CN107153206A - 一种基于fft的北斗卫星信号快速捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，包括步骤：根据接收北斗卫星信号中频频率和多普勒频移范围，确定本地载波频率和搜索步长，产生本地载波信号并对输入信号进行去载波操作产生混频信号x1(n)；将x1(n)分成P份并分别做FFT运算得到频域结果Xi(k)；将北斗卫星信号I支路测距码CB2I码h1(n)分成P份做FFT运算和取共轭操作得到频域结果Hi *(k)；再通过融合算法得到频域相乘结果Y1(k)；对所述的频域相乘结果Y1(k)进行IFFT操作得到时域相关结果y1(n)；检测所述的时域相关结果y1(n)中是否存在超过阈值的峰值；当超过阈值的峰值存在时，表示捕获成功。本发明其融合算法简单易行，在进行卫星信号快速捕获的同时不会增加算法资源的耗费，有利于捕获算法在资源有限的嵌入式平台上实现。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法。
背景技术
北斗卫星导航系统是中国正在实施的独立运行的全球卫星导航系统，目前已经逐渐投入应用。随着“北斗地基增强系统”的建成，定位精度将会由米级提高到亚米级、厘米级，可为用户提供车道级的导航，在未来的无人驾驶车中将会有广泛的应用。
卫星定位接收机可接收全球范围内卫星播发的卫星信号并通过解调解算为用户提供位置及导航信息。卫星定位接收机可分为硬件接收机和软件接收机两类。相较于传统的硬件接收机，软件接收机通过更换内部的软件就可以实现性能升级，现已成为接收机设计方面研究的热点。
当信号由卫星传播到地面接收机时已淹没在噪声中，伪随机码码相位和载波频率也发生了变化，需对信号进行捕获将其从噪声中识别出来.当软件接收机开始定位时，其首先通过射频前端接收到视界范围内的卫星播发的信号。然后对接收到的微弱卫星信号进行放大、变频，输出频率较低的中频模拟信号。最后经过A/D转换模块输出数字化的中频信号，并将该信号传给后续的基带数字信号处理部分进行处理。基带数字信号处理是软件接收机的核心，通过依次完成对中频信号的捕获、跟踪、解调解算来获得卫星的导航电文，然后利用导航电文即可得出用户的位置信息。捕获算法是基带数字信号处理的基础，其运算时间的长短将直接影响接收机启动的快慢。北斗CB2I码码速率是GPS C/A码码速率的两倍，相应的捕获算法需处理的点数也会增加，因此需对其捕获方法进行优化以减小接收机时延。
现有技术的软件接收机广泛采用并行码相位捕获算法对卫星信号进行捕获。其做法是：将并行码相位的时域相关运算转换为频域的乘法运算，只需对多普勒频率进行一维搜索，无需对信号码相位进行顺序搜索，从而在很大程度上降低了算法的运算量。FFT(FastFourier Transformation，快速傅利叶变换)运算是并行码相位捕获算法的核心。由于FFT运算结构的原因，并行码相位捕获算法需计算出所有采样点处的相关值。当信号采样频率较高或所需处理的信号采样点数较多时，该算法因运算结构较固定，无法根据需要调整相关运算间隔的采样点数。
目前，很多研究者对FFT运算结构做了改进研究。例如，文献一“Improving thePerformance of the FFT-based Parallel Code-phase Search Acquisition of GNSSSignals by Decomposition of the Circular Correlation(通过分解循环卷积提高基于FFT的并行码相位捕获性能)(25th International Meeting of the Satellite Divisionof the Institute of Navigation ION.12-17September 2012,Nashville TN,pp:1406-1416(导航协会卫星部第25届国际会议，2012年9月12-17，纳什维尔，页数：1406-1416))”，采取FIR滤波器原理与并行码相位捕获算法相结合的方法，对GPS L1信号进行了捕获。其将信号采样点分成了奇偶两部分分别做FFT运算，然后通过融合算法得到相关结果。虽可达到快速捕获的效果，但同时算法资源耗费也会增加，不利于算法在资源有限的嵌入式平台上实现。文献二“Joint acquisition of CM and CL codes for GPS L2civil(L2C)signals.(L2C信号CM码CL码联合捕获方法)(Proceeding of the ION 61st Annual Meeting.27-29June 2005,Cambridge,pp:553-562.(导航协会第61届年度会议，2005年6月27-29，剑桥，页数：553-562))”，将分段FFT算法应用到了GPS L2C信号的捕获中,有效解决了信号FFT运算点数较大的问题,但算法组合结果步骤较复杂。B2信号CB2I码是CM码码长的1/10，使用该算法将增加捕获算法的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，其融合算法简单易行，在进行卫星信号快速捕获的同时不会增加算法资源的耗费，有利于捕获算法在资源有限的嵌入式平台上实现。
