CN111399004B - 一种高动态高灵敏度gnss信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法，用于卫星导航信号捕获，利用相位累加器溢出位实现采样数据降采样后，通过并行补偿数据折叠相干累加方法，进一步压缩信号伪码搜索数据量，提高了处理效率和捕获速度，采用伪码多普勒补偿和两级加法器处理，完成多普勒和伪码码片二维相关值的非相干累加。本发明通过GNSS接收机飞行加速度计算出载波多普勒变化率，并结合载波多普勒值实现折叠相干累加中动态并行补偿，利用伪码多普勒实现非相干处理中伪码多普勒补偿。本发明作为GNSS接收机高动态高灵敏度快速捕获方法，同时适用于其他扩频信号捕获。

Description

一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法

技术领域

本申请涉及卫星应用技术领域，特别是涉及一种高动态高灵敏度GNSS(全球导航卫星系统)信号捕获方法。

背景技术

高动态高灵敏度GNSS信号捕获，主要是实现GNSS接收机在高动态、接收信号功率微弱的条件下实现导航信号快速捕获，是高动态高灵敏导航接收机中重要的一个环节。

高动态高灵敏导航接收机可用于此两类应用场景：(1)无论是中高轨空间飞行器，还是机弹载飞行器，都具有较大的飞行速度，飞行过程中会出现频繁的轨道机动，其频繁轨道机动和较大的空气阻力对卫星导航信号接收带来动应力影响；(2)卫星导航信号功率弱且电平差异大，对于中高轨飞行器，需要接收地球另一侧的导航星主瓣和旁瓣信号，信号电平一版低于常规导航定位应用场景15-30dB。对于临近空间机弹载飞行器来说，其飞行全过程中会受到严酷的热、声、振等复合环境的影响，面临从亚声速、跨声速、超声速到高超声速范围内的复杂问题，天线视场也会受姿态调整情况，导致接收信号功率降低，也需要解决高灵敏度导航信号接收处理问题。

高动态高灵敏度导航接收机的应用在高轨航天器和高速飞行器。高动态主要是由于用户高速运动造成的，主要考虑的因素是载波多普勒和伪码多普勒的影响。高灵敏度主要是要增加累积时间，主要通过相干积分与非相干积分方法实现。高动态与高灵敏度的结合就要必须考虑累积时间与多普勒补偿的均衡，同时还要具有快速捕获、资源消耗低的特点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法，本方法针对GNSS接收机高动态、接收信号功率微弱的工况下，实现导航信号快速捕获，提高导航信号的处理效率。

本发明的技术解决方案是：

一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法，包括以下步骤：

(1)针对模数转换(ADC)采样后的数字中频信号(IF)，首先去除中频载波，得到IQ两路基带信号。然后经过低通数字滤波器，限制信号带宽在GNSS伪码频谱主瓣宽度内，保证后面的采样数据抽取过程中混叠；

(2)利用相位累加器溢出位作为使能信号，完成采样数据抽取，实现采样数据降采样；

(3)将步骤(2)中的降采样后的数据连续交替存储在两个缓存中，形成乒乓缓冲数据结构，每个缓存数据长度等于伪码周期相干积分时间长度Num_coh，其值为N_coh×T×Clk_s，N_coh相干积分次数，T为伪码周期，Clk_s降采样数据速率；

步骤(1)～步骤(3)中工作时钟速度为采样时钟速率；

(4)读取步骤(3)中的某个缓存中降采样数据，根据GNSS接收机飞行加速度与待搜索的多普勒值，采用并行补偿数据折叠相干累加方法将Num_coh采样数据压缩为Num_coh/N_coh采样数据，即压缩后数据量为T×Clk_s；

针对T×Clk_s数据进行FFT计算，并与存储的伪码FFT结果共轭值相乘，然后完成IFFT计算，最终实现M个间隔为T×Clk_s/M码片的相关值并行搜索；

设置步骤(4)和步骤(5)中工作时钟值设置为P倍于步骤(1)～步骤(3)工作时钟，提高数据处理速度。因此，针对降采样抽取后的的T×Clk_s采样数据，可最多同时完成N_k×M(N_k为N_coh×P向下取整值)个多普勒频率搜索和码片相关值计算。多普勒频率搜索起点可设置，多普勒搜索范围N_k×f_bin，多普勒搜索间隔f_bin。

(5)将步骤(4)中N_k×M多普勒和伪码码片的相关结果进行缓存，按照步骤(1)～(4)连续处理步采样数据后，获得下一组N_k×M相关结果。将当前相关结果与前一组相关结果进行非相干累加，在累加过程中进行伪码多普勒补偿，并通过两级加法器，完成N_ncoh次非相干累加，并求出N_k×M中所有非相干累加结果之和，为信号捕获提供门限判据。

