CN110737003B - 跳时信号捕获装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种伪卫星跳时信号捕获方法和装置。根据本申请的伪卫星跳时信号捕获方法包括：捕获来自多个伪卫星的多个跳时信号中的至少一个跳时信号，以辅助捕获所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号。根据本申请的实施方式，充分考虑了不同伪卫星信号之间的内在联系，捕获多个跳时信号中的至少一个跳时信号，以辅助捕获多个跳时信号中的其他跳时信号，不仅解决了跳时信号的远近问题，而且降低了信号捕获的复杂度，极大地提高了接收机的捕获灵敏度。

Description

跳时信号捕获装置和方法

技术领域

本申请涉及导航技术领域，具体地，涉及跳时信号捕获装置和方法。

背景技术

传统的卫星导航系统中，导航卫星采用直接序列扩频(DSSS)信号，所有卫星通过采用不同的扩频码以码分多址复用(CDMA)的形式同时在相同的载波频率上发射信号。

伪卫星系统很大程度上沿用了传统GNSS系统的直接序列扩频信号，不过由于伪卫星系统用户与各个伪卫星间的距离可能存在较大不同，因此会产生严重的远近效应问题，无法仅依靠码分多址的方式来区分出较弱信号。为了解决这一问题，在伪卫星系统在传统GNSS信号的基础上又引入了跳时脉冲发射机制，即采用了一种直接序列扩频-跳时信号(TH-DSSS)体制。

虽然跳时信号采用了脉冲发射机制来缓解远近问题，不过由于捕获过程需要在一定范围内进行搜索，相邻时隙内的信号依然会干扰捕获结果。而且由于信号传播距离的差异，相邻时隙内的信号可能发生碰撞。这些现象使得在捕获弱信号时，捕获概率较低。

发明内容

本申请的目的是提供一种跳时信号捕获装置和方法。

根据本申请的一个方面，提供了一种跳时信号捕获方法，包括：捕获来自多个伪卫星的多个跳时信号中的至少一个跳时信号，以辅助捕获所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号。

根据本申请的另一个方面，提供了一种跳时信号捕获装置，其中，所述捕获装置捕获来自多个伪卫星的多个跳时信号中的至少一个跳时信号，以辅助捕获所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号。

根据本申请的跳时信号捕获装置和方法，克服了现有技术中的偏见，充分考虑了不同伪卫星信号之间的内在联系，捕获多个跳时信号中的至少一个跳时信号，以辅助捕获多个跳时信号中的其他跳时信号，不仅解决了跳时信号的远近问题，而且降低了信号捕获的复杂度，极大地提高了接收机的捕获灵敏度。

附图说明

图1示出了某一颗伪卫星发射的脉冲信号的示意图。

图2示出了不同伪卫星信号之间存在的信号混叠示意图。

图3示出了根据本申请的一种实施方式的跳时信号捕获方法示意图。

图4示出了根据本申请的另一种实施方式的跳时信号捕获方法示意图。

图5示出了根据本申请的一种实施方式的跳时信号捕获装置的示意图。

图6示出了根据本申请的另一种实施方式的跳时信号捕获装置的示意图。

图7示出了根据本申请的另一种实施方式的本地复现综合跳时脉冲的示意图。

图8示出了根据本申请的一种实施方式将综合扩频码信号与接收信号进行相关运算获得的相关结果示意图。

图9示出了根据本申请的一种实施方式的跳时码表的示意图。

图10示出了根据本申请的一种实施方式对某一个尚未捕获的跳时信号进行捕获的方法示意图。

图11示出了根据本申请的一种实施方式利用强制清零法来实现干扰消除的方法示意图。

图12示出了根据本申请的一种实施方式利用干扰对消法来实现干扰消除的方法示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本申请公开的跳时信号捕获装置和方法进行详细说明。为简明起见，本申请各实施例的说明中，相同或类似的装置使用了相同或相似的附图标记。

