CN108318900B - 一种周期脉冲增强导航信号的高精度频率捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种周期脉冲增强导航信号的高精度频率捕获方法。使用本发明能够提高增强导航信号频率的捕获精度，同时降低了数字信号处理的运算量及复杂度，还能有效地提升捕获系统的灵敏度，缩短了捕获时长。本发明首先针对单脉冲进行短时伪码捕获，并利用DFT频谱中的两条谱线对载波频率进行粗估计，然后基于捕获的伪码位置以及载波频率的粗估计值，利用长时积分累加DFT对载波频率进行细捕获，捕获精度高，且算法复杂度低，捕获速度快。

Description

一种周期脉冲增强导航信号的高精度频率捕获方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，涉及地基伪卫星或地基增强系统时分信号体制的同步接收技术，具体涉及一种周期脉冲增强导航信号的高精度频率捕获方法。
背景技术
地基增强系统及伪卫星导航定位系统在辅助GNSS信号定位方面发挥了重要的作用，甚至也能在山谷、矿井、地下停车场等复杂环境下独立提供全天候高精度的导航定位服务，因此地基增强导航信号的研究具有良好的发展前景。远近效应是制约增强导航信号发展的一个重要因素，由于时分的信号体制具有明显抗远近效应的优势，因此，时分的增强导航信号体制得到了广泛的应用。
时分的增强导航信号不再像一般导航信号连续发送，而是以一定占空比的脉冲模式发送，一方面这种时分体制可以降低地基增强信号对GNSS信号的干扰，一方面可以降低不同伪卫星地基增强信号之间的互相关干扰。但是时分的信号体制决定了信号无法进行长时检测，因此信号的伪码相位及频率等参数估计难度增大，给信号的捕获带来了困难。
在进行信号捕获时，捕获的频率分辨率受相干积分时间长短的影响，捕获的频率搜索范围受信号采样速率的影响。传统的导航信号捕获依靠加长信号积分时间来获得一些信噪比增益从而提高频率捕获精度，然而对于时分的增强导航信号这种非恒包络片段信号来说，由于伪码初始相位未知、信号脉冲发射周期长，靠多个片段信号长时积分累加来搜索频率，不仅运算量大导致算法复杂度增加，而且频率搜索范围小，不能够实现快速捕获。若为了降低运算量采用短时间积分来估计频率，由于信号截断和栅栏效应的存在，频率估计精度低，不能满足后续跟踪环路入锁的频率捕获精度要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种周期脉冲增强导航信号的高精度频率捕获方法，采用短时DFT频率粗估计加长时积分累加DFT细捕获的联合频率捕获方法，能够提高增强导航信号频率的捕获精度，同时降低了数字信号处理的运算量及复杂度，还能有效地提升捕获系统的灵敏度，缩短了捕获时长。
本发明的周期脉冲增强导航信号的高精度频率捕获方法，包括如下步骤：
步骤1，脉冲增强导航信号伪码捕获：
连续截取Tslot长的接收信号分别与本地伪码进行分段匹配滤波，伪码相位搜索时长为T+Tslot，其中T为脉冲增强导航信号的发射周期，Tslot为信号脉冲宽度；对每一次伪码搜索相位下的分段匹配滤波结果都进行DFT运算；根据最大DFT值所对应的伪码搜索相位确定脉冲增强导航信号单脉冲信号伪码初始相位的位置；
步骤2，脉冲增强导航信号载波频率粗估计：
根据步骤1最大DFT值所对应的频谱，寻找该频谱中的最大值，即A谱线，以及A谱线左右相邻两条谱线中的较大谱线，记为B谱线；若B谱线位于A谱线左侧，则信号的载波粗估频率
Figure BDA0001534568910000021
为：
Figure BDA0001534568910000022
若B谱线位于A谱线右侧，则
Figure BDA0001534568910000023
为：
Figure BDA0001534568910000024
其中，max_index为A谱线在频谱中的位置坐标，Δf＝1/Tslot，
Figure BDA0001534568910000025
a为A谱线的值，b为B谱线的值；
步骤3，脉冲增强导航信号载波频率细捕获：
利用步骤2得到的信号载波粗估频率
Figure BDA0001534568910000026
对接收信号进行载波剥离；根据步骤1确定的信号伪码初始相位的位置调整载波剥离信号，使载波剥离信号与本地伪码相位对齐；用调整后的与本地伪码相位对齐后的载波剥离信号与本地伪码做长度为Tslot的相关积分；对连续N个脉冲的载波剥离信号进行与本地伪码的相关积分，对这N个积分累加值做DFT运算；根据DFT频谱中的最大值求得脉冲信号载波剥离后的残余频率；
所述残余频率与步骤2的载波粗估频率之和，即为信号的最终捕获频率。
有益效果：
本发明首先针对单脉冲进行短时伪码捕获，并利用DFT频谱中的两条谱线对载波频率进行粗估计，然后利用捕获的伪码位置以及载波频率的粗估计值，进行长时积分累加DFT，对载波频率进行细捕获，对比传统的频率捕获方法，具有以下技术优势：
(1)频率捕获精度高。该方法进行了两次频率估计，其中细捕获可以利用长时间信号检测，提高频率捕获精度。
(2)频率捕获速度快，降低了导航信号首次定位时间。粗捕获过程采用并行的分段匹配滤波处理，提高了频率捕获效率。
(3)算法复杂度低，数字处理实现比较容易。信号的积分和DFT运算均可在FPGA中实现，对频率的粗估计运算可在DSP中实现。
附图说明
图1为本发明频率捕获框架，其中，PFM为匹配滤波器。
图2为本发明频率捕获流程图。
图3为截短时分信号DFT频率粗估计原理图。
图4为基于周期脉冲增强导航信号的细捕获流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种周期脉冲增强导航信号的高精度频率捕获方法，采用短时DFT频率粗估计加长时积分累加DFT细捕获的联合频率捕获方法，对周期脉冲增强导航信号的频率进行捕获，具体包括如下步骤：
