CN104360357A - 基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星通信领域，公开了一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法及系统，该方法包括步骤：接收北斗卫星信号，对所述卫星信号进行处理得到中频数字信号；根据所述中频数字信号得到基带信号，进一步处理得到所述基带信号的复信号；对所述复信号和本地伪码发生器输出的信号做数值处理，并对结果进行门限判决，若有超过门限值的峰值出现，则根据所述峰值对应的位置确定伪码相位，将此时本地载波的频率值捕获为信号的载波频率；若没有超过门限值的峰值出现，则调整多普勒频移搜索范围，循环捕获。本发明的技术方案有效减少了卫星信号捕获过程中的运算量，降低了系统复杂度，捕获速度快、捕获时间少、精度较高、易于实现。

Description

基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法及系统

技术领域

本发明涉及一种卫星信号的捕捉方法，尤其涉及一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法及系统。

背景技术

北斗卫星导航定位系统(BeiDou Navigation SatelliteSystem-"BDS"))是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。美国GPS系统目前得到了广泛的应用，中国北斗卫星导航系统现已投入运行。北斗接收机的主要任务是接收北斗卫星发射的信号，并进行处理，以获取导航电文和观测量。想要完成这些任务，首先需要进行的是卫星信号的捕获。导航卫星信号捕获是对接收信号载波频率和伪码相位的一个搜索过程，当本地参考序列与卫星信号打到近似同步并且频率也近似相等时，会产生相关峰值，据此可判断是否完成了卫星信号的捕获。

目前，常用的卫星信号捕获方法主要有串行捕获、并行捕获、FFT频域捕获和匹配滤波器捕获。

串行捕获是在捕获过程中，每次只滑动一个扩频码元相位进行相关运算，直到得到设定的相关值，捕获成功转而进入码跟踪，此方法硬件实现简单，在扩频通信系统中得到了广泛的应用，但是捕获速度较慢，捕捉时间长，实时性差。

并行捕获则对每种相位均设置了相关器，同时做相关运算，将与设定的相关值相同的相位作为捕获成功的相位，和串行捕获相比，并行捕获的捕获时间有很大的改善，但对硬件资源要求较多，实现起来比较复杂。

FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)频域捕获是将输入信号与本地重现的伪随机码对位相乘，对相乘得到的结果进行FFT，根据预先设定的合适门限即可判断当前的捕获情况，当FFT结果中最高的频率分量超过了预定门限的时候，说明当前完成了捕获，其频率值就是当前的载波频率，当前时刻的本地码相位及微信号的初始码相位，否则，调整本地码相位，重复以上步骤，这种方法精度较高，但此种方法需要大量的运算，运算时间较长。

匹配滤波器捕获是利用匹配滤波的原理对整个扩频码元进行匹配相关以实现伪码的捕获，捕获时间短且易于实现，但捕获的精确度略低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法，以解决原有的北斗卫星信号捕捉方法中存在的捕获速度较慢，或捕获精度不高，或实现复杂难度较高的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，提供一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法，该方法包含如下步骤：

S1采用北斗天线接收北斗卫星信号，利用前端射频单元对接收到的卫星信号进行降频和AD转换，得到中频数字信号，其频率理论值为f_s；

S2本地载波发生器产生N路不同频率的本地载波，其多普勒频移搜索范围为f_s±f_d，频率捕获步长为Δf,N＝2f_d/Δf；

S3将步骤S1得到的所述中频数字信号依次和S2步骤中所述本地载波发生器输出的不同频率载波的同相和正交分量相乘，通过低通滤波器滤除其高频分量，得到各支路基带的复信号；

S4对时长为t_i的步骤S3所述各支路的复信号做FFT，采样率为f_i；

S5对时长为t_i的本地伪码发生器输出的伪码信号做FFT，采样率与步骤S4所述采样率相同，并取共轭；

S6将步骤S4中各支路与步骤S5的结果相乘，对乘积做IFFT，并对得到的结果取平方；

S7选择步骤S6中各支路结果最大值，记录对应的所述本地载波频率f_k；

S8对步骤S7的值进行门限判决，若有超过门限值的峰值出现，则信号捕获完成，所述峰值对应的位置为伪码相位，而此时所述本地载波的频率值为信号的载波频率；若没有超过门限的峰值出现，则调整所述多普勒频移搜索范围为f_k±f_d，并重复步骤S1到步骤S8。

