CN106896380B - 一种自适应导航信号捕获方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应导航信号捕获方法及装置，上述方法包括：步骤S1：根据配置的捕获参数，确定各搜索单元的判决值，同时估计各搜索单元的信噪比；步骤S2：从各搜索单元的判决值中确定最大判决值，确定具有该最大判决值的搜索单元的信噪比，并根据该信噪比确定门限值；当所述最大判决值小于所述门限值时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数，并返回步骤S1；当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息。本发明公开的自适应导航信号捕获方法及装置，能够实现导航信号的自适应捕获。
Description
技术领域
本发明涉及导航系统的接收技术，尤其涉及一种自适应导航信号捕获方法及装置。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)在人们的日常生活中发挥着越来越不可替代的重要作用，应用到了各行各业，尤其在导航、定时、测绘等领域的作用越来越明显。目前，全球卫星导航系统主要包括美国的全球定位系统(GPS，Global Positioning System)、中国的北斗(BD，Bei Dou)系统、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS，GLObal NAvigation Satellite System)系统以及欧洲的伽利略(Galileo)系统。
利用卫星导航系统进行定位定时等业务，必须首先捕获到多颗(至少四颗)可见卫星的无线信号，这就是所谓的导航信号捕获的三维搜索算法(卫星伪码、码相位、多普勒频移)。导航信号的搜索算法的作用毋庸置疑或者说至关重要，因为如果捕获不到导航信号，随后的信号跟踪、比特同步、解调解码和位置速度时间(PVT，Position，Velocity andTime)解算等功能都无法启动，也就是说无法导航。导航信号捕获算法的性能更为重要，因为如果捕获不到正确的导航信号，或者说，捕获到的导航信号是错误的，并且接收机不知情，即使进行随后的操作也无济于事。
目前的捕获算法有线性搜索方法(即搜索完一维、再搜索第二维，最后搜索第三维)以及并行搜索方法(如并行码相位搜索算法和并行频率搜索算法)。上述算法都有一个共性，即它们都牵涉许多处理参数，如相干积分时间、非相干积分时间、判决门限等。在这些参数中，最重要的参数就是相干积分时间。一般说来，确定了相干积分时间，可进一步确定非相干积分时间，再最终确定判决门限。上述这些参数的取值直接影响着捕获算法的成功与否。而决定这些参数取值大小的因素则是接收信号的信噪比，即信号质量。一般来说，对于弱信号，即信噪比较低的信号，若想捕获成功，需要较长的相干积分长度和非相干积分长度，以及较高的门限值；而对于较强的信号，即信噪比较高的信号，则只需要较短的相干积分长度和非相干积分长度，以及较小的门限值。而这些参数的选择使用对于接收机来说，非常重要。如果参数选择使用不当，要么捕获不到弱信号，要么捕获到错误的导航信号，要么浪费接收机的捕获时间和功率。尤其，门限值的选择对信号捕获成功与否的影响最大，极大地决定了“漏警”和“虚警”的概率。并且，信号强度的变化区间非常大，至少可以强至-130dBm，可以弱至-160dBm。
然而，接收机在捕获算法启动之前，对信号强度的信息一无所知，也就无法选择使用捕获参数。目前，一种常用做法是：根据期望捕获的最低信号强度，如-145dBm，预先设置捕获参数。但是，采用该种做法，如果遇到的信号较强，则浪费了处理能力；并且，由于信号强度的不匹配，导致门限值的选择使用也可能出现意外。同样，另一种做法是：先假设是强信号，进行搜索捕获，然后逐渐切换到弱信号；如果中间认为已经捕获到了信号，就停止下一步的捕获操作。但是，这种方法同样面临着参数失配的问题。尤其当采用面向强信号的低门限值时，而实际为弱信号，最后的判决幅度(或功率)值会出现许多满足门限要求的相位或多普勒频移数据点，导致无法判决。
综上可见，造成上述困扰的原因就是信号捕获时没有信噪比信息。然而，在现有技术中，接收机包含的信噪比估计模块需要同时估计信号功率和噪声功率，且估计信号功率时需要已知码相位信息，而码相位信息是捕获模块的输出信息，因此，信噪比估计模块一般放在跟踪模块中，属于“后捕获信噪比估计模块”。图1为现有技术提供的一种信噪比估计方法的示意图。如图1所示，信噪比估计的输入信号采用即时支路的输出结果。可见，现有技术中在信号捕获时仍没有信噪比信息，因此，仍无法解决上述提到的捕获算法的困扰。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种自适应导航信号捕获方法及装置，能够实现导航信号的自适应捕获。
为了达到上述技术目的，本发明提供一种自适应导航信号捕获方法，包括：步骤S1：根据配置的捕获参数，确定各搜索单元的判决值，同时估计各搜索单元的信噪比；步骤S2：从各搜索单元的判决值中确定最大判决值，确定具有该最大判决值的搜索单元的信噪比，并根据该信噪比确定门限值；当所述最大判决值小于所述门限值时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数，并返回步骤S1；当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息。