步骤1，脉冲增强导航信号伪码捕获。
这一步主要是通过分段匹配滤波加DFT(离散傅里叶变换)的方法对伪码在整周期信号中的初始位置做一个大致的估计，一般伪码估计精度为1/2码片。假设时分导航信号的发射周期为T，信号脉冲宽度为Tslot，那么连续不重叠分段截取Tslot长的接收信号分别与本地伪码进行分段匹配滤波，伪码相位搜索时长为T+Tslot，具体实现时可采用多路匹配滤波器并行处理，提高运算速度。对每一次伪码搜索相位下的分段匹配滤波结果送入DFT运算模块，都进行DFT运算，待码相位全部搜索完毕，获得时频二维平面搜索结果。根据DFT运算结果中的最大值即可确定脉冲增强导航信号单脉冲信号伪码初始相位的位置。
步骤2，脉冲增强导航信号载波频率粗估计。
根据步骤1中最大DFT值所对应时刻的信号频谱，进行信号频率估计。一般都是根据单根谱线来计算频率，但当增强导航信号频率不是DFT频率分辨率的整数倍时，正弦形式的载波信号频谱会发生泄露，频率估计误差最大可达1/Tslot。由于地基增强信号具有较高的信噪比，本发明利用DFT频谱中的两根谱线值线性拟合sinc函数的方法将包含有多普勒的增强导航信号中的频率估计出来，该方法使得频率粗捕获精度大大提高，缩小了细捕获载波频率的搜索范围，减小了细捕获的计算耗时。图3为单脉冲信号DFT频率粗估计原理图。F0为信号载波的真实频率，Δf为截短采样序列的频率分辨率即1/Tslot，图中A、B、C等为频率谱线。
具体的单脉冲增强导航信号频率粗估计方法如下：
(1)找到最大DFT值对应的频谱的最大值，即A谱线，以及A谱线左右相邻两条谱线中的较大谱线，记为B谱线，单脉冲增强导航信号的真实谱线就在A谱线与B谱线之间。
(2)计算出补偿频率Fcomp，
Figure BDA0001534568910000051
其中，a为A谱线的值，b为B谱线的值，Δf为截短采样序列的频率分辨率即1/Tslot；
(3)根据下式求取载波估计频率
Figure BDA0001534568910000052
Figure BDA0001534568910000053
其中，max_index为A谱线在频谱中的位置坐标，当B在A的左边，式(1)中的“±”取为“-”，即对A谱线处的频率做一个负的补偿，估计频率
Figure BDA0001534568910000054
为：
Figure BDA0001534568910000055
当B在A的右边，式(1)中的“±”取为“+”，即对A谱线处的频率做一个正的补偿，估计频率
Figure BDA0001534568910000056
为：
Figure BDA0001534568910000057
步骤3，多片段信号积分累加与DFT频率细捕获。
基于周期脉冲增强导航信号的细捕获流程图如图4所示。
首先根据步骤2粗捕获的捕获频率
Figure BDA0001534568910000058
对接收信号做载波剥离，然后根据步骤1粗捕获的伪码初始相位的位置调整载波剥离信号，使载波剥离信号与本地伪码相位对齐，之后用调整后的与本地伪码相位对齐后的载波剥离信号与本地伪码做长度为Tslot的相关积分，连续采集N个脉冲的载波剥离信号与本地伪码做相关积分，对这N个积分累加值做DFT，根据DFT频谱中的最大值求得脉冲信号载波剥离后的残余频率；频率细捕获精度为1/(N×T)。
残余频率与步骤2的初估频率之和，即为信号的最终捕获频率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种周期脉冲增强导航信号的高精度频率捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，脉冲增强导航信号伪码捕获：
连续截取Tslot长的接收信号分别与本地伪码进行分段匹配滤波，伪码相位搜索时长为T+Tslot，其中T为脉冲增强导航信号的发射周期，Tslot为信号脉冲宽度；对每一次伪码搜索相位下的分段匹配滤波结果都进行DFT运算；根据最大DFT值所对应的伪码搜索相位确定脉冲增强导航信号伪码初始相位的位置；
步骤2，脉冲增强导航信号载波频率粗估计：
根据步骤1最大DFT值所对应的频谱，寻找该频谱中的最大值，即A谱线，以及A谱线左右相邻两条谱线中的较大谱线，记为B谱线；若B谱线位于A谱线左侧，则信号的载波粗估频率
Figure FDA0002929123100000011
为：
Figure FDA0002929123100000012
若B谱线位于A谱线右侧，则
Figure FDA0002929123100000013
为：
Figure FDA0002929123100000014
其中，max_index为A谱线在频谱中的位置坐标，Δf＝1/Tslot，
Figure FDA0002929123100000015
Δf为截短采样序列的频率分辨率，Fcomp为补偿频率，a为A谱线的值，b为B谱线的值；
步骤3，脉冲增强导航信号载波频率细捕获：
利用步骤2得到的信号载波粗估频率
Figure FDA0002929123100000016
对接收信号进行载波剥离；根据步骤1确定的信号伪码初始相位的位置调整载波剥离信号，使载波剥离信号与本地伪码相位对齐；用调整后的载波剥离信号与本地伪码做长度为Tslot的相关积分；对连续N个脉冲的载波剥离信号进行与本地伪码的相关积分，对这N个积分累加值做DFT运算；根据DFT频谱中的最大值求得脉冲信号载波剥离后的残余频率；
所述残余频率与步骤2的载波粗估频率之和，即为信号的最终捕获频率。
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