优选地，步骤S3还包括步骤：

采用平均分组法对所述中频数字信号作预处理，使采样点个数尽可能接近2的整数幂，并将不足的数位用0补齐。

另一方面，本发明还同时提供一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获系统，所述系统包括：

接收模块，用于接收北斗卫星信号，对所述卫星信号进行处理得到中频数字信号；

基带模块，用于根据所述中频数字信号处理得到所述基带的复信号；

捕获模块，用于对所述复信号和本地伪码发生器输出的信号做数值处理，并对结果进行门限判决，若有超过门限值的峰值出现，则根据所述峰值对应的位置确定伪码相位，将此时本地载波的频率值捕获为信号的载波频率；若没有超过门限值的峰值出现，则调整多普勒频移搜索范围，循环捕获。

优选地，所述接收模块进一步包括：

北斗天线，用于接收所述北斗卫星信号；

前端射频单元，用于对接收到的所述卫星信号进行降频；

模数转换器，用于对降频后信号进行AD转换，得到所述中频数字信号。

优选地，所述基带模块进一步包括：

数字下变频单元，用于将所述中频数字信号进行数字下变频得到所述基带信号；

本地载波发生器，用于输出包括同相、正交分量的本地载波信号；

混频器，用于将所述中频数字信号和所述本地载波信号的同相、正交分量依次进行相乘；

低通滤波器，用于分别滤除所述混频器输出信号的高频分量，得到所述基带信号的复信号。

优选地，所述捕获模块进一步包括：

第一FFT单元，用于对所述基带的复信号进行一次FFT；

本地伪码发生器，用于输出C/A码信号；

第二FFT单元，用于对所述C/A码信号进行一次FFT；

共轭单元，用于对所述第二FFT单元的输出信号取其共轭得到共轭信号；

IFFT单元，用于对所述第一FFT单元及所述共轭单元的输出信号进行快速傅立叶逆变换得到时域相关函数；

运算单元，用于对所述时域相关函数取模然后平方；

门限判决模块，用于对所述运算单元的结果进行所述门限判决。

优选地，所述系统还包括：

预处理模块，用于采用平均分组法对所述中频数字信号作预处理，使采样点个数尽可能接近2的整数幂。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法的流程示意图；

图2是本发明的一个优选实施例中系统实现的原理框图；

图3是本发明的一个优选实施例中快速捕获方法的详细流程示意图。

具体实施方式

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明所公开的一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法，包含如下步骤：

基于循环相关的快速捕获步骤如下：

S1采用北斗天线接收北斗卫星信号，并采用前端射频单元对接收到的卫星信号降频、AD转换，得到中频数字信号，其频率理论值为f_s；

S2本地载波发生器产生N路不通频率的本地载波，其多普勒频移搜索范围为f_s±f_d，频率捕获步长为Δf,N＝2f_d/Δf；

S3将S1步骤所得的中频数字信号依次和本地载波发生器输出的不同频率载波的同相和正交分量相乘，并通过低通滤波器滤除其高频分量，得到各支路基带的复信号；

S4对时长为t_i的S3所述各支路的复信号做FFT，采样率为f_i；

S5对时长为t_i的本地伪码发生器输出的伪码信号做FFT，采样率同上，并取共轭；

S6将S4中每个支路和S5的结果相乘，并将乘积做IFFT，然后取平方；

S7取各支路结果最大值，并记录对应的本地载波频率f_k；

S8对S7的最大值进行门限判决，如果有足够强的峰值出现，超过门限值，则说明完成了信号捕获。尖峰对应的位置就是伪码相位，而此时本地载波的频率值就是信号的载波频率；如果当前没有超过门限的尖峰值出现，则调整多普勒频移搜索范围为f_k±f_d，并重复S1～S8。

进一步参见图2、3，在本发明的优选实施例中：

首先采用北斗天线(如微带天线)接收某颗北斗卫星信号，然后采用北斗接收机前端射频单元对接收到的卫星信号降频、AD转换，得到中频数字信号，即输入电文信号x(n)，已知中频数字信号频率理论值为f_s，这里采用的多普勒频移搜索范围为±20KHz，频率捕获步长为2KHz，则需要本地载波发生器产生20路不通频率的本地载波，即频率分别为f_s-20KHz、f_s-18KHz、f_s-16KHz、…、f_s+20KHz的载波；

