CN111796305A - 一种高动态导航卫星信号接收方法及接收机 - Google Patents

一种高动态导航卫星信号接收方法及接收机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高动态导航卫星信号接收方法及接收机，属于卫星导航技术领域；方法包括导航卫星信号的捕获和跟踪步骤，在捕获步骤的匹配滤波算法中，通过对降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加、FFT扫频、非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号，并获得卫星信号的多普勒频率；在跟踪步骤的跟踪通道建立中，建立双跟踪通道，分别对捕获的多普勒频率和对所述多普勒频率进行去折叠后的频率进行跟踪，对两通道的跟踪结果进行信噪比估计，选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。本发明可以实现在传统接收机占用资源相同的情况下，信号多普勒捕获能力扩大一倍，有效提升高动态信号接收处理能力。

Description

一种高动态导航卫星信号接收方法及接收机
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其是一种高动态导航卫星信号接收方法及接收机。
背景技术
对于高动态情况下的导航卫星信号的接收和处理，卫星信号的多普勒范围要更大。现有技术中通过扩大FFT扫频的范围来实现对多普勒频率进行捕获，但扩大FFT扫频的范围，会大大增加后续非相干累加的数据量，需要更多的计算资源，使接收机的功耗、体积和成本上升。因此，在接收机功耗体积成本有严格的要求的情况下，现有的导航卫星接收处理方法不能满足对高动态导航卫星信号的接收和处理。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高动态导航卫星信号接收方法及接收机；用于解决高动态导航卫星信号接收多普勒频率大带来的接收处理问题。
本发明公开了一种高动态导航卫星信号接收方法，包括导航卫星信号的捕获和跟踪步骤；
在捕获步骤的匹配滤波算法中，通过对降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加、FFT扫频、非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号，并获得卫星信号的多普勒频率；
在跟踪步骤的跟踪通道建立中，建立双跟踪通道，分别对捕获的多普勒频率和对所述多普勒频率进行去折叠后的频率进行跟踪，对两通道的跟踪结果进行信噪比估计，选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
进一步地，所述匹配滤波算法的具体过程包括：
1)将卫星信号的中频数据进行下变频得到卫星信号的基带信号；
2)对基带信号进行降采样至N MHz，并存储在RAM，用于后续捕获处理；
3)从RAM读出降采样数据，与本地生成的PN码进行M个点短时相关，得到信号频率fs＝N/M的信号；
4)设定FFT扫频范围为±fs/2，对短时相关后的信号进行FFT扫频；
5)对FFT扫频结果进行设定次数的非相干累加；
6)对非相干累加的结果进行峰值检测，得到卫星信号的捕获结果，并获得卫星信号的多普勒频率。
进一步地，所述FFT扫频的点数需满足频率搜索分辨率的要求。
进一步地，所述频率搜索分辨率根据相干积分的频率失配损耗
Figure BDA0002612373480000021
确定；其中，ωIF是信号载波频率，
Figure BDA0002612373480000022
为本地载波频率，T为相干积分时间。
进一步地，在M个点短时相关累加的样本数少于FFT扫频点数时，通过补零法，对样本进行补零，使样本的个数满足FFT扫频点数。
进一步地，建立跟踪通道对捕获信号进行跟踪的过程包括：
1)接收捕获步骤中输出卫星信号的多普勒频率fa；
2)对卫星信号中的多普勒频率fa进行去折叠；将多普勒频率fa扩展得到频点为fa-fs，fa，fa+fs的多普勒频率，舍去在频率范围±fs之外的多普勒频率；
3)把剩余的两个多普勒频率候选值分别送入两个跟踪通道进行跟踪；
4)对两个跟踪通道的跟踪结果分别进行性噪比估计；
5)选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
本发明还公开了一种应用如上所述高动态导航卫星信号接收方法的导航卫星信号接收机，包括捕获模块和跟踪模块；其特征在于，
在捕获模块中，通过对降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加、FFT扫频、非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号，并获得卫星信号的多普勒频率；
在跟踪模块中，建立双跟踪通道，分别对捕获的多普勒频率和对所述多普勒频率进行去折叠后的频率进行跟踪，对两通道的跟踪结果进行信噪比估计，选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
进一步地，捕获模块中包括下变频模块、降采样存储模块、短时相关累加模块、FFT扫频模块、非相干累加存储模块和峰值门限检测模块；
所述下变频模块，用于将卫星信号的中频数据进行下变频得到卫星信号的基带信号；
所述降采样存储模块，用于对基带信号进行降采样至N MHz，并将降采样数据存储在RAM；
所述短时相关累加模块，用于从RAM读出降采样数据，与本地生成的PN码进行M个点短时相关，得到信号频率fs＝N/M的短时相关累加信号；
所述FFT扫频模块，用于在设定的扫频范围±fs/2内，对短时相关后的信号进行FFT扫频；