(6)若判断捕获未成功，则设置步骤(4)中下一个多普勒频率搜索起点，重新执行步骤(1)～步骤(5)。

进一步的，步骤(2)所述相位累加器带溢出位的方法，包括以下步骤：根据降采样频率设置频率控制字并送入相位累加器，在每个采样时钟周期内，频率控制字与前一个累加结果相加，当累加结果超过N位位宽表示范围，将会在第N+1位溢出，即N+1位置为1，在下一个时钟周期相位累加器完成累加操作后，第N+1的溢出位清零，此溢出位为单时钟周期使能信号；

采用相位累加器溢出位作为抽样使能信号，可实现采样数据率与降采样数据率为非整数倍关系，保证降采样后数据率在一个码周期T内的采样点数为2ⁿ，易于后续快速傅里叶变换处理；

所述的频率控制字是根据采样频率和降采样频率以及相位累加器位宽N计算获得。

优选的，步骤(4)所述的并行补偿数据折叠相干累加方法，包括以下步骤：针对降采样后的N_coh组T×Clk_s的采样数据，与多普勒和相位补偿后的N_coh组NCO生成的、长度为T×Clk_s载波信号并行相乘；

所述并行N_coh组NCO的输出载波频率和起始相位需动态补偿，具体补偿方法：将GNSS接收机飞行加速度投影到接收机与导航星方向，计算得出的载波多普勒变化率f_a，并根据待搜索多普勒f_{carr_dop}加上补偿f_a/N_i值，设置第i路NCO输出载波频率，记作f_{carr_dop}+f_a/N_i，N_i＝1,2，……N_coh；同时，针对第i路NCO输出载波的起始相位，需要补偿上待搜索多普勒和多频率变化率带来的相位变化，补偿值为(n_k×f_bin+f_a)×(N_i-1)×T，n_k＝0，1,……N_k-1；

所述NCO可通过频率控制字对生成的载波频率进行设置，可以通过相位控制字对生成的载波起相位变化进行设置。

进一步的，步骤(5)中所述非相干累加方法，包括伪码多普勒进行补偿和两级加法单元，其中：

所述码多普勒补偿，其过程为：当前与上一组共两组N_k×M二维相关结果，取模后平方，然后根据伪码多普勒进行补偿，再对应相加过程中；具体实现方法为：针对第n_ncoh+1组N_k×M二维数据，n_ncoh＝1,2，……，N_ncoh，其第n_k+1行与n_ncoh组第n_k+1行对应相加，第n_ncoh+1组二维数据的第n_k+1行第m列与第n_ncoh组二维数据的第n_k+1行中m+a列相加，a为j+d结果与M取余数，m＝1,2，……M，d为伪码多普勒值补偿值，d取值为(f_{code_dop}×N_coh×n_ncoh×M)/Clk_s结果的四舍五入与M取余数取，f_{code_dop}为伪码多普勒；

所述的两级加法器单元，第一级加法器实现N_k×M结果对应相加过程，第二级加法器实现第一级相加结果累加运算，实现所有N_k×M二维结果求和。

本发明提供的一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法，应用于导航接收器，利用相位累加器溢出信号实现采样数据降采样后，通过并行补偿数据折叠相干累加方法，进一步压缩信号伪码搜索数据量，提供了处理效率和捕获速度；根据接收机飞行动态和多普勒值，完成折叠相干累加载波频率和相位动态补偿，根据伪码多普勒实现非相干累加过程中伪码多普勒补偿，可同时适应高动态或高灵敏度的应用场景，有效降低了导航信号的捕获时间，提高了导航信号的捕获效率。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明相位累加器溢出信号实现框图；

图3为本发明并行补偿数据折叠相干累加方法流程图；

图4为本发明非相干累加处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法，过程如图1所示，针对接收机射频输出的中频模拟信号，通过模数转换(ADC)，完成中频信号数据采样，然后与本地NCO生成的载波相乘，得到IQ两路基带信号。然后经过低通数字滤波器，限制信号带宽在GNSS伪码频谱主瓣宽度内，保证后面的采样数据抽取过程中混叠。低通滤波器可用选用FIR低通滤波器，以GPS L1 C/A码为例，滤波器倒带宽可以选择2MHz。

为降低处理数据量，将低通滤波后的数据进行采样抽取，实现降采样。在降采样过程中，采用带溢出位的相位累加器方法，生成用于降采样抽取时刻的使能信号，如图2所示，在每个采样时钟周期内，频率控制字与前一个累加结果相加，当累加结果超过N位位宽表示范围，将会在第N+1位溢出，即N+1位置为1，在下一个时钟周期相位累加器完成累加操作后，第N+1的溢出位清零，此溢出位为单时钟周期使能信号，利用此使能信号完成采样数据抽取，实现采样数据降采样。本发明中，N位降采样后频率控制字设置计算公式为：