进一步地，所述捕获参数包括：相干积分时间、非相干积分时间、多普勒频移。
进一步地，所述具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息包括：当前卫星是否可见、码相位、多普勒频移以及该搜索单元的信噪比。
进一步地，当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息之前，该方法还包括：判断该最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值是否匹配，当所述三者匹配时，执行所述输出，当所述三者不匹配时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数，并返回步骤S1。
本发明还提供一种自适应导航信号捕获装置，包括：捕获模块，用于根据配置的捕获参数，确定各搜索单元的判决值；信噪比估计模块，用于在所述捕获模块根据配置的捕获参数确定各搜索单元的判决值的同时，估计各搜索单元的信噪比；控制判决模块，用于从各搜索单元的判决值中确定最大判决值，确定具有该最大判决值的搜索单元的信噪比，并根据该信噪比确定门限值；当所述最大判决值小于所述门限值时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数；当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息。
进一步地，所述捕获参数包括：相干积分时间、非相干积分时间、多普勒频移。
进一步地，所述具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息包括：当前卫星是否可见、码相位、多普勒频移以及该搜索单元的信噪比。
进一步地，所述控制判决模块，还用于：在当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息之前，判断该最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值是否匹配，当所述三者匹配时，执行所述输出，当所述三者不匹配时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数。
在本发明中，首先，根据配置的捕获参数，确定各搜索单元的判决值，同时估计各搜索单元的信噪比；接着，从各搜索单元的判决值中确定最大判决值，确定具有该最大判决值的搜索单元的信噪比，并根据该信噪比确定门限值；当该最大判决值小于门限值时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的捕获参数，并重新进行搜索；当该最大判决值大于或等于门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息。如此，本发明在执行信号捕获的同时进行信噪比估计，并利用估计出的信噪比进行捕获判决，从而达到自适应捕获导航信号的目的。
附图说明
图1为现有技术提供的一种信噪比估计方法的示意图；
图2为本发明实施例提供的自适应导航信号捕获方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的自适应导航信号捕获装置的示意图；
图4为本发明一具体实施例提供的自适应导航信号捕获装置的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图2为本发明实施例提供的自适应导航信号捕获方法的流程图。如图2所示，本实施例提供的自适应导航信号捕获方法，例如应用于接收机，包括以下步骤：
步骤S1：根据配置的捕获参数，确定各搜索单元的判决值，同时估计各搜索单元的信噪比(SNR，signal-to-noise ratio)；
步骤S21：从各搜索单元的判决值中确定最大判决值以及具有该最大判决值的搜索单元的信噪比，并根据该信噪比确定门限值；
步骤S22：比较该最大判决值与该门限值；
步骤S23：当该最大判决值小于该门限值时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的捕获参数，并返回步骤S1；
步骤S24：当该最大判决值大于或等于该门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息。
具体而言，在对卫星无线信号进行搜索时，会在由时间和频率确定的二维空间内进行搜索，在该二维空间内，每一个码带和每一个频带的交点称为一个搜索单元。其中，每一个码带对应着一个码相位搜索值，每一个频带对应着一个载波频率搜索值。
于本实施例中，捕获参数包括：相干积分时间、非相干积分时间、多普勒频移。
于本实施例中，在步骤S24中，具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息包括：当前卫星是否可见、码相位、多普勒频移以及该搜索单元的信噪比。
进一步地，当该最大判决值大于或等于该门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息之前，该方法还包括：判断该最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值是否匹配，当所述三者匹配时，执行所述输出，当所述三者不匹配时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数，并返回步骤S1。
