CN110068841A - 一种卫星信号高灵敏度快速捕获方法 - Google Patents

一种卫星信号高灵敏度快速捕获方法 Download PDF

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汤加跃
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    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G01S19/30—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system code related

Abstract

本发明公开了一种北斗信号高灵敏度快速捕获方法，包括：S1：生成主码FFT序列，初始化多普勒频率；S2：生成采样FFT序列；S3：将采样FFT序列取共轭后与主码FFT序列相乘并取模；S4：将采样FFT序列进行正向循环移位后取共轭与主码FFT序列相乘取模；S5：将采样FFT序列进行反向循环移位后取共轭与主码FFT序列相乘取模；S6：重复预设次数的S3至5，将模值累加，得到累加模值；S7：将累加模值的最大值保留；S8：当最大累加值大于预设阈值时，进行S11；当最大累加值小于预设阈值时，进行S9；S9：步进移动多普勒频率，重复S3至8；S10：移动卫星数据的起始位置，重复S2至9；S11：输出结果。本方法提高了卫星信号的捕获速度，减少了首次定位时间，降低跟踪失误的概率。

Description

一种卫星信号高灵敏度快速捕获方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，涉及一种卫星信号高灵敏度快速捕获方法。
背景技术
在通过卫星进行定位的过程中，首先需要对卫星信号进行捕获，捕获之后进行根据捕获结果进行跟踪，并根据跟踪结果输出用以定位。卫星信号的捕获，成为影响定位的一大因素。
现有捕获方案技术方案在捕获时，每次按照多普勒频率步进移动的时候，按照多普勒频率修改码相位步进与载波相位步进，重新做下变频与降采样，最后得到非相干累积结果，进行信号的捕获。
但是，上述现有技术方案由于每次修改码相位步进与载波相位步进之后，都要重新做下变频与降采样，造成信号的捕获时间较长，进而影响跟踪的成功率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种卫星信号高灵敏度快速捕获方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种卫星信号高灵敏度快速捕获方法，包括以下步骤：
步骤1：选定卫星并生成对应的主码FFT序列，初始化多普勒频率；
步骤2：读取卫星信号主码长度的卫星数据，并根据所述卫星数据生成采样FFT序列；
步骤3：将所述采样FFT序列取共轭后与所述主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第一模值；
步骤4：将所述采样FFT序列进行正向循环移位后取共轭，将共轭结果与所述主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第二模值；
步骤5：将所述采样FFT序列进行反向循环移位后取共轭，将共轭结果与所述主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第三模值；
步骤6：重复预设次数的步骤3至5，将得到的预设次数个的所述第一模值累加，预设次数个的所述第二模值累加，预设次数个的所述第三模值累加，得到第一累加模值、第二累加模值和第三累加模值；
步骤7：选取所述第一累加模值、所述第二累加模值和所述第三累加模值中的最大值保留，记为最大累加值；
步骤8：当所述最大累加值大于预设阈值时，进行步骤11；当所述最大累加值小于预设阈值时，进行步骤9；
步骤9：步进移动多普勒频率，从多普勒频率的最小值至最大值；每步进移动一次就重复一次步骤3至8；
步骤10：将所述卫星数据的起始位置移动卫星数据主码长度的一半，重复步骤2至9；
步骤11：输出所述最大累加值对应的卫星码相位和卫星多普勒频率，捕获结束。
本发明进一步的改进在于：
所述卫星信号为北斗B1C信号或北斗B2a信号。
所述步骤2的具体方法为：
读取卫星信号主码长度的卫星数据，通过多普勒频率对卫星数据进行码相位补偿、载波相位补偿、去中频以及降采样，然后将卫星数据进行FFT，生成采样FFT序列。
当所述步骤5中的预设次数>100次时，所述步骤4中所述采样FFT序列进行1次正向循环移位；所述步骤5中所述采样FFT序列进行1次正向循环移位；当所述步骤5中的预设次数≤100次，所述步骤4中所述采样FFT序列进行1次或2次反向循环移位，所述步骤5中所述采样FFT序列进行1次或2次反向循环移位。
当卫星数据的码分辨率为1/4模式时，所述步骤8中步进移动的步进为180Hz。
当卫星数据的码分辨率为1/3模式时，所述步骤8中步进移动的步进分为第一步进和第二步进，第一步进和第二步进交替进行；第一步进为300Hz，第二步进为50Hz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过将采样FFT序列进行正向循环移位和反向循环移位，进而达到同时将多个多普勒频率进行捕获处理，即将多普勒频率进行串行处理，可以将数据读取中并行码捕获的范围放大，通过循环移动采样FFT序列代替部分多普勒步进值的移动，节约了40％以上的运算时间，从而极大提高了捕获速度，减少了首次定位时间，降低了跟踪失误的概率。