其中，Clk_sf_down为降采样数据频率，f_clk为工作时钟，N为相位累加器位宽。

降采样数据需要交替存入两个数据缓存中，形成乒乓缓冲数据结构，每个缓存数据的时间长度等于相干积分时间长度，记作N_coh×T×Clk_s，T为伪码周期，N_coh相干积分次数，Clk_s降采样数据速率。

发明中并行补偿数据折叠相干累加方法，读取数据缓冲中N_coh×T×Clk_s采样数据，压缩为T×Clk_s采样数据，如图3所示。其中，需要N_coh个NCO并行生成载波信号，根据GNSS接收机飞行加速度，并将将加速度值投影到接收机与导航星方向，并转换为多普勒变化率f_a，每路NCO输出的载波频率值补偿值为f_{carr_dop}+f_a/N_i。

由于采用了N_coh个并行的NCO输出的载波，需要针对输出载波起始时刻的相位值进行补偿，保证N_coh个载波信号在相位上连续的，相位补偿值为(n_k×f_bin+f_a)×(N_i-1)×T。

所述的并行补偿数据折叠相干累加方法中，NCO可以对频率补偿值和相位补偿值进行设置。

针对微弱信号的高灵敏度捕获方法，首先要增加相干积分时间，本方明中尽管相干积分时间为N_coh×T，提高了10×log N_coh dB信号处理增益，但是经过数据折叠后数据量并没有增加N_coh倍，大大降低了伪码搜索数据处理资源，提高了处理效率。

针对折叠相干累加后的T×Clk_s数据进行伪码相关搜索，可采用基于FFT/IFFT的并行码相位搜索方式，其过程为：对T×Clk_s数据进行FFT计算，并与存储的伪码FFT结果共轭值进行相乘，再完成IFFT计算，获得所有伪码码片的相关值，实现M个间隔为T×Clk_s/M码片的相关值并行搜索。

为提高捕获速度，在本发明中通过提高工作时钟方式，来提高捕获速度。在降采用抽取数据缓存后，时钟速率提高P倍，这样针对缓存数据中N_coh×T×Clk_s采样数据，可以采用高速时钟处理，在N_coh×T时间内，可最多同时完成N_k×M(N_k为N_coh×P向下取整值)个多普勒频率搜索和码片相关值计算，实现了载波多普勒和伪码码片快速搜索。

为了避免导航电文变化影响相干积分累加增益，在GNSS信号捕获中，一般会采用非相干积分来进一步提高信号处理增益，并且避免电文跳变的影响。因此，针对N_k×M多普勒与伪码码片的相关结果进行N_ncoh次非相干累加，具体过程如图4所示，具体为：

当前与上一组共两组N_k×M二维相关结果，取模后平方，然后根据伪码多普勒进行补偿，再对应相加过程中，其过程为：当前与上一组共两组N_k×M二维相关结果，取模后平方，然后根据伪码多普勒进行补偿，再对应相加过程中。具体实现方法为：针对第n_ncoh+1组N_k×M二维数据，n_ncoh＝1,2，……，N_ncoh，其第n_k+1行与n_ncoh组第n_k+1行对应相加，第n_ncoh+1组二维数据的第n_k+1行第m列与第n_ncoh组二维数据的第n_k+1行中m+a列相加，a为j+d结果与M取余数，m＝1,2，……M，d为伪码多普勒值补偿值，d取值为(f_{code_dop}×N_coh×n_ncoh×M)/Clk_s结果的四舍五入与M取余数取，f_{code_dop}为伪码多普勒。

在完成N_ncoh次非相干累加后，GNSS接收机需要根据非相干累加后结果，判断其最大值是否超过捕获门限阈值，来确定是否完成捕获。在本发明中非相干累加过程中，除了采用一级加法器实现N_ncoh次N_k×M结果非相干累加外，还利用了第二级加法器非相干累加结果求和，将求和结果减去最大值后取平均，最为设定捕获门限阈值的依据。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何书须本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上作进一步的改进和变化。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)针对模数转换采样后的数字中频信号，首先去除中频载波，得到IQ两路基带信号；然后经过低通数字滤波器，限制信号带宽在GNSS伪码频谱主瓣宽度内；