具体而言，通过仿真或理论推导可以得到预定的判决值范围、预定的信噪比范围以及预定的门限值范围，且上述三种数值的不同预定范围之间存在对应关系(例如，预定的判决值范围A1、预定的信噪比范围A2以及预定的门限值范围A3之间对应；预定的判决值范围B1、预定的信噪比范围B2以及预定的门限值范围B3之间对应)。在判断最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值是否匹配时，先确定最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值各自所在的预定范围，再根据预定范围之间的对应关系判断最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值是否匹配。
举例而言，当一最大判决值a1属于预定的判决值范围A1，具有该最大判决值的搜索单元的信噪比a2属于预定的信噪比范围A2，根据该信噪比确定的门限值a3属于预定的门限值范围A3，则此时，由于预定的判决值范围A1、预定的信噪比范围A2以及预定的门限值范围A3之间对应，因此，最大判决值a1、信噪比a2以及门限值a3匹配。另外，当最大判决值a1属于预定的判决值范围A1，具有该最大判决值的搜索单元的信噪比a2属于预定的信噪比范围B2，根据该信噪比确定的门限值a3属于预定的门限值范围A3，则此时，由于预定的判决值范围A1、预定的信噪比范围B2以及预定的门限值范围A3之间不对应，因此，最大判决值a1、信噪比a2以及门限值a3不匹配。以上仅为举例。然而，本发明对此并不限定。
图3为本发明实施例提供的自适应导航信号捕获装置的示意图。如图3所示，本实施例提供的自适应导航信号捕获装置，例如应用于接收机，包括：捕获模块，用于根据配置的捕获参数，确定各搜索单元的判决值；信噪比估计模块，用于在所述捕获模块根据配置的捕获参数确定各搜索单元的判决值的同时，估计各搜索单元的SNR；控制判决模块，用于从各搜索单元的判决值中确定最大判决值，确定具有该最大判决值的搜索单元的信噪比，并根据该信噪比确定门限值；当该最大判决值小于该门限值时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数；当该最大判决值大于或等于该门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息。
于此，输入信号是中频信号，输出的导航信号信息包括：当前卫星是否可见、码相位、多普勒频移以及具有最大判决值的搜索单元的信噪比，以供接收机中的后续模块(如跟踪模块)选用。
其中，捕获模块可以采用任何一种捕获算法，其捕获算法的参数(如相干积分时间和非相干积分时间)由控制判决模块设置和调度。信噪比估计模块可以采用任何一种信噪比估计算法，并将估计结果(信噪比)输出给控制判决模块。由于此时并没有码相位的任何信息，因此也不存在即时支路、超前支路和滞后支路，而是只有一个支路，供信噪比估计模块使用。
进一步地，控制判决模块，还用于：在当该最大判决值大于或等于门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息之前，判断该最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值是否匹配，当所述三者匹配时，执行所述输出，当所述三者不匹配时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数。
具体而言，控制判决模块用于配置和调度捕获参数、选用估计出的信噪比、进行门限比对以及进行合理性判决，最终输出相关信息。其中，由于在每个搜索单元上均会估计获得一个信噪比，而只有输出最大判决值的搜索单元对应的信噪比才有可能是真正的信噪比，因此，控制判决模块会选用在具有最大判决值的搜索单元上估计得到的信噪比。另外，合理性判决的原理是：最终获得的判决值(即最大判决值)、估计出的信噪比(即具有最大判决值的搜索单元的信噪比)以及门限值(即根据所述信噪比确定的门限值)应匹配，而匹配的依据原则可以是经验数据或理论推导出的数据，其中，经验数据可以通过事先大量仿真获得。具体而言，根据经验数据或理论推导数据可以得到具有匹配关系的判决值范围、信噪比范围以及门限值范围，当最终获得的最大判决值、估计出的信噪比以及门限值所在的数值范围存在匹配关系，则所述三者匹配，即获得的判决信息合理，反之，当最终获得的最大判决值、估计出的信噪比以及门限值对应的数值范围不存在匹配关系，则所述三者不匹配，即获得的判决信息不合理，此时，当前搜索单元依然有可能是假的有效单元。其中，在对所有搜索单元的搜索过程中，若遇到满足合理性判决条件的搜索单元，也可中止对余下搜索单元的搜索，从而节约捕获时间。
图4为本发明一具体实施例提供的自适应导航信号捕获装置的示意图。于本实施例中，以线性捕获为例进行说明。
如图4所示，先对输入的中频信号进行混频，获得i路和q路数据，其中的混频频率包含多普勒频移，由控制判决模块设置和调度。