为解决现有技术的上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
本发明的一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，包括以下步骤：
步骤1、根据接收北斗卫星信号中频频率和多普勒频移范围，确定本地载波频率和搜索步长，产生本地载波信号并对输入信号进行去载波操作产生混频信号；所述的去载波操作过程为：
x1(n)＝s1(n)*f1(n) (1)
其中，s1(n)为输入北斗卫星中频信号，f1(n)为本地载波信号，x1(n)为混频信号；
步骤2、得到所述的混频信号x1(n)后，将其分成P份并分别做FFT运算，可得到频域结果Xi(k)；同时，将所述的北斗卫星信号的I支路测距码CB2I码h1(n)分成P份做FFT运算和取共轭操作得到频域结果Hi*(k)；其中，P为整数，i∈[0,P-1]；
步骤3、得到所述的频域结果Xi(k)和频域结果Hi *(k)后，再通过融合算法得到频域相乘结果Y1(k)；
步骤4：得到所述的频域相乘结果Y1(k)后，对其进行IFFT操作得到时域相关结果y1(n)；
步骤5：检测所述的时域相关结果y1(n)中是否存在超过阈值的峰值；当所述的超过阈值的峰值不存在时，表示本地载波频率与输入信号频率不同，需调整本地载波频率重复所述的步骤1—步骤4；当所述的超过阈值的峰值存在时，表示捕获成功。
进一步的，在所述步骤2中，根据式(2)将所述的混频信号x1(n)分成P份，形成P份长度为的信号，由x0(r)、x1(r)...xP-1(r)表示；然后对上述P份信号并分别做FFT运算从而得到所述的频域结果Xi(k)：
Xi(k)＝FFT(xi(r))i∈[0,P-1] (3)
其中，r为整数变量，变化范围为0到x0(r)代表第一份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍的采样点组成的；如第0个采样点，第P个采样点，第2P个采样点，…rP个采样点；x1(r)代表第二份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍加1的采样点点组成的，
如第1个采样点，第P+1个采样点，第2P+1个采样点，…rP+1个采样点；xP-1(r)代表第P份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍加P-1的采样点组成的，如第P-1个采样点，第2P-1个采样点，第3P-1个采样点，…rP+P-1个采样点；
根据式(4)将本地北斗卫星信号I支路测距码CB2I码h1(n)分成P份做FFT运算和取共轭操作得到频域结果Hi *(k)：
其具体过程为：
其中，r为整数变量，变化范围为0到h0(r)代表第一份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍的采样点组成的，如第0个采样点，第P个采样点，第2P个采样点，…rP个采样点；h1(r)代表第二份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍加1的采样点点组成的，如第1个采样点，第P+1个采样点，第2P+1个采样点，…rP+1个采样点；hP-1(r)代表第P份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍加P-1的采样点组成的，如第P-1个采样点，第2P-1个采样点，第3P-1个采样点，…rP+P-1个采样点；式(5)中FFT代表快速傅里叶变换操作，*代表取共轭操作；Hi *(k)为对hi(n)进行FFT变换和取共轭操作后得到的结果。
进一步的，在所述步骤3中，所述的融合算法如式(6)所示：
Y1(k)为融合算法所得频域结果。
进一步的，在所述步骤4中，所述的IFFT操作过程为：
y1(n)＝IFFT(Y1(k)) (7)。
进一步的，在所述的步骤2中，所述的本地CB2I码频域形式Hi *(k)可保存在程序数组中，以便进行多次调用。
进一步的，当使用基-2FFT结构实现所述的北斗卫星信号快速捕获方法时，最优P值选择方法过程为：
(1)首先根据式(8)确定CB2I码半个码片采样点数l，P值应不大于l；
(2)将和表示成式(9)形式,然后确定yN与yP关系，当时，算法最优P值为P2，P1、P2为不大于l的整数；当使用混合基FFT结构实现上述算法时，最优P值为l-1；
