CN104536020A - 一种gnss信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种GNSS信号捕获方法，所述方法包括，基带信号剥离步骤，从所述GNSS信号剥离出基带信号；数据缓存步骤，将所述基带信号降采样后顺序缓存到码片和存储空间；数据读取步骤，从所述码片和存储空间中读取码片和数据用于积分累加；所述数据读取步骤还包括，当多普勒频偏为正时，根据所述多普勒频偏确定所述码相位，依据所述码相位读取相应的码片和数据用于积分累加；当所述多普勒频偏为负时，根据所述多普勒频率确定所述码片和存储空间的起始读取位置，依据所述起始读取位置读取相应的码片和数据用于积分累加。GNSS信号包括GPS、GLONASS、Galileo、Compass（中国北斗导航卫星系统）等。

Description

一种GNSS信号捕获方法

技术领域

本发明涉及GNSS全球卫星导航系统接收机的信号捕获方法。

背景技术

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）是一个全球范围内所有导航卫星系统的总称，它包括GPS（Global Positioning System，美国全球定位系统）、GLONASS（俄罗斯格洛纳斯导航卫星系统）、Galileo（欧洲伽利略导航卫星系统）、Compass（中国北斗导航卫星系统）等等，以上所有的导航卫星系统，均旨在全天候的为用户提供卫星导航定位服务。但是，当用户使用环境较为复杂，如城市峡谷、隧道、高架桥等环境，从GNSS卫星导航系统接收到的GNSS卫星信号存在信号弱、高动态、干扰强等特点。此时，需要高灵敏度GNSS捕获技术。

高灵敏度捕获技术中的信噪比提升技术是最重要部分之一。而国内外此技术主要是以提高信号（相干或非相干）积累时间来实现的。从原理上说，相干积累时间越长捕获灵敏度越高，但相干积累时间受到比特翻转影响，非相干时间会受到码多普勒的影响，同时还受到芯片计算能力和面积的制约。

发明内容

本发明的目的是提供一种GNSS信号捕获方法，可以提高GNSS信号捕获的灵敏度，避免了传统的时域串行相关捕获方法进行高灵敏度捕获时存在的芯片面积较大，计算时间较慢的问题。

本发明提供一种GNSS信号捕获方法，所述方法包括，基带信号剥离步骤，从所述GNSS信号剥离出基带信号；数据缓存步骤，将所述基带信号降采样后顺序缓存到码片和存储空间；数据读取步骤，从所述码片和存储空间中读取码片和数据用于积分累加；所述数据读取步骤还包括，当多普勒频偏为正时，根据所述多普勒频偏确定所述码相位，依据所述码相位读取相应的码片和数据用于积分累加；当所述多普勒频偏为负时，根据所述多普勒频率确定所述码片和存储空间的起始读取位置，依据所述起始读取位置读取相应的码片和数据用于积分累加。

更进一步，当多普勒频偏为正时，根据所述多普勒频偏确定所述码相位的计算方法为                                                ，其中，为取整函数，为多普勒频率，为每码片对应有载波周期数，是数据码频率，为码片和存储空间读取缓存数据的循环次数，为码片和划分系数。

更进一步，当所述多普勒频偏为负时，根据所述多普勒频率确定所述码片和存储空间的起始读取位置的计算方法为，其中，为取整函数，为多普勒频率，为每码片对应有载波周期数，是数据码频率，为码片和存储空间读取缓存数据的循环次数，为个码片对应的码片和存储空间中的数据采样点数。

