CN104793221A - 卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，其中包括：卫星信号接收机判断是否存在卫星信号失锁的情况，如果是，则卫星信号接收机保存卫星信号失锁前的相关先验信息，并进入快速捕获状态；卫星信号接收机根据保存的相关先验信息设定相应的预测载波频率搜索中心值、预测码相位中心值和搜索区间阈值；卫星信号接收机通过唐检测重新捕获失锁的卫星信号。采用本发明的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，解决目前卫星信号失锁后重新捕获卫星信号时间过长的问题，该方法不受设备硬件限制，可应用到所有导航接收机产品中，能快速可靠的做出失锁判决和重新捕获定位，显著提升了接收机信号捕获效率，具有广泛的工程应用价值。

Description

卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及卫星导航捕获技术领域，具体是指一种卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法。

背景技术

卫星导航接收机在初始捕获卫星信号时，需要确定可见卫星号，卫星的载波频率与PN码的码相位。因此需要搜索所有的伪码相位不确定范围与多普勒频率不确定范围，一般来说，码相位搜索以1/2码片步长为单位，载波多普勒频率的搜索以2/(3T)的带宽为基本步长，T为相干累积时间，因此传统捕获方法耗时，捕获、跟踪、电文同步、定位解算整个过程的时间长，一般几十秒以上。卫星导航接收机实际使用过程中，经常经历复杂环境，例如接收机由于经过桥洞、隧道、市区高楼环境时，导致接收机正常跟踪定位的导航信号缺失，进而信号在几秒到几十秒内又迅速出现。如果接收机不利用失锁前的先验信息，直接采用传统方法重新捕获该卫星，从失锁的卫星导航信号重现，到捕获成功后进行导航定位解算，必然耗费几十秒以上的时间，这对于要求失锁后快速重新定位的场合，必然使得花费的时间过长导致没有实用性，因此缩短失锁后信号重捕时间意义重大。接收机失锁前后有大量先验信息可以利用，先验信息例如失锁前后接收机的载波多普勒频率变化不大，失锁前的卫星仍在视线之内，进而加快失锁后重新捕获该卫星的过程。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种通过信号功率与噪声基底的大小关系来判断正常跟踪的卫星信号是否处于失锁状态，以及根据保存的失锁前的先验信息重新捕获该卫星信号，缩短捕获时间，提高捕获效率的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法。

为了实现上述目的，本发明的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法具有如下构成：

该卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的卫星信号接收机判断是否存在卫星信号失锁的情况，如果是，则继续步骤(2)，否则继续步骤(1)；

(2)所述的卫星信号接收机保存卫星信号失锁前的相关先验信息；

(3)所述的卫星信号接收机进入快速捕获状态；

(4)所述的卫星信号接收机根据保存的相关先验信息设定相应的预测载波频率搜索中心值、预测码相位中心值和搜索区间；

(5)所述的卫星信号接收机通过唐检测重新捕获失锁的卫星信号。

进一步地，所述的卫星信号接收机判断是否存在卫星信号失锁的情况，具体为：

(1.1)所述的卫星信号接收机检测得到卫星信号的信号功率与噪声基底；

(1.2)所述的卫星信号接收机比较得到所述的信号功率连续小于所述的噪声基底的次数；

(1.3)所述的卫星信号接收机判断所述的次数是否大于其自身预设的门限值，如果是，则继续步骤(1.4)，否则继续步骤(1)；

(1.4)所述的卫星信号接收机判定存在卫星信号失锁的情况。

其中，所述的相关先验信息包括载波多普勒频率值、码相位值、失锁卫星号和通道号，所述的预测载波频率搜索中心值为所述的载波多普勒频率值，所述的预测码相位中心值为所述的码相位值，搜索区间为左右滑动一个码片的范围。