图1示出了某一颗伪卫星发射的直接序列扩频脉冲信号。伪卫星系统的直接序列扩频-跳时信号体制是指，将伪卫星信号划分成连续的持续时间为T_p的信号帧，而一个信号帧又被平均分为若干个脉冲时隙，伪卫星系统中的每一颗伪卫星仅在一个完整的信号帧内的某个脉冲时隙发射直接序列扩频脉冲信号。这样，在一个发射周期内，不同的伪卫星将占用不同的脉冲时隙。同时，为了防止某颗伪卫星的脉冲信号的周期出现对定位信号频谱产生影响而造成接收机误锁的问题，伪卫星设计者会为每颗伪卫星都预设一个伪随机的跳时序列，以标定该卫星发射脉冲信号的时隙。在跳时信号体制下，每一颗伪卫星都将按照跳时序列指示的时隙，以一种近似随机的间隔来发射脉冲信号。

虽然伪卫星所采用的跳时信号体制可以确保不同的伪卫星在脉冲发射时刻上严格正交。但是由于信号从各伪卫星基站到用户所经历的传播延迟不同，因此对用户而言，不同伪卫星信号间还是存在明显的混叠的，如图2所示。此外，不同的传播距离也使不同伪卫星信号强度可能存在几十dB的差异从而造成远近问题，这都使得系统内较弱的伪卫星信号变得难以捕获，而现有的方法都无法解决这一问题。

根据本申请的一种实施方式，公开了一种伪卫星跳时信号捕获方法。图3示出了根据本申请的一种实施方式的伪卫星跳时信号捕获方法示意图。如图3所示，在S110中，捕获来自多个伪卫星的多个跳时信号中的至少一个跳时信号；以及在S120中，辅助捕获所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号。

图4示出了根据本申请的另一种实施方式的伪卫星跳时信号捕获方法示意图。如图4所示，在S210中，可以接收来自多个伪卫星的多个跳时信号；在S220中，捕获多个跳时信号中的至少一个跳时信号作为索引跳时信号。定位系统所采用的扩频码一般拥有20dB以上的互相关余量，即使系统存在由传播距离不同所造成的信号混叠，这种混叠对一个强信号而言是不足以影响其捕获的。因此，即使存在远近问题，接收机仍然可以成功捕获至少一个强信号进行捕获，作为索引跳时信号。

在捕获到索引跳时信号后，在S230中，可以根据索引跳时信号的跳时脉冲位置信息、以及各跳时信号的跳时图样先验信息，确定所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号的搜索位置区间。

在S240中，在每一个尚未捕获的跳时信号的搜索位置区间捕获相应的尚未捕获的跳时信号。

现有的跳时信号捕获算法都是单独捕获各个伪卫星信号，针对每一个伪卫星信号都需要采用分格的方式遍历搜索。根据本申请的实施方式，克服了现有技术中的偏见，充分考虑了不同伪卫星信号之间的内在联系，捕获多个跳时信号中的至少一个跳时信号作为索引信号，辅助捕获多个跳时信号中的其他尚未捕获的跳时信号，不仅解决了跳时信号的远近问题，而且降低了信号捕获的复杂度，简化了其他尚未捕获跳时信号的捕获过程，极大地提高了接收机的捕获灵敏度。

根据本申请的一种实施方式，公开了一种伪卫星跳时信号捕获装置，该捕获装置捕获来自多个伪卫星的多个跳时信号中的至少一个跳时信号，以辅助捕获所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号。如图5所示，捕获装置包括接收单元10和捕获单元20。接收单元10接收来自多个伪卫星的多个跳时信号。捕获单元20捕获多个跳时信号中的至少一个跳时信号作为索引跳时信号。捕获单元20还根据索引跳时信号的跳时脉冲位置信息、以及各跳时信号的跳时图样先验信息，确定所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号的搜索位置区间，以捕获尚未捕获的跳时信号。

根据一种实施方式，如图6所示，捕获单元20可以进一步包括本地复现模块21、处理模块22、以及存储跳时图样先验信息的存储模块23。

接收机冷启动后，捕获装置即进入索引信号捕获阶段。捕获装置的接收单元接收来自多个伪卫星的多个跳时信号，并捕获所述多个跳时信号中的至少一个跳时信号。索引信号可以是最强信号也可以是其他任意可以成功捕获的信号。

由于接收机开始阶段并不知道当前各个信号的强度，也无法判断哪个信号可以正常捕获，根据本申请的一种实施例，可以通过捕获单元逐个信号捕获，直到成功捕获到一个信号，即可以作为索引信号。