更进一步，当多普勒为正数时，所述码片和存储空间中第一个码片和前面的码相位值填零。

更进一步，对于GPS系统， =1540,=50；对于北斗系统， =763，MEO卫星对应的=50，GEO卫星对应的=2。

更进一步，所述GNSS为北斗卫星导航系统。

本发明还提供一种GNSS信号捕获方法，所述方法包括，步骤A，剥离中频数据载波，获得I、Q两路信号；步骤B，M点求和处理；步骤C，数据截位和限幅处理，将所述处理后的数据存入IF Buffer；步骤D，对所述IF Buffer中的数据进行多普勒补偿处理后，按个码片时间积分并截位限幅；步骤E，将所述步骤D得到数据与本地C/A码进行相关运算后，进行相干积分，将所述相干积分得到结果平方后进行非相干积分；步骤F，将所述非相干积分结果存入非相干Buffer中，进行峰值搜索；其特征在于，对所述IF Buffer读取时，根据多普勒频偏确定所述IF Buffer中的数据的读取位置用于所述步骤E的相干积分累加。

本发明还提供一种应用上述GNSS信号捕获方法的芯片。

采用上面的GNSS信号捕获方法后，该捕获方法利用新的中频缓存数据读取方法，提高数据利用效率，减少码多普勒对非相干时间的影响，增加了长时间的积分的时间上限，从算法上提高了捕获灵敏度。允许长时间的积分，从算法上保证了高灵敏度捕获。同时，配置数据限幅和截位方法，降低芯片的占用资源。

附图说明

图1为本发明的捕获算法/方案总体框图；

图2为数据截位和限幅单元的功能示意图；

图3为相干积分单元的工作过程示意图；

图4为多普勒为较大的正数时对中频数据读取的影响示意图；

图5为多普勒为较大的负数时对中频数据读取的影响示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明的捕获算法/方案总体框图。首先对中频数据进行载波剥离，得到了I、Q两路信号，然后进行M点求和处理，使得数据的采样率降低，降低存储数据所需的硬件资源。接着，为了进一步降低硬件资源，对数据进行截位和限幅处理。此时，得到的数据存入IF Buffer。然后，在Buffer控制模块的操作下，对IF Buffer中的数据进行读取。接着，进行多普勒补偿处理，得到的剥离多普勒频率后的数据。将此数据进行每码片时间的积分并截位限幅。随后，将得到数据信息与本地C/A码进行相关运算，得到的数据相干积分并在平方后进行非相干积分。将非相干积分结果存入非相干Buffer中，最后进行峰值搜索。完成捕获过程。为码片和划分系数，每个码片时间对应的数据进行积分累加，得到的每个数据，即码片和，就对应不同的顺序的码相位，相邻码相位的间隔为。捕获的目的之一就是找出信号中的码相位值。越小，找出的码相位就越精细，码相位分辨率就越高，其取值范围为：（0，最大码相位值），典型值为0.5 、1 等。

例如：

GPS系统中，1ms（1整周期）的CA码对应为1023个码片，

当取=0.5时，经过积分后1ms由2046个0.5chip码片和表示，对应的顺序的2046个码相位为：0chip、0.5chip、1chip、1.5chip……2044.5chip、2045chip。此时，码相位的分辨率就是0.5chip。

当取=1时，经过积分后1ms由1023个1chip码片和表示，对应的顺序的1023个码相位为：0chip、1chip、2chip、3chip……1021chip、1022chip。此时，码相位的分辨率就是1chip。

下面对总体框图组成部分进行详细说明。

1——载波剥离单元

中频信号先进行载波剥离，变换到零中频。

2——M点求和单元

M点求和单元用于降低采样频率，以便IF Buffer模块保存中频数据。M为求和点数，可以根据需要调整，一般情况下，只要满足采样定理即可。

301、302、303——数据截位和限幅单元

图2为数据截位和限幅单元的功能示意图。数据截位和限幅单元累加获得数据的均值幅度，然后根据幅度信息，进行高位限幅和低位截取操作。目的是降低数据存储所需的资源。其中，对于BDS，由于其带宽为GPS的一倍，保存数据点数也为GPS的一倍。

