CN104297767B - 一种自适应的多次重采样导航卫星捕获方法及其实现系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自适应的多次重采样导航卫星捕获方法，采用重采样技术对中频信号进行重采样，还加入自适应技术来自动判别需要进行几次重采样才能捕获到足够的可见导航卫星。本发明快速捕获到可见导航卫星，比无重采样技术的捕获方法快一倍以上，由于本发明还采用了自适应的n倍重采样技术，能够捕获到足够数量的可见导航卫星进行后续的处理，本发明对有较高射频前端采样频率的信号捕获效果更加明显，明显缩短了捕获可见导航卫星的时间。使得处理的数据减少，从而减少了数据处理的时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应的多次重采样导航卫星捕获方法及其实现系统，属于卫星导航定位技术领域。
背景技术
经过了20多年的发展历史，卫星导航技术日益成熟，如今的卫星导航系统也变得丰富起来，除了美国GPS外，还有俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO和中国的北斗。卫星导航定位也逐渐走进了人民的日常生活，如汽车导航、儿童老人定位等。如今的智能手机都配备有一种或者几种导航系统，卫星导航的应用也层出不穷。目前广泛使用的卫星导航接收机分为两种：基于ASIC结构的专用导航设备，称为硬件接收机；基于射频芯片和ARM芯片的导航设备，称为软件接收机。不管是硬件接收机还是软件接收机，其基带处理部分都包括信号的捕获、跟踪和导航解算。本方法就是专门针对导航卫星的捕获进行的改进优化方法。
一般情况下接收机接收到的导航卫星信号的能量会因在空中的传播而大幅度的削弱，而且接收的信号中还会包括各种噪声，导航卫星信号变换成为基带信号后处理的第一步是捕获过程，如何在有噪声的前提下快速捕获到天空中可见的导航卫星是基带解码的关键问题之一。在林荫等有遮挡物的低信噪比环境下，需要使用高灵敏度的接收机来完成对弱信号的捕获。接收机对弱信号的捕获需要处理较长时间的数据来提高接收机的处理增益，这样就会大大增加导航卫星捕获的时间。要进行导航跟踪和导航解算，至少需要捕获到四颗可见导航卫星，但并非所有接收到的可见导航卫星信号都是弱信号，因而只采用短数据捕获方法捕获不到足够的导航卫星，但只采用长数据的捕获方法又过于费时。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种自适应的多次重采样导航卫星捕获方法；
利用上述方法接收到的强弱信号分开捕获，减少导航卫星信号捕获的时间，将可见导航卫星的捕获时间降低到原来的一半以下；
本发明还公开了实现上述方法的系统；
上述系统在原有的快速并行捕获系统上添加了重采样模块、判断器模块和控制器模块，达到自适应和多次重采样的效果，本发明对所有采用CDMA卫星导航系统的可见导航卫星捕获都是有效的，如GPS、GALILEO和北斗。
本发明的技术方案为：
一种自适应的多次重采样导航卫星捕获方法，具体步骤包括：
(1)开始；
(2)定义数组，参数初始化：捕获到的可见导航卫星数目SV初始化值为0，需要捕获的可见导航卫星数目S的取值范围为4≤S≤12，本地中频载波数m初始化值为1，1≤m≤29，所述本地中频载波频率间隔为+500Hz或-500Hz，捕获阈值Th的取值范围为2.5≤Th≤5，重采样得到的中频信号频率为所述本地中频载波的n倍，所述n初始值为2，n的取值为2、3、4；
(3)对接收到的中频信号进行重采样：对接收到的中频信号进行重采样，重采样后中频信号频率为所述本地中频载波频率的n倍，所述重采样后中频信号存储待用；
(4)生成PRN并进行FFT：生成所有导航卫星的伪随机码PRN，对所述所有导航卫星的伪随机码PRN依次进行快速傅立叶变换FFT和复数共轭变换处理，得到复频域的PRN并存储待用；