其中，fs为采样频率，1×10-3s为CB2I码周期，2046为CB2I码码片数，l为CB2I码半个码片上的采样点数；
将和表示成如下形式，xN、xp表示整数部分，yN、yp表示小数部分；
与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：
本发明对现有技术中传统的并行码相位捕获算法结构做了改进。本发明将信号采样点分成了P份分别做FFT运算，然后通过融合算法得到相关结果。可实现每隔P个采样点做一次相关运算，并且P值可根据需要任意选取，算法运算结构较灵活。相比现有技术，本发明融合算法相对简单，在进行卫星信号快速捕获的同时不会增加算法资源耗费。有利于其捕获算法在资源有限的嵌入式平台上实现。
附图说明
图1是现有技术中传统的并行码相位捕获算法原理图。
图2是本发明的一种实施例的基于FFT的北斗信号快速捕获方法原理图。
图3是本发明的一种实施例的方法流程图。
图4是本发明的一种实施例的两信号互相关运算过程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
图1所示为现有技术中传统的并行码相位捕获算法原理图。
图2是本发明的一种实施例的基于P-FFT的北斗B2信号快速捕获方法原理图，图3是该方法的流程图。
本发明实施例的方法的过程包括如下步骤：
步骤1、根据接收北斗卫星信号中频频率和多普勒频移范围，确定本地载波频率和搜索步长，产生本地载波信号并对输入信号进行去载波操作产生混频信号；所述的去载波操作过程为：
x1(n)＝s1(n)*f1(n) (1)
其中，s1(n)为输入北斗卫星中频信号，f1(n)为本地载波信号，x1(n)为混频信号；
步骤2、得到所述的混频信号x1(n)后，将其分成P份并分别做FFT运算，可得到频域结果Xi(k)；同时，将所述的北斗卫星信号的I支路测距码CB2I码h1(n)分成P份做FFT运算和取共轭操作得到频域结果Hi *(k)；其中，P为整数，i∈[0,P-1]；
步骤3、得到所述的频域结果Xi(k)和频域结果Hi *(k)后，再通过融合算法得到频域相乘结果Y1(k)；
步骤4：得到所述的频域相乘结果Y1(k)后，对其进行IFFT操作得到时域相关结果y1(n)；
步骤5：检测所述的时域相关结果y1(n)中是否存在超过阈值的峰值；当所述的超过阈值的峰值不存在时，表示本地载波频率与输入信号频率不同，需调整本地载波频率重复所述的步骤1—步骤4；当所述的超过阈值的峰值存在时，表示捕获成功。
在上述步骤2中，根据下式(2)将所述的混频信号x1(n)分成P份，形成P份长度为(N/P)的信号，由x0(r)、x1(r)...xP-1(r)表示；然后对上述P份信号并分别做FFT运算从而得到所述的频域结果Xi(k)：
Xi(k)＝FFT(xi(r))i∈[0,P-1] (3)
其中，r为整数变量，变化范围为0到x0(r)代表第一份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍的采样点组成的；如第0个采样点，第P个采样点，第2P个采样点，…rP个采样点；x1(r)代表第二份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍加1的采样点点组成的，如第1个采样点，第P+1个采样点，第2P+1个采样点，…rP+1个采样点；xP-1(r)代表第P份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍加P-1的采样点组成的，如第P-1个采样点，第2P-1个采样点，第3P-1个采样点，…rP+P-1个采样点；
根据式(4)将本地北斗卫星信号I支路测距码CB2I码h1(n)分成P份做FFT运算和取共轭操作得到频域结果Hi *(k)：
其具体过程为：
其中，r为整数变量，变化范围为0到h0(r)代表第一份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍的采样点组成的，如第0个采样点，第P个采样点，第2P个采样点，…rP个采样点；h1(r)代表第二份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍加1的采样点点组成的，如第1个采样点，第P+1个采样点，第2P+1个采样点，…rP+1个采样点；hP-1(r)代表第P份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍加P-1的采样点组成的，如第P-1个采样点，第2P-1个采样点，第3P-1个采样点，…rP+P-1个采样点；式(5)中FFT代表快速傅里叶变换操作，*代表取共轭操作；Hi *(k)为对hi(n)进行FFT变换和取共轭操作后得到的结果。
另外，在上述的步骤2中，由于需对载波频率进行多次搜索，所以，所述的本地CB2I码频域形式Hi *(k)可保存在程序数组中，以便进行多次调用。