4——IF Buffer

IF Buffer用于保存降低了采样频率的中频数据，以实现快速捕获，其大小满足20ms I、Q两路中频数据的存储即可。为便于操作， IF Buffer可分为两块级联，一块存数据时，另一块读数据，各保存总的中频数据的一半。

5——多谱勒补偿单元

多谱勒补偿单元用于码片的多普勒频偏补偿。

6——码片和单元

求码片和，将每1ms的码片和送入相干累加器缓存。

7——相干积分单元

图3为相干积分单元的工作过程示意图。对应一周期的本地码的码相位个数。相干积分单元带有保存所有码相位的缓存器。将前1ms的数据放入相干缓存器，与后1ms数相加并存入相干缓冲器，然后继续下1ms数据的累加，如此循环。

8——模平方单元

对I/Q两路数据进行模平方处理，输出为。

9——CA gen

CA gen为本地码发生器，生成码片速率为倍码速率。

10—— Buffer 控制单元

       Buffer 控制单元用于对IF Buffer 进行新方法读写操作的控制模块。

硬件在对不同多普勒频率的同一段数据进行读取时的速度会造成不同的影响，当多普勒为较大的正数时，码速变快，码宽变窄，20个GPS的CA码周期读不完本次保存的20ms数据，导致最后的数据被丢失，下一个20ms缓存中，开始的第一个码片和可能不是对应第一个码相位了。当多普勒为较大的负数时，码速变慢，码宽变宽，本次保存的20ms中频数据不够20个GPS的CA码周期，导致无法计算最后的码相位。两种情况如图4和图5所示，为了说明问题，夸大了20ms期间的码片位置变化，但当累加达到几十次时，这种码片位置的变化会使得非相干累加完全失效。

图4为多普勒为较大的正数时对中频数据读取的影响示意图。用本发明的读取方式，对每个频点读取IF Buffer中的数据，多谱勒为正时保存第一个码片和的码相位。一般是软件计算相应的码相位，硬件上自动保存，当为正多普勒频率时，是从起始位置开始读的。硬件上每次读取都是连续的读，所以都是从一开始读到最后。如图4所示，假设在第一次缓存时，Buffer的起始处对应的为第1个码片和的数据。第二次缓存时，由于正的多普勒影响，从Buffer起始处读取的数据是第4个码片和，而第1、2、3个码片和的数据则在本次缓存的最后部分读取，即，本次缓存读取的顺序是：第4个码片和、第5个码片和、第6个码片和……第20460个码片和，第1个码片和，第2个码片和，第3个码片和。所以，在该情况下，为了使每次缓存读取的码片和对齐累积，需要根据多普勒值结合不同的系统计算并保存该码相位位置。计算式为：

其中，为趋近0的取整函数，也可以用其他方法，如向上取整，向下取整等。为多普勒频率，为每码片对应有载波周期数。是数据码频率，为IF Buffer读取缓存数据的循环次数，这样计算出来的结果为半码相位。对于不同的系统和设计，和取不同的值。例如，对于GPS系统， =1540； =50；对于北斗系统， =763；MEO卫星对应的=50；GEO卫星对应的=2。

图5为多普勒为较大的负数时对中频数据读取的影响示意图。用本发明的读取方式，对每个频点读取IF Buffer中的数据，多普勒为负时保存从Buffer中读取的位置。如图5所示，假设在第一次缓存时，第1个码片和的数据对应的位置在Buffer的起始处。第二次缓存时，由于负的多普勒影响，第1个码片和的数据对应的位置在Buffer的处。所以第二次缓存读取时，需要计算并保存从Buffer中读取的位置，使得从一开始便读取到第1个码片和的数据。其一般计算式为：

其中，为趋近0的取整函数，也可以用其他方法，如向上取整，向下取整等。为多普勒频率，为每码片对应有载波周期数。是数据码频率。为IF Buffer读取缓存数据的循环次数，为码片对应的IF Buffer中的数据采样点数。