根据本申请的另一种实施例，还提出了一种能够快速捕获到索引信号的方法。捕获单元20的本地复现模块21可以本地复现综合跳时脉冲。综合跳时脉冲由所接收到的多个跳时信号的每一个跳时信号的跳时脉冲累加得到。如图7所示，捕获单元的本地复现模块21可以在本地复现所有跳时信号的跳时脉冲，并将各个跳时脉冲在一个脉冲时隙累加得到综合跳时脉冲。跳时脉冲可以不包含多普勒偏移(即一个扩频码周期的扩频码信号)或者包含多普勒偏移。

捕获单元20的处理模块22将综合跳时脉冲与接收信号进行相关运算，获得总体相关结果，根据总体相关结果中各相关峰的峰值挑选至少一个相关峰，以捕获所述至少一个相关峰所对应的至少一个跳时信号作为索引信号。可以理解，强信号的捕获不会受到弱信号的影响，因此根据本实施方式，通过构建综合跳时脉冲，其中综合跳时脉冲由所接收到的多个跳时信号的每一个跳时信号的跳时脉冲累加得到，从而无需逐个信号搜索，仅一次搜索即可正常捕获至少一个强信号，作为索引信号。

处理模块22将本地复现的综合跳时脉冲与接收信号做循环卷积。根据跳时信号的特性可知，为了保证对于工作基站，均至少能接收到一个脉冲信号，接收机可以对两个信号帧长度的接收信号进行循环卷积。图8示出了根据本申请的一种实施方式将综合扩频码信号与接收信号进行相关运算获得的相关结果示意图。在检测到一个最大相关峰后，即记录其所对应的采样点位置，也就是最强脉冲出现的位置pi₀ ^ndex。将找到的最强脉冲与对应不同扩频码编号的扩频码信号做相关，找到最大相关值对应的扩频码编号，即确定了最强脉冲对应的扩频码编号。此后以pi₀ ^ndex为初始位置，逐时隙检测是否有新的脉冲。检测出新脉冲以后即计算相邻脉冲间的时隙间隔，并根据该时隙间隔判断当前跳时信号的跳时脉冲位置信息。这样，就可以联合多个时隙的跳时脉冲，估计当前跳时信号的多普勒偏移，从而成功捕获接收到的多个跳时信号中的至少一个跳时信号，作为索引跳时信号。

在成功捕获了索引跳时信号后，捕获单元20能够根据索引跳时信号的跳时脉冲位置信息、以及存储在存储模块23中的各跳时信号的跳时图样先验信息，确定所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号的搜索位置区间。对于每一个尚未捕获的跳时信号：接收机本地复现该跳时信号的跳时脉冲，将本地复现的该跳时信号的跳时脉冲与所确定的该跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间内的接收信号进行相关运算，根据相关峰值捕获所述区间内的该跳时信号。

如图9所示，跳时信号的跳时图样先验信息例如可以以跳时码表的形式存储。接收机可以根据所述索引跳时信号的跳时脉冲位置信息，与跳时码表进行匹配，确定每一个尚未捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间。

图10示出了根据本申请的一种实施方式对某一个尚未捕获的跳时信号(待捕获跳时信号)进行捕获的方法示意图。

在S310中，可以根据所获得的索引信号的跳时脉冲位置信息，与跳时码表进行匹配，确定索引信号的信号帧的起始位置。

在S320中，根据索引信号的信号帧的起始位置和待捕获跳时信号的跳时先验信息确定待捕获跳时信号所对应的跳时脉冲位置。系统内各伪卫星间是时间同步的，可以根据所获得的索引信号的跳时脉冲位置信息，与跳时码表进行匹配，确定待捕获跳时信号的跳时脉冲出现的时隙，根据待捕获跳时信号的跳时脉冲出现的时隙和当前信号帧的起始位置，能够确定待捕获跳时信号的跳时脉冲可能出现的理论位置p_poss。

鉴于各跳时信号的传播延迟不同，跳时脉冲真实的位置可能在p_poss附近一定范围内。在S330中，可以根据待捕获跳时信号的跳时脉冲出现的理论位置p_poss，确定待捕获跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间。例如，考虑到传播距离不同使不同信号间最多存在ΔN点的混叠，因此当前待捕信号出现在搜索位置区间[p_poss-ΔN，P_poss+ΔN]内的任一位置。取出[p_poss-ΔN，P_poss+ΔN]点的信号，与本地复现码做循环卷积处理。其中，混叠区间长度ΔN点可以由极限位置下信号混叠时长及接收机采样率确定。