(5)生成所述本地中频载波：所述本地中频载波包括29个多普勒频移的正弦信号本地中频载波和29个多普勒频移的余弦信号本地中频载波，并将所述本地中频载波存储待用；
(6)中频信号与本地中频载波混频得到基带信号并进行快速傅立叶变换：采用正交解调的方法，将步骤(3)所述重采样后中频信号与步骤(5)所述本地中频载波进行混频，去除中频信号中的载波成分，得到基带信号，并对所述基带信号进行快速傅立叶变换得到频域基带信号；
(7)频域基带信号和复频域的PRN在频域相乘：将步骤(6)所述频域基带信号与步骤(4)所述复频域的PRN进行相乘运算；
(8)用IFFT转换到时域并平方记录结果：对步骤(7)得到的结果进行傅立叶反变换IFFT，再进行平方运算并存储待用，本地中频载波数m加1，如果m≤29，则跳入步骤(5)，否则进入步骤(9)；
(9)找到第一峰值与第二峰值的比值并记录结果：计算步骤(8)所述存储待用的结果不在相邻码片的第一峰值和第二峰值的比值，记录比值结果，将所述比值结果与所述捕获阈值Th进行比较，如果所述比值结果大于所述捕获阈值Th，则记录所述比值结果对应的导航卫星的伪随机码PRN，所述捕获到的可见导航卫星数目SV加1，否则，进入步骤(10)；
所述所有导航卫星的伪随机码PRN的单位为码片，每个码片对应一个所述步骤(8)所述存储待用的结果，找到所有步骤(8)所述存储待用的结果中的最大值即为第一峰值，然后排除第一峰值对应的码片以及与所述第一峰值对应的码片相邻的码片，从剩余码片对应的步骤(8)所述存储待用的结果中找到最大值即为第二峰值；
(10)检测是否所有PRN都探测过：检测是否所有导航卫星的伪随机码PRN都探测过，如果所有导航卫星的伪随机码PRN都探测过，则进入步骤(11)，否则，跳入步骤(6)；
(11)检测是否捕获到需要捕获的可见导航卫星数目S：如果SV≥S，则结束，终止运行，捕获成功，记录结果，否则，进入步骤(12)；
(12)通过比值结果找到需要重新捕获的伪随机码PRN：找出步骤(9)所述比值结果的前S+3个值，找到所述前S+3个比值结果对应的导航卫星的伪随机码PRN，并去除已经捕获到的SV个导航卫星的伪随机码PRN，重新设定剩下的需要捕获的导航卫星的伪随机码PRN，n加1，进入步骤(3)。
本发明在原有的快速并行捕获算法的基础上加以改进，增加了对接收到的中频信号进行重采样的功能，以此来减少导航卫星的捕获时间；重采样后中频信号频率为本地中频载波频率的2倍、3倍或4倍，根据奈克斯特定律，模拟信号转变为数字信号时，要使转变后的数字信号不丢失相关信息，则模数变换的采样频率至少是信号频率的2倍，因此本发明采用的重采样的原理，将中频信号进行了1次、2次或3次重采样，使重采样后得到的中频信号频率由原来的本地中频载波频率得到了本地中频载波频率的2倍、3倍和4倍这三组中频信号。首先，对频率为本地中频载波频率的2倍的中频信号进行处理，分别依次进行基带混频处理，时频变换处理，频域混频处理，频时变换处理和信号平方处理，最后判断是否成功捕获到可见导航卫星。控制器来决定是否要对频率为本地中频载波频率的3倍的中频信号进行处理，判断依据是捕获到的可见卫星数量是否达到设定的需要捕获的可见导航卫星数量，若未达到此要求，则对频率为本地中频载波频率的3倍的中频信号进行处理，重新捕获未捕获到的导航卫星。同理，是否对频率为本地中频载波频率的4倍的中频信号进行处理与处理频率为本地中频载波频率的3倍的中频信号相同。
由于在数字信号处理中，输入信号的采样频率越低，相同时间内处理所用的时间就越短，因此采用频率为本地中频载波频率的2倍的中频信号进行捕获可见导航卫星时所用的时间最短，相应的捕获到的可见导航卫星的信号功率也是最大的，采用频率为本地中频载波频率的4倍的中频信号进行捕获可见导航卫星时所用的时间最长，相应的捕获到的可见导航卫星的信号功率也是最小的，采用频率为本地中频载波频率的3倍的中频信号进行捕获可见导航卫星时所用的时间居中，相应的捕获到的可见导航卫星的信号功率也是居中。