进一步地，所述的步骤(5)之后，还包括以下步骤：

(6)所述的卫星信号接收机判断快速捕获时间是否超过预设值，如果是，则退出快速捕获状态，否则继续步骤(5)。

较佳地，所述的卫星信号接收机通过唐检测重新捕获失锁的卫星信号，包括以下步骤：

(5.1)将唐检测器初始化并将所述的唐检测器的上下行计数器K设置初值为b和上下行门限为A；

(5.2)设置所述的唐检测器的判决门限为Thr；

(5.3)将检测统计量Sta与所述的判决门限Thr比较，如果Sta>Thr，则继续步骤(5.4)，否则继续步骤(5.5)；

(5.4)将所述的上下行计数器的K值加1，然后继续步骤(5.6)；

(5.5)将所述的上下行计数器的K值减1，然后继续步骤(5.6)；

(5.6)判断所述的上下行计数器的K值与上下行门限A值的大小，如果K>A，则继续步骤(5.7)，否则继续步骤(5.3)；

(5.7)判定检测信号存在。

采用了本发明的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，通过信号功率与噪声基底的大小关系来判断正常跟踪的卫星信号是否处于失锁状态，如果处于失锁状态，则根据保存的失锁前的先验信息重新捕获该卫星信号。基于信号功率与噪声基底大小关系的卫星信号失锁判决方法快速可靠，同时，由于利用了失锁前跟踪环路的先验信息，卫星信号失锁后，信号重新出现直至捕获到该卫星信号的速度加快，解决目前卫星信号失锁后，重新捕获卫星信号时间过长的问题，不受设备硬件限制，可应用到所有导航接收机产品中，在导航接收机经历短暂遮挡环境导致卫星信号失锁时，不仅能快速的做出判决，可靠地检测出失锁卫星，而且在失锁卫星信号重新出现时，能快速的捕获到该卫星，并能重新定位，从失锁卫星信号重新出现到捕获到该卫星的时间可以达到1秒以下，大大提升捕获效率，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法流程图；

图2为本发明的伪码和载波跟踪环路结构示意图；

图3为本发明的优选实施例的失锁信号检测与卫星重捕流程图。

图4为本发明的卫星信号接收机通过唐检测重新捕获失锁的卫星信号的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

在一种实施方式中，如图2所示，为本发明的伪码和载波跟踪环路，导航接收机一般包括若干个通道，每个通道跟踪一颗卫星；本发明具体实施例中，假设导航接收机存在12个通道，则一次跟踪过程中可同时搜索12颗卫星信号，每个导航接收机通道包含载波多普勒频率和码相位搜索，通道包括载波环和码环，码环用于跟踪码相位，载波环用于跟踪载波相位。图2中码环包括码发生器、码NCO、码环滤波器和码环鉴别器；载波环包括复现载波单元(正余弦发生器)、载波NCO、载波滤波器和载波鉴别器，正常跟踪卫星信号的情况下，不断检测信号功率与噪声基底的大小关系。

其中，信号功率是跟踪环即时码信号功率经过α-β滤波器滤波后的值，其中I_ps是跟踪环I支路即时码经积分与累加后的值，Q_ps是跟踪环Q支路即时码经积分与累加后的值。噪声基底是捕获时利用相关值绝对值公式进行先求平方，消除跨符号积分制的影响，然后再求和，经过α-β滤波器滤波后的值。

如果信号功率连续小于噪声基底的次数达到预设的门限值M，则判定信号失锁，保存正常跟踪时的先验信息，包括卫星号、通道号、载波多普勒频率值与码相位值，转入到重捕状态，其中，预设的门限值M依据实际情况选定，此处预设门限值可取6。