将中频数字信号分别和本地载波发生器每一个支路输出的同相和正交分量相乘，并通过低通滤波器滤除其高频分量，得到各支路基带的复信号y_i(n)＝I_i(n)+jQ_i(n)(i＝1,2,…,20)；

然后，对各支路时长T的复信号y_i(n)进行FFT，采样率为f_i，得到各支路频域表达式Y_i(m)，其中n＝m＝0，1，2，…，q(q＝[t_i/f_i])；

然后，对本地码发生器产生的本地信号h(n)按照同样的采样率进行采样，进行FFT变换到频域得到H(m)；

然后，取H(m)复共轭得到H*(m)，并存储在寄存器中；

然后，将X(m)与存储器中的H*(m)进行逐点相乘并求和，根据共轭特性，即可求得两者的频域相关函数Z(k)＝H^*(k)Y(k)＝H(k)Y^*(k)，即：Z(k)＝[FFT(y(n))·FFT*(h(n))]，可转换为时域相关函数如下： $z\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}y\left(m\right)h(n+m)=\mathrm{IFFT}[\mathrm{FFT}\left(y\left(n\right)\right)\·\mathrm{FFT}*\left(h\left(n\right)\right)],$ 取其平方z²(n)，则一共可求得20个z²(n)。

最后，找到z²(n)的最大值，记录对应的本地载波频率f_k，并将最大值与预先设置的门限值进行比较，若大于预置的门限值，那么它就是所求的期望值，说明捕获了卫星信号，若小于则调整多普勒频移搜索范围为f_k±20KHz，并重复步骤1～8。

本发明的一种基于循环相关的快速捕获方法在载波频率上采用了与现有捕获方式相同的直接搜索方式，但在码相位上，只需经过二次FFT与一次IFFT运算，便可以求出C/A码一个周期内所有采用采样点对应的相关值，而不需要像串行搜索捕获法中将C/A码相位一次一次地挪动，再求相关值。假设用一个C/A码周期即1ms的数据来捕获，捕获所用的采样点数为N，当采用传统的串行搜索捕获算法时，每计算一次相关结果就需要进行N次相乘和N-1次相加，考虑到每一个伪码相位即需要计算一次相关值，于是要计算所有的N个码相位，总共需要N²个乘加；采用基于循环相关的快速捕获方法时，其流程中进行的IFFT结果就给出了全部N个伪码相位对应的相关结果，所以需要的全部运算量大概就是3个FFT的计算量，即3N log₂N个乘加，在实际处理中，本地伪码的FFT值可以提前算好并存储于接收机的存储器中，从而可以减少一个FFT的运算量，进一步减少捕获时间。基于循环相关的捕获方法，节省了运算量从而节省了捕获时间。在实际运用该方法的时候，对N个采样点进行FFT变换，由于FFT蝶形运算的递归特性，在N是2的整数幂时能达到算法的最高效率。因此，本发明可在采取此方法捕获之前，采用平均分组法对输入信号作预处理，使之达到最快速捕获。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，本领域相关技术人员应能理解，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获系统，与上述方法步骤一一对应地，该系统包括：

接收模块，用于接收北斗卫星信号，对所述卫星信号进行处理得到中频数字信号；

基带模块，用于根据所述中频数字信号得到基带信号，进一步处理得到所述基带信号的复信号；

捕获模块，用于对所述复信号和本地伪码发生器输出的信号做数值处理，并对结果进行门限判决，若有超过门限值的峰值出现，则根据所述峰值对应的位置确定伪码相位，将此时本地载波的频率值捕获为信号的载波频率；若没有超过门限值的峰值出现，则调整多普勒频移搜索范围，循环捕获。