进一步的，本发明给出了一种从卫星数据到采样FFT序列的具体实现方法。
附图说明
图1为本发明的方法步骤流程框图；
图2为本发明的1/3码分辨率时的步进流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明一种卫星信号高灵敏度快速捕获方法，包括以下步骤：
步骤1：选定北斗卫星并生成对应的主码FFT序列，初始化多普勒频率；
步骤2：读取预设时长的北斗卫星信号的卫星数据，通过多普勒频率对卫星数据进行码相位补偿、载波相位补偿、去中频以及降采样，生成采样FFT序列；
其中：将卫星数据去中频的具体方法为，通过式(1)和(2)：
I(t)＝d(t)*cos(2πfIF+dopplert) (1)
Q(t)＝d(t)*sin(2πfIF+dopplert) (2)
其中：t为时间；I为I支路数据；Q为Q支路数据，Q支与I支路正交；fIF+doppler为中频频率附加上多普勒频率。
定点运算过程通过式(3)和(4)进行：
I(k)＝d(k)*cos_table(index_k) (3)
Q(k)＝d(k)*sin_table(index_k) (4)
其中：index_k为离散时间对应的cos表索引。通过载波步进模式，在正余弦表中根据索引计算出正余系数。
将卫星数据降采样的具体方法为：
根据卫星数据采样率与码速率的差别，将去载波后的数据以累加平滑的方式，将速率对准到码速率的两倍(三倍或四倍也可以，根据需求可以不一样)上，实现卫星数据降采样。
步骤3：将所述采样FFT序列取共轭后与所述主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第一模值；
步骤4：将所述采样FFT序列进行正向循环移位后取共轭，然后与主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第二模值；
步骤5：将所述采样FFT序列进行反向循环移位后取共轭，然后与主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第三模值；
步骤6：重复预设次数的步骤3至5，将得到的预设次数个的所述第一模值累加，预设次数个的所述第二模值累加，预设次数个的所述第三模值累加，得到第一累加模值、第二累加模值和第三累加模值；
步骤7：选取所述第一累加模值、第二累加模值和第三累加模值中的最大值保留，记为最大累加值；
步骤8：当最大累加值大于预设阈值时，进行步骤11；当最大累加值小于预设阈值时，进行步骤9；
步骤9：步进移动多普勒频率，从多普勒频率的最小值至最大值；每步进移动一次就重复一次步骤3至8；
步骤10：将所述步骤2中的卫星数据的起始位置移动卫星数据主码长度的一半，重复步骤2至9；
步骤11：输出最大累加值对应的卫星码相位和卫星多普勒频率，捕获结束。
本方法中的卫星信号可以选择为为北斗B1C信号或北斗B2a信号，但不以此为限，针对其他类似的信号，如GPS信号，本方法也可使用，只是效率上会有所不同。
由于多普勒偏差对预测码相位补偿的准确性的限制，当步骤6中的预设次数>100次时，步骤4中采样FFT序列进行1次正向循环移位；步骤5中采样FFT序列进行1次正向循环移位。当步骤6中的预设次数≤100次，步骤4中采样FFT序列进行2次反向循环移位，步骤5中采样FFT序列进行2次反向循环移位。虽然只是列举了1次或2次的循环移位，但并不以此为限。相较于1次循环移位，采样FFT序列进行2次反向循环移位可以进一步将数据读取中并行码捕获的范围放大，获得更快的捕获速度，但是捕获的精确度可能会略有下降。同样的，采样FFT序列也可以进行更多次数的循环移位，以获得更快的捕获速度。
通常来说，卫星数据的码分辨率为1/4模式，此时，步骤9中步进移动的步进为180Hz，每次读取数据可以覆盖180Hz范围。如果要加快运算速度，降低码分辩率，可以采用码分辩率1/3模式，当卫星数据的码分辨率为1/3模式时，参见图2，步骤8中步进移动的步进分为第一步进和第二步进，第一步进和第二步进交替进行；第一步进为300Hz，第二步进为50Hz。
实施例1
本实施例中，采用北斗三代B1C卫星数据，卫星数据数据功率：-143dBm，卫星数据采样率：65.476MHz，卫星数据中频：3.996MHz。捕获所用数据长度是800ms。对卫星号为PRN19的卫星连续捕获，采用间隔1秒连续累加，初始多普勒频率0Hz，结束多普勒频率2400Hz，频率步进180Hz；原有方法频率步进60Hz。原有捕获方法与现有快速捕获方法方案进行结果对比与运算时间对比。
实验结果如下：
表1 19号卫星现有方法捕获结果表
初始时间捕获时间(s) 比例值 多普勒频率(Hz) 码相位
000 7.09 2160 2720
001 8.00 2160 2723
002 7.19 2160 2726
003 7.04 2160 2729
004 7.22 2160 2731
005 7.89 2160 2734
006 7.38 2160 2737
007 7.07 2160 2740
008 7.25 2160 2743
009 7.34 2160 2745
表2 19号卫星本方法捕获结果表
初始时间捕获时间(s) 比例值 多普勒频率(Hz) 码相位
000 7.09 2160 2720
001 8.00 2160 2723
002 7.19 2160 2726
003 7.04 2160 2729
004 7.22 2160 2731
005 7.89 2160 2734
006 7.38 2160 2737
007 7.07 2160 2740
008 7.25 2160 2743