在上述步骤3中，所述的融合算法如下式(6)所示：
Y1(k)为融合算法所得频域结果。
本发明的算法将待处理信号分成了P份，每一份单独进行FFT运算。由上式(6)可知，在频域内Y1(k)对应混频信号Xi(k)与本地CB2I码做相乘运算，再做加和；对应在时域内xi(r)与hi(r)做互相关运算再做加和。
在上述步骤4中，所述的IFFT操作过程为：
y1(n)＝IFFT(Y1(k)) (7)。
当使用基-2FFT结构实现所述的北斗卫星信号快速捕获方法时，最优P值选择方法过程为：
(1)首先根据式(8)确定CB2I码半个码片采样点数l，P值应不大于l；
(2)将和表示成式(9)形式,然后确定yN与yP关系，当时，算法最优P值为P2，P1、P2为不大于l的整数；当使用混合基FFT结构实现上述算法时，最优P值为l-1；
其中，fs为采样频率，1×10-3s为CB2I码周期，2046为CB2I码码片数，l为CB2I码半个码片上的采样点数；
将和表示成如下形式，xN、xp表示整数部分，yN、yp表示小数部分；
此处取P＝3进行示例分析：当n增加1时，hi(r)均向右移动一位，则h1(n)序列相较于原序列移动了三个采样点。当n＝m时，y1(n)则代表第3m个采样点处的相关值。相当于两信号每隔3个采样点做一次相关运算。相比于现有技术的算法每1个采样点做一次相关运算，本发明算法可有效减少算法计算量，加快了信号捕获速度。
图4是本发明的一种实施例的两信号互相关运算过程图。本发明实施例的方法将待处理信号分成了P份，每一份单独进行FFT运算。由式(6)可知，在频域内Y1(k)对应混频信号Xi(k)与本地CB2I码做相乘运算，再做加和；对应在时域内xi(r)与hi(r)做互相关运算再做加和。两信号互相关运算过程如图4所示，此处取P＝3为例进行示例分析。当n增加1时，hi(r)均向右移动一位，则h1(n)序列相较于原序列移动了三个采样点。当n＝m时，y1(n)则代表第3m个采样点处的相关值。相当于两信号每隔3个采样点做一次相关运算。相比于现有技术的方法每1个采样点做一次相关运算，本发明方法可有效减少算法计算量，加快信号捕获速度。
Claims (6)
1.一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据接收北斗卫星信号中频频率和多普勒频移范围，确定本地载波频率和搜索步长，产生本地载波信号并对输入信号进行去载波操作产生混频信号；所述的去载波操作过程为：
x1(n)＝s1(n)*f1(n) (1)
其中，s1(n)为输入北斗卫星中频信号，f1(n)为本地载波信号，x1(n)为混频信号；
步骤2、得到所述的混频信号x1(n)后，将其分成P份并分别做FFT运算，可得到频域结果Xi(k)；同时，将所述的北斗卫星信号的I支路测距码CB2I码h1(n)分成P份做FFT运算和取共轭操作得到频域结果Hi *(k)；其中，P为整数，i∈[0,P-1]；
步骤3、得到所述的频域结果Xi(k)和频域结果Hi *(k)后，再通过融合算法得到频域相乘结果Y1(k)；
步骤4：得到所述的频域相乘结果Y1(k)后，对其进行IFFT操作得到时域相关结果y1(n)；
步骤5：检测所述的时域相关结果y1(n)中是否存在超过阈值的峰值；当所述的超过阈值的峰值不存在时，表示本地载波频率与输入信号频率不同，需调整本地载波频率重复所述的步骤1—步骤4；当所述的超过阈值的峰值存在时，表示捕获成功。
2.根据权利要求1所述的一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，其特征在于，在所述步骤2中，根据式(2)将所述的混频信号x1(n)分成P份，形成P份长度为的信号，由x0(r)、x1(r)...xP-1(r)表示；然后对上述P份信号并分别做FFT运算从而得到所述的频域结果Xi(k)：
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其中，r为整数变量，变化范围为0到x0(r)代表第一份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍的采样点组成的；如第0个采样点，第P个采样点，第2P个采样点，…rP个采样点；x1(r)代表第二份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍加1的采样点点组成的，如第1个采样点，第P+1个采样点，第2P+1个采样点，…rP+1个采样点；xP-1(r)代表第P份信号，由x1(n)中序号为P的整数倍加P-1的采样点组成的，如第P-1个采样点，第2P-1个采样点，第3P-1个采样点，…rP+P-1个采样点；
根据式(4)将本地北斗卫星信号I支路测距码CB2I码h1(n)分成P份做FFT运算和取共轭操作得到频域结果Hi *(k)：