(2)利用相位累加器溢出位作为使能信号，完成采样数据抽取，实现采样数据降采样；

(3)将步骤(2)中的降采样后的数据连续交替存储在两个缓存中，形成乒乓缓冲数据结构，每个缓存数据长度等于伪码周期相干积分时间长度Num_coh，其值为N_coh×T×Clk_s，N_coh为相干积分次数，T为伪码周期，Clk_s为降采样数据速率；

步骤(1)～步骤(3)中工作时钟速度为采样时钟速率；

(4)读取步骤(3)中的某个缓存中降采样数据，根据GNSS接收机飞行加速度与待搜索的多普勒值，采用并行补偿数据折叠相干累加方法将Num_coh采样数据压缩为Num_coh/N_coh采样数据，即压缩后数据量为T×Clk_s；

针对T×Clk_s数据进行FFT计算，并与存储的伪码FFT结果共轭值相乘，然后完成IFFT计算，最终实现M个间隔为T×Clk_s/M码片的相关值并行搜索；

设置步骤(4)和步骤(5)中工作时钟值为步骤(1)～步骤(3)工作时钟的P倍，提高数据处理速度；因此，针对降采样抽取后的T×Clk_s采样数据，可最多同时完成N_k×M个多普勒频率搜索和码片相关值计算，N_k为N_coh×P向下取整值；多普勒搜索范围N_k×f_bin，多普勒搜索间隔f_bin；

步骤(4)所述的并行补偿数据折叠相干累加方法，包括以下步骤：针对降采样后的N_coh组T×Clk_s的采样数据，与多普勒和相位补偿后的N_coh组NCO生成的、长度为T×Clk_s载波信号并行相乘；

所述并行N_coh组NCO的输出载波频率和起始相位需动态补偿，具体补偿方法：将GNSS接收机飞行加速度投影到接收机与导航星方向，计算得出的载波多普勒变化率为f_a，并根据待搜索多普勒f_{carr_dop}加上补偿f_a/N_i值，设置第i路NCO输出载波频率，记作f_{carr_dop}+f_a/N_i，N_i＝1,2，……N_coh；同时，针对第i路NCO输出载波的起始相位，需要补偿上待搜索多普勒和多普勒变化率带来的相位变化，补偿值为(n_k×f_bin+f_a)×(N_i-1)×T，n_k＝0，1,……N_k-1；

所述NCO通过频率控制字对生成的载波频率进行设置，通过相位控制字对生成的载波起相位变化进行设置；

(5)将步骤(4)中N_k×M多普勒和伪码码片的相关结果进行缓存，按照步骤(1)～(4)连续处理采样数据后，获得下一组N_k×M相关结果；将当前相关结果与前一组相关结果进行非相干累加，在累加过程中进行伪码多普勒补偿，并通过两级加法器，完成N_ncoh次非相干累加，并求出N_k×M中所有非相干累加结果之和，为信号捕获提供门限判据；

(6)若判断捕获未成功，则设置步骤(4)中下一个多普勒频率搜索起点，重新执行步骤(1)～步骤(5)。

2.根据权利要求1所述的一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法，其特征在于，步骤(2)所述相位累加器溢出位的方法，包括以下步骤：根据降采样频率设置频率控制字并送入相位累加器，在每个采样时钟周期内，频率控制字与前一个累加结果相加，当累加结果超过N位位宽表示范围，将会在第N+1位溢出，即N+1位置为1，在下一个时钟周期相位累加器完成累加操作后，第N+1的溢出位清零，此溢出位为单时钟周期使能信号；

采用相位累加器溢出位作为抽取使能信号，可实现采样数据率与降采样数据率为非整数倍关系，保证降采样后数据率在一个码周期T内的采样点数为2ⁿ，易于后续快速傅里叶变换处理；

所述的频率控制字是根据采样频率和降采样频率以及相位累加器位宽N计算获得。

3.根据权利要求1所述的一种高动态高灵敏度GNSS信号捕获方法，其特征在于，步骤(5)中所述非相干累加方法，包括伪码多普勒补偿和两级加法单元，其中：

所述伪码多普勒补偿，其过程为：当前与上一组共两组N_k×M二维相关结果，取模后平方，然后根据伪码多普勒进行补偿，再对应相加过程中；具体实现方法为：针对第n_ncoh+1组N_k×M二维数据，n_ncoh＝1,2，……，N_ncoh，其第n_k+1行与n_ncoh组第n_k+1行对应相加，n_k＝0，1,……N_k-1；第n_ncoh+1组二维数据的第n_k+1行第m列与第n_ncoh组二维数据的第n_k+1行中m+a列相加，a根据码多普勒补偿值计算得出，m＝1,2，……M；

所述的两级加法器单元，第一级加法器实现N_k×M结果对应相加过程，第二级加法器实现第一级相加结果累加运算，实现所有N_k×M二维结果求和。

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