图2为本发明的原理框图。
对本发明的原理框图说明如下：控制器对中频信号Sin进行重采样；生成余弦信号，余弦信号经过90°的相移变成正弦信号，余弦信号和正弦信号分别与重采样的中频信号相乘，得到基带信号；基带信号进行傅立叶变换FFT，得到频域基带信号；控制器控制PRN生成器生成对应的PRN，进行傅立叶变换FFT，再进行复数共轭变换，得到复频域PRN与频域基带信号相乘；接着依次进行傅立叶反变换及平方运算，经过判断器进行判断，输出反馈信号给控制器和输出信号Sout。
一种实现上述方法的系统，包括：中频信号重采样模块、基带混频和时频变换模块、频域混频和频时变换模块、判断器模块、重采样控制器模块、本地中频载波生成模块及域频PRN生成模块，所述中频信号重采样模块、所述基带混频和时频变换模块、所述频域混频和频时变换模块、所述判断器模块、所述重采样控制器模块依次首尾连接，所述重采样控制器模块、所述本地中频载波生成模块、所述基带混频和时频变换模块依次连接，所述重采样控制器模块、所述域频PRN生成模块、所述频域混频和频时变换模块依次连接。
根据本发明优选的，所述中频信号重采样模块用于把中频信号的频率变成本地中频载波的2倍、3倍和4倍；所述基带混频和时频变换模块用于去除中频信号中的载波成分，从而得到基带信号，并对所述基带信号进行快速傅立叶变换得到频域基带信号；所述频域混频和频时变换模块用于实现频域基带信号和复频域的PRN在频域相乘运算，并将得到的结果进行傅立叶反变换IFFT，再进行平方运算并存储待用；所述判断器模块用于通过平方运算结果判断是否捕获到可见导航卫星；所述本地中频载波生成模块用于生成正弦信号本地中频载波和余弦信号本地中频载波；所述频域PRN生成模块用于生成所有导航卫星的伪随机码PRN，并变换到复频域的PRN。
本发明的有益效果为：
对不同的卫星导航系统和不同情况下接收到的信号，本发明快速捕获到可见导航卫星，比无重采样技术的捕获方法快一倍以上，由于本发明还采用了自适应的n倍重采样技术，能够捕获到足够数量的可见导航卫星进行后续的处理，本发明对有较高射频前端采样频率的信号捕获效果更加明显，明显缩短了捕获可见导航卫星的时间。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的原理框图；
图3为本发明实现系统的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种自适应的多次重采样导航卫星捕获方法，具体步骤包括：
(1)开始；
(2)定义数组，参数初始化：捕获到的可见导航卫星数目SV初始化值为0，需要捕获的可见导航卫星数目S的取值范围为4≤S≤12，本地中频载波数m初始化值为1，1≤m≤29，所述本地中频载波频率间隔为+500Hz或-500Hz，捕获阈值Th的取值范围为2.5≤Th≤5，重采样得到的中频信号频率为所述本地中频载波的n倍，所述n初始值为2，n的取值为2、3、4；
(3)对接收到的中频信号进行重采样：对接收到的中频信号进行重采样，重采样后中频信号频率为所述本地中频载波频率的n倍，所述重采样后中频信号存储待用；
(4)生成PRN并进行FFT：生成所有导航卫星的伪随机码PRN，对所述所有导航卫星的伪随机码PRN依次进行快速傅立叶变换FFT和复数共轭变换处理，得到复频域的PRN并存储待用；
(5)生成所述本地中频载波：所述本地中频载波包括29个多普勒频移的正弦信号本地中频载波和29个多普勒频移的余弦信号本地中频载波，并将所述本地中频载波存储待用；
(6)中频信号与本地中频载波混频得到基带信号并进行快速傅立叶变换：采用正交解调的方法，将步骤(3)所述重采样后中频信号与步骤(5)所述本地中频载波进行混频，去除中频信号中的载波成分，得到基带信号，并对所述基带信号进行快速傅立叶变换得到频域基带信号；