其中，图2中各个电路结构的功能如下：

1：混频器：复现的载波与输入的导航中频信号(IF)进行混频，得到同相支路信号(I)和正交支路信号(Q)。

2：相关器：去载波后的导航信号与超前、即时、滞后复现码做相关运算。

3：平方运算单元：对积分与累加器输出的值做平方运算。

4：相加器：正交支路的滞后相关信号与同相支路的滞后相关信号做平方后进行相加。

5：相加器：正交支路的超前相关信号与同相支路的超前相关信号做平方后进行相加。

6：相加器：将超前支路与滞后支路上的非相干积分功率相减。

积分与累加器：对做相关运算后的信号进行1ms的积分与累加运算。

码环鉴别器：用于鉴别本地接收机产生的码相位与接收到的卫星导航信号码相位的差异，接收机稳定跟踪卫星信号后，接收机本地所产生的码相位和接收到的卫星导航信号的码相位基本一致。

码环滤波器：对码环鉴别器输出值进行滤波，降低噪声，以便在其输出端产生精确的相位误差估计。

码NCO：码环数字压控振荡器，依据码环滤波器的输出值，产生码频率字。

码发生器：根据输入的码频率字，产生超前、即时、滞后的本地码。

载波鉴别器：用于鉴别本地接收机产生的多普率频率估计值与接收到的卫星导航信号多普勒频率的差异，使得本地接收机所产生的多普率频率估计值与接收机接收到的卫星信号的多普勒频率一致。

载波环滤波器：对载波环鉴别器输出值进行滤波，降低噪声，以便在其输出端产生精确的频率误差估计。

码NCO：载波环数字压控振荡器，依据载波环滤波器的输入值，产生载波频率字。

复现载波模块：根据得到的载波频率字产生本地的载波。

I：代表同相支路.

Q：代表正交支路。

I_ES：超前支路做相关、积分与累加之后的输出值。

I_LS：滞后支路做相关、积分与累加之后的输出值。

I_PS：即时支路做相关、积分与累加之后的输出值。

失锁检测与卫星重捕的流程如图3所示。重捕状态是基于唐检测方法进行的，此时载波多普勒搜索中心频点为跟踪状态下保存的载波多普勒频率值，并保持不变，码相位搜索中心为跟踪状态保存的码相位值，并以此码相位值为中心，左右滑动一个码片值，共形成3个码相位搜索中心点，得到搜索区间。

唐检测之前，首先进行的是N ms非相干累积，非相干累积过程中，本地接收机码环产生的码片与接收机接收到的卫星信号进行累积，通过对卫星导航信号一个或多个码片周期进行N ms的非相干累积，能够进一步提高信号的信噪比，即提高信号的捕获灵敏度。

N值的大小根据实际情况确定，此处可取2ms，唐检测的码相位搜索步长为半个码片。每次进入唐检测后，依次在3个码相位中心点之一搜索3个半码片，3个码相位中心点经3次唐检测被搜索完毕，以上过程重复进行，以保证信号出现时能快速捕获到该卫星信号。

此外，还可以设定快速重捕的时间限定和遮挡时间等，例如重捕时间超过5秒，则设置该卫星号转入一般的捕获状态。

基于上述内容，在实际过程中，假设接收机处于正常跟踪卫星状态，当接收机移动到树木桥洞等遮挡环境下时，如果遮挡时间小于5秒，且接收机检测到某颗受遮挡卫星信号功率小于噪声基底的次数大于M次，则判断该卫星失锁。接收机保存失锁前卫星的载波多普勒频率值、码相位、失锁卫星号、通道号，并转入重捕获状态。

重捕获过程是基于唐检测进行的，预测载波频率搜索中心值为失锁前的载波多普勒值并保持不变，预测码相位中心值为失锁前的码相位值，左右滑动一个码片为搜索区间。在卫星导航接收机某颗卫星信号受遮挡时间小于5秒内又重新出现时，接收机可以快速重新捕获到该卫星信号。

如图4为本发明的唐检测进行的流程图。其步骤说明：

检测器的工作过程如下：上/下行计数器K初值为b，若本次单次检测结束(单次检测指完成一次相关处理、得到伪码相位估计值和多普勒频率估计值及对应的检验统计量)，检验统计量超过判决门限，计数器K值加1；反之，计数器K值减1。当K值达到上行门限A时，宣布信号存在，唐检测器停止工作；当K值减为0，宣布信号不存在，唐检测器停止工作。通过初值b和上行门限A的调整，可以在低信噪比条件下，以降低搜索速度换取更高的检测概率和更低的虚警概率。