进一步参见图2，在本发明的优选实施例中，所述接收模块优选为北斗接收机，可进一步包括：

北斗天线，用于接收所述北斗卫星信号；

前端射频单元，用于对接收到的所述卫星信号降频、AD转换，；

模数转换器，用于对降频、AD转换和下变频处理，后信号进行模数转换，得到所述中频数字信号。

所述基带模块进一步包括：

数字下变频单元，用于将所述中频数字信号进行数字下变频得到所述基带信号；

本地载波发生器(优选采用数控振荡器NCO，numerically controlledoscillator)，用于输出包括同相、正交分量的本地载波信号；

混频器，用于将所述中频数字信号和所述本地载波信号的同相、正交分量依次进行相乘；

低通滤波器，用于分别滤除所述混频器输出信号的高频分量，得到所述基带信号的复信号。

所述捕获模块进一步包括：

第一FFT单元，用于对所述基带信号的复信号进行一次FFT；

本地伪码发生器，用于输出C/A码信号；

第二FFT单元，用于对所述C/A码信号进行一次FFT；

共轭单元，用于对所述第二FFT单元的输出信号取其共轭得到共轭信号；

IFFT单元，用于对所述第一FFT单元及所述共轭单元的输出信号进行快速傅立叶逆变换得到时域相关函数；

运算单元，用于对所述时域相关函数取模然后平方；

门限判决模块，用于对所述运算单元的结果进行所述门限判决。

各模块中相关组件的具体连接方式详见图2，本发明的技术方案只需经过二次FFT与一次IFFT运算，便可以求出C/A码一个周期内所有采用采样点对应的相关值，有效降低了卫星信号捕获过程中的运算量，捕获速度快、捕获时间少、精度较高、易于实现。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1采用北斗天线接收北斗卫星信号，利用前端射频单元对接收到的卫星信号进行降频和AD转换，得到中频数字信号，其频率理论值为f_s；

S2本地载波发生器产生N路不同频率的本地载波，其多普勒频移搜索范围为f_s±f_d，频率捕获步长为Δf,N＝2f_d/Δf；

S3将步骤S1得到的所述中频数字信号依次和S2步骤中所述本地载波发生器输出的不同频率载波的同相和正交分量相乘，通过低通滤波器滤除其高频分量，得到各支路基带的复信号；

S4对时长为t_i的步骤S3所述各支路的复信号做FFT，采样率为f_i；

S5对时长为t_i的本地伪码发生器输出的伪码信号做FFT，采样率与步骤S4所述采样率相同，并取共轭；

S6将步骤S4中各支路与步骤S5的结果相乘，对乘积做IFFT，并对得到的结果取平方；

S7选择步骤S6中各支路结果最大值，记录对应的所述本地载波频率f_k；

S8对步骤S7的值进行门限判决，若有超过门限值的峰值出现，则信号捕获完成，所述峰值对应的位置为伪码相位，而此时所述本地载波的频率值为信号的载波频率；若没有超过门限的峰值出现，则调整所述多普勒频移搜索范围为f_k±f_d，并重复步骤S1到步骤S8。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3还包括步骤：

采用平均分组法对所述中频数字信号作预处理，使采样点个数尽可能接近2的整数幂，并将不足的数位用0补齐。

3.一种基于循环方式的北斗卫星信号快速捕获系统，其特征在于，所述系统包括：

接收模块，用于接收北斗卫星信号，对所述卫星信号进行处理得到中频数字信号；

基带模块，用于根据所述中频数字信号处理得到所述基带的复信号；

捕获模块，用于对所述复信号和本地伪码发生器输出的信号做数值处理，并对结果进行门限判决，若有超过门限值的峰值出现，则根据所述峰值对应的位置确定伪码相位，将此时本地载波的频率值捕获为信号的载波频率；若没有超过门限值的峰值出现，则调整多普勒频移搜索范围，循环捕获。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述接收模块进一步包括：

北斗天线，用于接收所述北斗卫星信号；

前端射频单元，用于对接收到的所述卫星信号进行降频；

模数转换器，用于对降频后信号进行AD转换，得到所述中频数字信号。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述基带模块进一步包括：

数字下变频单元，用于将所述中频数字信号进行数字下变频得到所述基带信号；

本地载波发生器，用于输出包括同相、正交分量的本地载波信号；

混频器，用于将所述中频数字信号和所述本地载波信号的同相、正交分量依次进行相乘；

低通滤波器，用于分别滤除所述混频器输出信号的高频分量，得到所述基带信号的复信号。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述捕获模块进一步包括：

第一FFT单元，用于对所述基带的复信号进行一次FFT；

本地伪码发生器，用于输出C/A码信号；

第二FFT单元，用于对所述C/A码信号进行一次FFT；

共轭单元，用于对所述第二FFT单元的输出信号取其共轭得到共轭信号；

IFFT单元，用于对所述第一FFT单元及所述共轭单元的输出信号进行快速傅立叶逆变换得到时域相关函数；

运算单元，用于对所述时域相关函数取模然后平方；

门限判决模块，用于对所述运算单元的结果进行所述门限判决。

7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

预处理模块，用于采用平均分组法对所述中频数字信号作预处理，使采样点个数尽可能接近2的整数幂。