估计多普勒频移以及测量码相位偏移；当两个本地载波的频率需要重新设定时，发控制信号给载波部。

将载波发生部410、码发生部420、信号处理部430、合成部440、控制部450设置在一个通道内，则本发明捕获装置可以包含多个上述通道同时进行码相位域、频域搜索和目标信号捕获，加快捕获的速度。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想多个，除非明确限制为单数。

Claims (5)

1.一种卫星导航导频信号捕获方法，包括：

设定频域搜索范围和步进长度；

设置两个本地载波的频率，其中，所述两个本地载波的频差为：

其中，J是类相参次数，L是第二重伪随机序列长度或周期，Tp是相参积累时间；

数字中频信号分别与两个本地载波混频；

将混频后的两路信号与本地伪随机序列相乘进行伪码剥离；

将伪码剥离后的两路信号进行相参积累；

将相参积累后的两路信号进行类相参积累；

将类相参积累后的两路信号进行非相参积累；

将非相参积累后的两路信号进行相关峰合成；

将相关峰合成后的信号进行峰值检测；

判断最大峰值是否超过设定的检测门限；

若超过检测门限，估计多普勒频移和测量码相位偏移；

若不超过检测门限，重新设定两个本地载波的频率，重复上述步骤，直至最大峰值超过检测门限或者遍历整个频域搜索范围。

2.如权利要求1所述的导频信号捕获方法，其中，所述重新设定两个本地载波的频率，包括：

重新设定的两个本地载波频率分别与原设定频率相差一个频域步进长度；

重新设定的两个本地载波频率之间满足频差要求。

3.如权利要求1所述导频信号捕获方法，其中所述相关峰合成方法包括:

比较两路非相参积累后信号在同一本地码相位处的幅值；

输出幅值较大的信号。

4.一种用于捕获导频信号的捕获装置，包括：

信号采集部，接收导频信号并对信号进行下变频和A/D转换，将转换后的数字中频信号暂存在缓冲器中；

载波发生部，提供两个具有指定频差的本地载波，其中，所述两个本地载波的频差为：

其中，J是类相参次数，L是第二重伪随机序列长度或周期，Tp是相参积累时间；

码发生部，提供对应第一重伪随机序列不同码相位延迟的多个本地伪随机序列；

信号处理部，将数字中频信号分别且同时与两个本地载波进行混频、与本地伪随机序列相乘进行伪码剥离、相参积累、类相参积累、非相参积累处理，得到两路非相参积累信号输出；

合成部，将非相参积累后的两路信号进行相关峰合成，得到合成后的相关峰输出；

控制部，负责上述各部之间数据存储和传输，将相关峰合成后的信号进行峰值检测及门限比较，多普勒频移以及码相位偏移的估计或测量，当两个本地载波的频率需要重新设定时，发控制信号给载波部。

5.如权利要求4所述的导频信号的捕获装置，其中，所述合成部包括：

幅度比较器，比较两路非相参积累后信号的幅值的大小；

二选一开关，根据幅度比较结果控制两路非相参积累后信号的输出。