对于不同的系统和设计，和取不同的值。例如，对于GPS系统， =1540；=50；对于北斗系统，=763；MEO卫星对应的=50；GEO卫星对应的=2。

另外，当多普勒为正数时，随着非相干累加次数的增加，IF Buffer中第一个码片和的码相位是逐渐向后移动的，前面的码相位值填零即可。以GPS系统为例，以多普勒为5000Hz计算，累加总时间达到1秒时，前面应填零的码相位个数约为 5000/1540 = 3.25。实际采用码片相位时，前面应有个半码片相位应填零，前面个码相位值全为零，假设实际采用的是半码片，即取=0.5，那么前面6个码相位值全置为0，对后续相关、积分影响非常小。

11——非相干累加单元

非相干累加单元将模平方输出的数据进行限幅、截位后再进行非相干累加，考虑支持非相干叠加次数最大为次，实际工作过程中，可以对非相干Buffer中的数据进行比例收缩，以便及时调整数据宽度以节省硬件资源。其中，收缩值可以由累加读取的非相干缓存时计算。

12——非相干Buffer

非相干Buffer保存非相干累积数据。

13——峰值搜索单元

峰值搜索单元采用串行比较搜索，边搜索边累加，搜索完毕用最大值除以累加值取平均，输出峰平比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种GNSS信号捕获方法，所述方法包括，基带信号剥离步骤，从所述GNSS信号剥离出基带信号；数据缓存步骤，将所述基带信号降采样后顺序缓存到码片和存储空间；数据读取步骤，从所述码片和存储空间中读取码片和数据用于积分累加；其特征在于，所述数据读取步骤还包括，当多普勒频偏为正时，根据所述多普勒频偏确定所述码相位，依据所述码相位读取相应的码片和数据用于积分累加；当所述多普勒频偏为负时，根据所述多普勒频率确定所述码片和存储空间的起始读取位置，依据所述起始读取位置读取相应的码片和数据用于积分累加。

2.如权利要求1所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，当多普勒频偏为正时，根据所述多普勒频偏确定所述码相位的计算方法为                                                ，其中，为取整函数，为多普勒频率，为每码片对应有载波周期数，是数据码频率，为码片和存储空间读取缓存数据的循环次数，为码片和划分系数。

3.如权利要求1所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，当所述多普勒频偏为负时，根据所述多普勒频率确定所述码片和存储空间的起始读取位置的计算方法为，其中，为取整函数，为多普勒频率，为每码片对应有载波周期数，是数据码频率，为码片和存储空间读取缓存数据的循环次数，为个码片对应的码片和存储空间中的数据采样点数。

4.如权利要求2或3中任意一项所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，当多普勒为正数时，所述码片和存储空间中第一个码片和前面的码相位值填零。

5.如权利要求4所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，对于GPS系统， =1540,=50；对于北斗系统， =763，MEO卫星对应的=50，GEO卫星对应的=2。

6.如权利要求5所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，所述GNSS为北斗卫星导航系统。

7.一种GNSS信号捕获方法，所述方法包括，步骤A，剥离中频数据载波，获得I、Q两路信号；步骤B，M点求和处理；步骤C，数据截位和限幅处理，将所述处理后的数据存入IF Buffer；步骤D，对所述IF Buffer中的数据进行多普勒补偿处理后，按个码片时间积分并截位限幅；步骤E，将所述步骤D得到数据与本地C/A码进行相关运算后，进行相干积分，将所述相干积分得到结果平方后进行非相干积分；步骤F，将所述非相干积分结果存入非相干Buffer中，进行峰值搜索；其特征在于，对所述IF Buffer读取时，根据多普勒频偏确定所述IF Buffer中的数据的读取位置用于所述步骤E的相干积分累加。

8.一种应用如权利要求1至6任意一项所述的GNSS信号捕获方法的芯片。

9.一种应用如权利要求7所述的GNSS信号捕获方法的芯片。