009 7.34 2160 2745
参见表1和2，原有方法与现有方法结果一致。码相位取1-40920，以1/4码片为最小单位，每经过1s，码相位增加3/4码片，符合多普勒频率2160Hz，每一秒多普勒偏移1.4(2160/1540＝1.4026)。比例值为最大累加值与累加值平均值的比例。原有捕获方法与现有快速捕获方法方案进行运算时间对比：现有方法的运算时间为31s，本方法的运算时间为19s。
实施例2
本实施例中，采用北斗三代B1C卫星数据，卫星数据数据功率：-143dBm，采样率：65.476MHz，中频：3.996MHz，捕获所用时间200ms。对卫星号为PRN58的卫星连续捕获，采用间隔1秒连续捕获，初始多普勒频率-4800Hz，结束多普勒频率+4800Hz，频率步进180Hz。同时对采用现有方案进行了对比。表3 58号卫星现有方法捕获结果表
初始时间捕获时间(s) 比例值 多普勒频率(Hz) 码相位
000 8.78 0718 15517
001 8.42 0718 15518
002 7.84 0718 15519
003 8.11 0718 15520
004 7.87 0718 15521
005 8.02 0718 15522
006 8.12 0718 15523
007 8.18 0718 15524
008 8.10 0718 15525
009 8.51 0718 15526
表4 58号卫星本方法捕获结果表
初始时间捕获时间(s) 比例值 多普勒频率(Hz) 码相位
000 8.34 0720 15517
001 8.50 0720 15518
002 8.10 0720 15519
003 7.91 0720 15520
004 8.29 0720 15521
005 8.21 0720 15522
006 8.09 0720 15523
007 8.76 0720 15524
008 8.00 0720 15525
009 8.73 0720 15526
参见表3和4，原有方法与高灵敏度快速捕获方法结果有细微差别，比例值有差别，但多普勒与码相位结果一致，稍微有一些差别之处在于718＝780-62；码相位取1-40920，以1/4码片为最小单位，每经过1s，码相位增加大约1/4码片，符合多普勒频率720Hz，每一秒多普勒偏移0.47(720/1540＝0.4675)。原有捕获方法与现有快速捕获方法方案进行运算时间对比：现有方法的运算时间为122s，本方法的运算为78s。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种卫星信号高灵敏度快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选定卫星并生成对应的主码FFT序列，初始化多普勒频率；
步骤2：读取卫星信号主码长度的卫星数据，并根据所述卫星数据生成采样FFT序列；
步骤3：将所述采样FFT序列取共轭后与所述主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第一模值；
步骤4：将所述采样FFT序列进行正向循环移位后取共轭，将共轭结果与所述主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第二模值；
步骤5：将所述采样FFT序列进行反向循环移位后取共轭，将共轭结果与所述主码FFT序列相乘，将相乘结果进行IFFT后取模，得到第三模值；
步骤6：重复预设次数的步骤3至5，将得到的预设次数个的所述第一模值累加，预设次数个的所述第二模值累加，预设次数个的所述第三模值累加，得到第一累加模值、第二累加模值和第三累加模值；
步骤7：选取所述第一累加模值、所述第二累加模值和所述第三累加模值中的最大值保留，记为最大累加值；
步骤8：当所述最大累加值大于预设阈值时，进行步骤11；当所述最大累加值小于预设阈值时，进行步骤9；
步骤9：步进移动多普勒频率，从多普勒频率的最小值至最大值；每步进移动一次就重复一次步骤3至8；
步骤10：将所述卫星数据的起始位置移动卫星数据主码长度的一半，重复步骤2至9；
步骤11：输出所述最大累加值对应的卫星码相位和卫星多普勒频率，捕获结束。
2.根据权利要求1所述的卫星信号高灵敏度快速捕获方法，其特征在于，所述卫星信号为北斗B1C信号或北斗B2a信号。
3.根据权利要求1所述的卫星信号高灵敏度快速捕获方法，其特征在于，所述步骤2的具体方法为：
读取卫星信号主码长度的卫星数据，通过多普勒频率对卫星数据进行码相位补偿、载波相位补偿、去中频以及降采样，然后将卫星数据进行FFT，生成采样FFT序列。
4.根据权利要求1所述的卫星信号高灵敏度快速捕获方法，其特征在于，当所述步骤5中的预设次数>100次时，所述步骤4中所述采样FFT序列进行1次正向循环移位；所述步骤5中所述采样FFT序列进行1次正向循环移位；当所述步骤5中的预设次数≤100次，所述步骤4中所述采样FFT序列进行1次或2次反向循环移位，所述步骤5中所述采样FFT序列进行1次或2次反向循环移位。
5.根据权利要求1所述的卫星信号高灵敏度快速捕获方法，其特征在于，当卫星数据的码分辨率为1/4模式时，所述步骤8中步进移动的步进为180Hz。
6.根据权利要求1所述的卫星信号高灵敏度快速捕获方法，其特征在于，当卫星数据的码分辨率为1/3模式时，所述步骤8中步进移动的步进分为第一步进和第二步进，第一步进和第二步进交替进行；第一步进为300Hz，第二步进为50Hz。
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