采用了本发明的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，通过信号功率与噪声基底的大小关系来判断正常跟踪的卫星信号是否处于失锁状态，如果处于失锁状态，则根据保存的失锁前的先验信息重新捕获该卫星信号。基于信号功率与噪声基底大小关系的卫星信号失锁判决方法快速可靠，同时，由于利用了失锁前跟踪环路的先验信息，卫星信号失锁后，信号重新出现直至捕获到该卫星信号的速度加快，解决目前卫星信号失锁后，重新捕获卫星信号时间过长的问题，不受设备硬件限制，可应用到所有导航接收机产品中，在导航接收机经历短暂遮挡环境导致卫星信号失锁时，不仅能快速的做出判决，可靠地检测出失锁卫星，而且在失锁卫星信号重新出现时，能快速的捕获到该卫星，并能重新定位，从失锁卫星信号重新出现到捕获到该卫星的时间可以达到1秒以下，大大提升捕获效率，具有更广泛的应用范围。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的卫星信号接收机判断是否存在卫星信号失锁的情况，如果是，则继续步骤(2)，否则继续步骤(1)；

(2)所述的卫星信号接收机保存卫星信号失锁前的相关先验信息；

(3)所述的卫星信号接收机进入快速捕获状态；

(4)所述的卫星信号接收机根据保存的相关先验信息设定相应的预测载波频率搜索中心值、预测码相位中心值和搜索区间；

(5)所述的卫星信号接收机通过唐检测重新捕获失锁的卫星信号。

2.根据权利要求1所述的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，其特征在于，所述的卫星信号接收机判断是否存在卫星信号失锁的情况，具体为：

(1.1)所述的卫星信号接收机检测得到卫星信号的信号功率与噪声基底；

(1.2)所述的卫星信号接收机比较得到所述的信号功率连续小于所述的噪声基底的次数；

(1.3)所述的卫星信号接收机判断所述的次数是否大于其自身预设的门限值，如果是，则继续步骤(1.4)，否则继续步骤(1)；

(1.4)所述的卫星信号接收机判定存在卫星信号失锁的情况。

3.根据权利要求1所述的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，其特征在于，所述的相关先验信息包括载波多普勒频率值、码相位值、失锁卫星号和通道号。

4.根据权利要求3所述的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，其特征在于，所述的预测载波频率搜索中心值为所述的载波多普勒频率值，所述的预测码相位中心值为所述的码相位值，搜索区间为左右滑动一个码片的范围。

5.根据权利要求1所述的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，其特征在于，所述的步骤(5)之后，还包括以下步骤：

(6)所述的卫星信号接收机判断快速捕获时间是否超过预设值，如果是，则退出快速捕获状态，否则继续步骤(5)。

6.根据权利要求1所述的卫星信号接收机中实现快速捕获失锁信号的方法，其特征在于，所述的卫星信号接收机通过唐检测重新捕获失锁的卫星信号，包括以下步骤：

(5.1)将唐检测器初始化并将所述的唐检测器的上下行计数器K设置初值为b和上下行门限为A；

(5.2)设置所述的唐检测器的判决门限为Thr；

(5.3)将检测统计量Sta与所述的判决门限Thr比较，如果Sta>Thr，则继续步骤(5.4)，否则继续步骤(5.5)；

(5.4)将所述的上下行计数器的K值加1，然后继续步骤(5.6)；

(5.5)将所述的上下行计数器的K值减1，然后继续步骤(5.6)；

(5.6)判断所述的上下行计数器的K值与上下行门限A值的大小，如果K>A，则继续步骤(5.7)，否则继续步骤(5.3)；

(5.7)判定检测信号存在。