(7)频域基带信号和复频域的PRN在频域相乘：将步骤(6)所述频域基带信号与步骤(4)所述复频域的PRN进行相乘运算；
(8)用IFFT转换到时域并平方记录结果：对步骤(7)得到的结果进行傅立叶反变换IFFT，再进行平方运算并存储待用，本地中频载波数m加1，如果m≤29，则跳入步骤(5)，否则进入步骤(9)；
(9)找到第一峰值与第二峰值的比值并记录结果：计算步骤(8)所述存储待用的结果不在相邻码片的第一峰值和第二峰值的比值，记录比值结果，将所述比值结果与所述捕获阈值Th进行比较，如果所述比值结果大于所述捕获阈值Th，则记录所述比值结果对应的导航卫星的伪随机码PRN，所述捕获到的可见导航卫星数目SV加1，否则，进入步骤(10)；
所述所有导航卫星的伪随机码PRN的单位为码片，每个码片对应一个所述步骤(8)所述存储待用的结果，找到所有步骤(8)所述存储待用的结果中的最大值即为第一峰值，然后排除第一峰值对应的码片以及与所述第一峰值对应的码片相邻的码片，从剩余码片对应的步骤(8)所述存储待用的结果中找到最大值即为第二峰值；
(10)检测是否所有PRN都探测过：检测是否所有导航卫星的伪随机码PRN都探测过，如果所有导航卫星的伪随机码PRN都探测过，则进入步骤(11)，否则，跳入步骤(6)；
(11)检测是否捕获到需要捕获的可见导航卫星数目S：如果SV≥S，则结束，终止运行，捕获成功，记录结果，否则，进入步骤(12)；
(12)通过比值结果找到需要重新捕获的伪随机码PRN：找出步骤(9)所述比值结果的前S+3个值，找到所述前S+3个比值结果对应的导航卫星的伪随机码PRN，并去除已经捕获到的SV个导航卫星的伪随机码PRN，重新设定剩下的需要捕获的导航卫星的伪随机码PRN，n加1，进入步骤(3)。
实施例2
一种实现实施例1所述方法的系统，包括：中频信号重采样模块、基带混频和时频变换模块、频域混频和频时变换模块、判断器模块、重采样控制器模块、本地中频载波生成模块及域频PRN生成模块，所述中频信号重采样模块、所述基带混频和时频变换模块、所述频域混频和频时变换模块、所述判断器模块、所述重采样控制器模块依次首尾连接，所述重采样控制器模块、所述本地中频载波生成模块、所述基带混频和时频变换模块依次连接，所述重采样控制器模块、所述域频PRN生成模块、所述频域混频和频时变换模块依次连接。
所述中频信号重采样模块用于把中频信号的频率变成本地中频载波的2倍、3倍和4倍；所述基带混频和时频变换模块用于去除中频信号中的载波成分，从而得到基带信号，并对所述基带信号进行快速傅立叶变换得到频域基带信号；所述频域混频和频时变换模块用于实现频域基带信号和复频域的PRN在频域相乘运算，并将得到的结果进行傅立叶反变换IFFT，再进行平方运算并存储待用；所述判断器模块用于通过平方运算结果判断是否捕获到可见导航卫星；所述本地中频载波生成模块用于生成正弦信号本地中频载波和余弦信号本地中频载波；所述频域PRN生成模块用于生成所有导航卫星的伪随机码PRN，并变换到复频域的PRN。
Claims (3)
1.一种自适应的多次重采样导航卫星捕获方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)开始；
(2)定义数组，参数初始化：捕获到的可见导航卫星数目SV初始化值为0，需要捕获的可见导航卫星数目S的取值范围为4≤S≤12，本地中频载波数m初始化值为1，1≤m≤29，所述本地中频载波频率间隔为+500Hz或-500Hz，捕获阈值Th的取值范围为2.5≤Th≤5，重采样得到的中频信号频率为所述本地中频载波的n倍，所述n初始值为2，n的取值为2、3、4；
(3)对接收到的中频信号进行重采样：对接收到的中频信号进行重采样，重采样后中频信号频率为所述本地中频载波频率的n倍，所述重采样后中频信号存储待用；