其具体过程为：
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1
其中，r为整数变量，变化范围为0到h0(r)代表第一份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍的采样点组成的，如第0个采样点，第P个采样点，第2P个采样点，…rP个采样点；h1(r)代表第二份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍加1的采样点点组成的，如第1个采样点，第P+1个采样点，第2P+1个采样点，…rP+1个采样点；hP-1(r)代表第P份信号，由h1(n)中序号为P的整数倍加P-1的采样点组成的，如第P-1个采样点，第2P-1个采样点，第3P-1个采样点，…rP+P-1个采样点；式(5)中FFT代表快速傅里叶变换操作，*代表取共轭操作；Hi *(k)为对hi(n)进行FFT变换和取共轭操作后得到的结果。
3.根据权利要求1所述的一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述的融合算法如式(6)所示：
<mrow>
<msub>
<mi>Y</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>X</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msubsup>
<mi>H</mi>
<mn>0</mn>
<mo>*</mo>
</msubsup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>X</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msubsup>
<mi>H</mi>
<mn>1</mn>
<mo>*</mo>
</msubsup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mn>....</mn>
<msub>
<mi>X</mi>
<mrow>
<mi>P</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msubsup>
<mi>H</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mo>*</mo>
</msubsup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
Y1(k)为融合算法所得频域结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述的IFFT操作过程为：
y1(n)＝IFFT(Y1(k)) (7)。
5.根据权利要求1所述的一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，其特征在于，在所述的步骤2中，所述的本地CB2I码频域形式可保存在程序数组中，以便进行多次调用。
6.根据权利要求1所述的一种基于FFT的北斗卫星信号快速捕获方法，其特征在于，当使用基-2FFT结构实现所述的北斗卫星信号快速捕获方法时，最优P值选择方法过程为：
(1)首先根据式(8)确定CB2I码半个码片采样点数l，P值应不大于l；
(2)将和表示成式(9)形式,然后确定yN与yP关系，当时，算法最优P值为P2，P1、P2为不大于l的整数；当使用混合基FFT结构实现上述算法时，最优P值为l-1；
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>&times;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>&times;</mo>
<msup>
<mn>10</mn>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>3</mn>
</mrow>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mn>2046</mn>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，fs为采样频率，1×10-3s为CB2I码周期，2046为CB2I码码片数，l为CB2I码半个码片上的采样点数；
将和表示成如下形式，xN、xp表示整数部分，yN、yp表示小数部分；
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