接着，利用本地粗捕获(C/A，Coarse Acquisition)码对i路和q路数据进行相关操作，然后进行分段相干积分，其中，相干积分时间由控制判决模块设置和调度；同时，选择一个噪声C/A码，也就是说，该噪声C/A码不是任何一颗GPS卫星所真正播发的C/A码，但却必须与所有真正卫星播发的C/A码正交。用噪声C/A码与q路(也可与i路或者两路)数据进行相关操作，然后进行相干积分和清零操作。从信号支路获得的积分结果和从噪声支路获得的积分结果送入信噪比估计模块，进行信噪比估计。于此，信噪比估计的具体方案可以参照图1所示的估计方法。故于此不再赘述。
接着，对信号支路的积分结果进行求幅值操作，以及进行非相干积分，并将非相干积分结果送入控制判决模块。同时，估计得到的信噪比也送入控制判决模块。
举例而言，以相干积分时间为例说明控制判决模块对捕获参数的设置，先设置为1ms，再设置为10ms、20ms、40ms、...，直至捕获完成。而其它捕获参数与相干积分时间有关，是配套的，具体获得方法可由经验或仿真获得。具体而言，在第一次进行捕获时，控制判决模块没有估计得到的信噪比，此时，将相干积分时间设置为预设值，在之后的捕获过程中，控制判决模块根据估计得到的信噪比，确定相干积分时间的取值，进而得到其它捕获参数。
当相干积分时间为某一数值时，搜索所有搜索单元，在每一个搜索单元上都可以获得一个非相干积分值(判决值)和估计得到的信噪比。寻找最大的非相干积分值，依据具有该最大的非相干积分值的搜索单元对应的信噪比的估计值，选用一个门限值。将最大的非相干积分值与门限值相比较，若最大的非相干积分值大于或等于门限值，则捕获成功；若最大的非相干积分值小于门限值，则继续进行下一个相干积分时间对应的捕获搜索过程。此外，也可以根据估计出的信噪比，进行其他的合理性判决。然而，本发明对此并不限定。
综上所述，本发明实施例提供的自适应导航信号捕获方法及装置能够在信号捕获的同时进行信噪比估计，进而达到自适应捕获导航信号的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (8)
1.一种自适应导航信号捕获方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据配置的捕获参数，确定各搜索单元的判决值，同时估计所述各搜索单元的信噪比；
步骤S2：从所述各搜索单元的判决值中确定最大判决值，确定具有该最大判决值的搜索单元的信噪比，并根据该信噪比确定门限值；当所述最大判决值小于所述门限值时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数，并返回步骤S1；当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息；
其中，每一个码带和每一个频带的交点称为一个搜索单元；每一个码带对应一个码相位搜索值，每一个频带对应一个载波频率搜索值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述捕获参数包括：相干积分时间、非相干积分时间、多普勒频移。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息包括：当前卫星是否可见、码相位、多普勒频移以及该搜索单元的信噪比。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息之前，还包括：判断该最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值三者是否匹配，当所述三者匹配时，执行所述输出，当所述三者不匹配时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数，并返回步骤S1。
5.一种自适应导航信号捕获装置，其特征在于，包括：
捕获模块，用于根据配置的捕获参数，确定各搜索单元的判决值；
信噪比估计模块，用于在所述捕获模块根据配置的捕获参数确定所述各搜索单元的判决值的同时，估计所述各搜索单元的信噪比；
控制判决模块，用于从所述各搜索单元的判决值中确定最大判决值，确定具有该最大判决值的搜索单元的信噪比，并根据该信噪比确定门限值；当所述最大判决值小于所述门限值时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数；当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息；
其中，每一个码带和每一个频带的交点称为一个搜索单元；每一个码带对应一个码相位搜索值，每一个频带对应一个载波频率搜索值。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述捕获参数包括：相干积分时间、非相干积分时间、多普勒频移。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息包括：当前卫星是否可见、码相位、多普勒频移以及该搜索单元的信噪比。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制判决模块，还用于：在当所述最大判决值大于或等于所述门限值时，输出具有该最大判决值的搜索单元对应的导航信号信息之前，判断该最大判决值、具有该最大判决值的搜索单元的信噪比以及根据该信噪比确定的门限值三者是否匹配，当所述三者匹配时，执行所述输出，当所述三者不匹配时，根据具有该最大判决值的搜索单元的信噪比更新所配置的所述捕获参数。
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