(4)生成PRN并进行FFT：生成所有导航卫星的伪随机码PRN，对所述所有导航卫星的伪随机码PRN依次进行快速傅立叶变换FFT和复数共轭变换处理，得到复频域的PRN并存储待用；
(5)生成所述本地中频载波：所述本地中频载波包括29个多普勒频移的正弦信号本地中频载波和29个多普勒频移的余弦信号本地中频载波，并将所述本地中频载波存储待用；
(6)中频信号与本地中频载波混频得到基带信号并进行快速傅立叶变换：采用正交解调的方法，将步骤(3)所述重采样后中频信号与步骤(5)所述本地中频载波进行混频，去除中频信号中的载波成分，得到基带信号，并对所述基带信号进行快速傅立叶变换得到频域基带信号；
(7)频域基带信号和复频域的PRN在频域相乘：将步骤(6)所述频域基带信号与步骤(4)所述复频域的PRN进行相乘运算；
(8)用IFFT转换到时域并平方记录结果：对步骤(7)得到的结果进行傅立叶反变换IFFT，再进行平方运算并存储待用，本地中频载波数m加1，如果m≤29，则跳入步骤(5)，否则进入步骤(9)；
(9)找到第一峰值与第二峰值的比值并记录结果：计算步骤(8)所述存储待用的结果不在相邻码片的第一峰值和第二峰值的比值，记录比值结果，将所述比值结果与所述捕获阈值Th进行比较，如果所述比值结果大于所述捕获阈值Th，则记录所述比值结果对应的导航卫星的伪随机码PRN，所述捕获到的可见导航卫星数目SV加1，否则，进入步骤(10)；
所述所有导航卫星的伪随机码PRN的单位为码片，每个码片对应一个所述步骤(8)所述存储待用的结果，找到所有步骤(8)所述存储待用的结果中的最大值即为第一峰值，然后排除第一峰值对应的码片以及与所述第一峰值对应的码片相邻的码片，从剩余码片对应的步骤(8)所述存储待用的结果中找到最大值即为第二峰值；
(10)检测是否所有PRN都探测过：检测是否所有导航卫星的伪随机码PRN都探测过，如果所有导航卫星的伪随机码PRN都探测过，则进入步骤(11)，否则，跳入步骤(6)；
(11)检测是否捕获到需要捕获的可见导航卫星数目S：如果SV≥S，则结束，终止运行，捕获成功，记录结果，否则，进入步骤(12)；
(12)通过比值结果找到需要重新捕获的伪随机码PRN：找出步骤(9)所述比值结果的前S+3个值，找到所述前S+3个比值结果对应的导航卫星的伪随机码PRN，并去除已经捕获到的SV个导航卫星的伪随机码PRN，重新设定剩下的需要捕获的导航卫星的伪随机码PRN，n加1，进入步骤(3)。
2.一种实现权利要求1所述的一种自适应的多次重采样导航卫星捕获方法的系统，其特征在于，包括：中频信号重采样模块、基带混频和时频变换模块、频域混频和频时变换模块、判断器模块、重采样控制器模块、本地中频载波生成模块及域频PRN生成模块，所述中频信号重采样模块、所述基带混频和时频变换模块、所述频域混频和频时变换模块、所述判断器模块、所述重采样控制器模块依次首尾连接，所述重采样控制器模块、所述本地中频载波生成模块、所述基带混频和时频变换模块依次连接，所述重采样控制器模块、所述域频PRN生成模块、所述频域混频和频时变换模块依次连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述中频信号重采样模块用于把中频信号的频率变成本地中频载波的2倍、3倍和4倍；所述基带混频和时频变换模块用于去除中频信号中的载波成分，从而得到基带信号，并对所述基带信号进行快速傅立叶变换得到频域基带信号；所述频域混频和频时变换模块用于实现频域基带信号和复频域的PRN在频域相乘运算，并将得到的结果进行傅立叶反变换IFFT，再进行平方运算并存储待用；所述判断器模块用于通过平方运算结果判断是否捕获到可见导航卫星；所述本地中频载波生成模块用于生成正弦信号本地中频载波和余弦信号本地中频载波；所述频域PRN生成模块用于生成所有导航卫星的伪随机码PRN，并变换到复频域的PRN。
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