在S340中，接收机可以本地复现该待捕获跳时信号的跳时脉冲。接收机可以将本地复现的待捕获跳时信号的跳时脉冲与所确定的该跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间内的接收信号进行相关运算，根据相关峰值捕获所述区间内的该跳时信号。接收机可以根据相关运算结果找出最大相关峰，并记录最大相关峰对应的位置p₀。此后，以p₀为初始位置，依据跳时码表确定后续跳时脉冲的位置，并在该位置处进行相关峰检测。若连续几个位置上均检测到相关峰，则认为检测到跳时信号。可以估计该跳时信号的多普勒偏移，即成功捕获该跳时信号。

可以理解，由于采用索引信号进行索引，根据跳时信号的跳时图样先验信息，接收机能够确定待捕获跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间，因此接收机只需本地复现该跳时信号的跳时脉冲，并在该搜索位置区间与接收信号做相关运算。这样，就可以有目的性地检测脉冲，而不必类似现有技术中针对每一个伪卫星信号都采用分格的方式遍历搜索，因此可以用很少的计算量快速捕获其余信号，极大降低了信号捕获的复杂度。

存在一种可能性，即，相对较弱的跳时信号有可能受到临近时隙强跳时信号的干扰，而不能被成功捕获出来。根据本申请的一种实施方式，如果存在不能成功捕获的跳时信号，则在所述不能成功捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲位置区间，通过干扰消除方法将所述跳时脉冲位置区间内已捕获的跳时信号消除后，再针对所述不能成功捕获的跳时信号进行捕获。

根据一种实施例，可以采用强制清零法来实现干扰消除。根据本申请，根据之前的捕获的结果、以及各跳时信号的跳时图样先验信息(例如，伪卫星跳时码表)，可以知道接收到的信号内哪些位置存在有强跳时信号的跳时脉冲。为了防止这些已经被成功捕获的强跳时信号对继续捕获弱跳时信号造成影响，可以将这些存在强跳时信号的跳时脉冲的位置全部清“0”。然后对新得到的清“0”后的信号进行捕获，就可以避免强跳时信号所带来的影响，成功检测出弱跳时信号了。

对信号进行强制清零是将这些位置上信息全部抹去，包括混叠在其中的部分待捕弱信号的信息，如图11所示。因此在捕获过程中，用清零后的信号与本地复现信号做相关，计算量小，但是将弱信号中的保留部分与复现信号做部分相关，会存在一定的相关损失。如果两信号间的混叠比较大(例如，接近1时)，则会带来较高的相关损失，此时也会导致信号难以捕获。

由于对于成功捕获的信号一般也可以良好跟踪，这样就可以从跟踪环路获取详细信号参数，从而能够准确复现出这些已经成功捕获跳时信号。根据另一种实施例，如图12所示，可以采用干扰对消的方法来实现干扰消除，即，在不能成功捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲位置区间，反向抵消该跳时脉冲位置区间内已捕获的跳时信号的跳时脉冲，再针对所述不能成功捕获的跳时信号进行捕获。采用干扰对消方法不但可以消除其他已捕跳时信号所带来的影响，而且能在最大程度保留强脉冲混叠在一起的弱跳时信号，经过干扰对消后，信号中除了待捕获的弱跳时信号以外只存在系统噪声，没有其他因素可以干扰信号的正常捕获。

完成对强跳时信号的消除以后，即可以开始捕获弱跳时信号。此时经过干扰消除处理后，就消除了强信号对弱信号的影响，因此就可以利用根据索引跳时信号的跳时脉冲位置信息、以及各跳时信号的跳时图样先验信息，捕获该弱跳时信号。

以上参考附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (13)

1.一种跳时信号捕获方法，包括：

接收来自多个伪卫星的多个跳时信号；

捕获所述多个跳时信号中的至少一个跳时信号作为索引跳时信号；

将所述索引跳时信号的跳时脉冲位置信息与各跳时信号的跳时图样先验信息进行匹配，以确定所述多个跳时信号中每一个尚未捕获的跳时信号的搜索位置区间；以及

在每一个尚未捕获的跳时信号的搜索位置区间捕获相应的尚未捕获的跳时信号。

2.如权利要求1所述的捕获方法，包括：

本地复现综合跳时脉冲，所述综合跳时脉冲由所接收到的多个跳时信号的每一个跳时信号的跳时脉冲累加得到；以及

将所述综合跳时脉冲与接收信号进行相关运算，获得总体相关结果，根据总体相关结果中各相关峰的峰值挑选至少一个相关峰，以捕获所述至少一个相关峰所对应的至少一个跳时信号作为索引跳时信号。

3.如权利要求1所述的捕获方法，包括：

根据所述索引跳时信号的跳时脉冲位置信息、以及各跳时信号的跳时图样先验信息，确定每一个尚未捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间；以及

对于每一个尚未捕获的跳时信号：

本地复现所述跳时信号的跳时脉冲；

将所述本地复现的所述跳时信号的跳时脉冲与所确定的所述跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间内的接收信号进行相关运算；以及

根据相关峰值捕获所述区间内的所述跳时信号。

4.如权利要求3所述的捕获方法，包括：如果存在不能成功捕获的跳时信号，则在所述不能成功捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间，通过干扰消除方法将所述跳时脉冲搜索位置区间内已捕获的跳时信号消除后，再针对所述不能成功捕获的跳时信号进行捕获。

5.如权利要求4所述的捕获方法，其中，所述干扰消除方法包括：

在所述不能成功捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间，将所述跳时脉冲搜索位置区间内已捕获的跳时信号强制清零，再针对所述不能成功捕获的跳时信号进行捕获。

6.如权利要求4所述的捕获方法，其中，所述干扰消除方法包括：

在所述不能成功捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间，反向抵消所述跳时脉冲搜索位置区间内已捕获的跳时信号，再针对所述不能成功捕获的跳时信号进行捕获。

7.一种跳时信号捕获装置，包括：

接收单元，接收来自多个伪卫星的多个跳时信号；以及

捕获单元，捕获所述多个跳时信号中的至少一个跳时信号作为索引跳时信号，将所述索引跳时信号的跳时脉冲位置信息与各跳时信号的跳时图样先验信息进行匹配以确定所述多个跳时信号中尚未捕获的跳时信号的搜索位置区间，在每一个尚未捕获的跳时信号的搜索位置区间捕获相应的尚未捕获的跳时信号。

8.如权利要求7所述的捕获装置，其中，所述捕获单元包括本地复现模块、处理模块、以及存储跳时图样先验信息的存储模块。

9.如权利要求8所述的捕获装置，其中，

所述本地复现模块本地复现综合跳时脉冲，所述综合跳时脉冲由所接收到的多个跳时信号的每一个跳时信号的跳时脉冲累加得到；以及

所述处理模块将所述综合跳时脉冲与接收信号进行相关运算，获得总体相关结果，根据总体相关结果中各相关峰的峰值挑选至少一个相关峰，以捕获所述至少一个相关峰所对应的至少一个跳时信号作为索引跳时信号。

10.如权利要求8所述的捕获装置，其中，

所述处理模块将所述索引跳时信号的跳时脉冲位置信息与所述存储模块中存储的各跳时信号的跳时图样先验信息进行匹配，以确定每一个尚未捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间；以及

对于每一个尚未捕获的跳时信号：

所述本地复现模块本地复现所述跳时信号的跳时脉冲；以及

所述处理模块将所述本地复现的所述跳时信号的跳时脉冲与所确定的所述跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间内的接收信号进行相关运算，根据相关峰值捕获所述区间内的所述跳时信号。

11.如权利要求10所述的捕获装置，其中，如果存在不能成功捕获的跳时信号，则所述处理模块在所述不能成功捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间，通过干扰消除方法将所述跳时脉冲搜索位置区间内已捕获的跳时信号消除后，再针对所述不能成功捕获的跳时信号进行捕获。

12.如权利要求11所述的捕获装置，其中，在所述不能成功捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间，所述处理模块将所述跳时脉冲搜索位置区间内已捕获的跳时信号强制清零，再针对所述不能成功捕获的跳时信号进行捕获。

13.如权利要求11所述的捕获装置，其中，在所述不能成功捕获的跳时信号所对应的跳时脉冲搜索位置区间，所述处理模块将所述跳时脉冲搜索位置区间内已捕获的跳时信号进行反向抵消，再针对所述不能成功捕获的跳时信号进行捕获。

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