所述非相干累加存储模块，用于对FFT扫频结果进行设定次数的非相干累加，并存储非相干累加结果；
所述峰值门限检测模块，用于对非相干累加结果进行峰值检测，得到卫星信号的捕获结果。
进一步地，其特征在于，所述FFT扫频模块的扫频点数需满足频率搜索分辨率的要求。
进一步地，所述跟踪模块包括频率扩展模块、第一跟踪通道、第二跟踪通道和比较合并模块；
所述频率扩展模块，用于对捕获卫星信号的多普勒频率fs去折叠；将多普勒频率fa扩展得到频点为fa-fs，fa，fa+fs的多普勒频率，舍去在频率范围±fs之外的多普勒频率；
所述第一跟踪通道，用于对多普勒频率为fs的捕获信号进行跟踪，并对跟踪信号的信噪比进行估计；
所述第二跟踪通道，用于对在频率范围±fs之内的保留的多普勒频率的捕获信号进行跟踪，并对跟踪信号的信噪比进行估计；
所述比较合并模块，用于比较两个跟踪通道的信噪比估计结果，舍去信噪比低的通道，将信噪比高通道的跟踪结果作为最终的跟踪结果。
本发明的有益效果如下：
本发明可以实现在传统接收机占用资源相同的情况下，信号多普勒捕获能力扩大一倍，有效提升高动态信号接收处理能力。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本实施例一中的高动态导航卫星信号接收方法原理示意图；
图2为本实施例一中的采样定律折叠示意图；
图3为本实施例二中的捕获模块原始示意图；
图4为本实施例二中的常规跟踪模块原始示意图；
图5为本实施例二中的跟踪模块原始示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例一
本实施例以北斗导航系统，B3频点的接收为例进行说明。本实施例公开了一种高动态导航卫星信号接收方法，包括导航卫星信号的捕获和跟踪步骤；如图1所示，
其中对于北斗卫星信号的捕获步骤，采用匹配滤波算法，通过对降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加、FFT扫频、非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号，并获得卫星信号的多普勒频率；
由于本实施例所处理的北斗导航卫星信号为高动态信号，而高动态信号在机载条件下，动态可达500m/s，而在弹载条件下，动态可达3000m/s甚至更高，因此与步行或车载条件下的准静态接收不同，在捕获的卫星信号中包括多普勒频率。
由于，在传统的匹配滤波算法是通过扩大FFT的扫频范围来获得高动态接收信号的多普勒频率，但扩大FFT扫频的范围，会大大增加后续非相干累加的数据量，需要更多的计算资源，使接收机的功耗、体积和成本上升。
因此，本实施例采用有限宽度的入FFT扫频范围，进行FFT扫频。这样，通过FFT扫频可获得落入FFT扫频范围内的真实的卫星信号多普勒频率，当多普勒频率超出了FFT扫频范围，即过欠采样情况，根据采样定律，所述多普勒频率可经过折叠后落入FFT扫频范围内。
在跟踪步骤的跟踪通道建立中，建立双跟踪通道，分别对捕获的多普勒频率和对所述多普勒频率进行去折叠后的频率进行跟踪，对两通道的跟踪结果进行信噪比估计，选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
具体的，在匹配滤波器算法中，中频数据的采样率为62MHz，捕获为1ms相干积分时间，8次非相干累加。匹配滤波算法的具体过程包括：
1)将卫星信号的中频数据进行下变频得到卫星信号的基带信号；
2)对基带信号经过低通滤波后，进行降采样至15.5MHz，并存储在RAM，用于后续捕获处理；
3)从RAM读出降采样数据，与本地生成的PN码进行620个点短时相关，得到信号频率fs＝15.5MHz/620＝25KHz的短时相关信号；
4)设定FFT扫频范围为±12.5KHz，对短时相关后的信号进行FFT扫频；
5)对FFT扫频结果进行设定次数的非相干累加；
6)对非相干累加的结果进行峰值检测，得到卫星信号的捕获结果，并获得卫星信号的多普勒频率fa。
具体的，在步骤4)中所述FFT扫频的点数需满足频率搜索分辨率的要求。
根据GNSS视距信号的捕获基本原理，GNSS视距信号模型为：
Figure BDA0002612373480000061
其中A是信号的幅度，c(t)是伪码信号，d(t)是数据信号，ωIF是信号载波频率，
Figure BDA0002612373480000062
是信号载波相位，n(t)是信道噪声；假设在捕获过程中，相干积分运算未跨越比特边沿，捕获信号即本地信号伪码和本地载波与天上信号做相关累加，相关积分值为：
Figure BDA0002612373480000063
Figure BDA0002612373480000064
其中c(t-τ)是本地伪码，τ为本地伪码与天上信号伪码周期内的时间差，
Figure BDA0002612373480000071
为本地载波频率，
Figure BDA0002612373480000072
为本地估计载波相位，T为相干积分时间，则相干积分运算后的信号部分为
Figure BDA0002612373480000073
其中；
Figure BDA0002612373480000074
由式(4)可以看到，影响相干积分能量的主要因素有：
信号强度越大，相干积分输出能量越大；
相干积分时间越长，相干积分输出能量越大；
本地伪码与接收信号伪码相位差。相位差越小，输出信号的能量越大。
本地载波与信号多普勒之间的偏差。两者之间的偏差越小，输出信号的能量越大。
Figure BDA0002612373480000075
为频率失配损耗，频率偏差是1/(T*2)时积分能量损失3.9db。频率偏差是1/(T*4)时积分能量损耗为0.91db。
由此，本实施例的频率搜索分辨率根据相干积分的频率失配损耗
Figure BDA0002612373480000076
确定；将频率搜索分辨率设为1/(T*4)。相干积分时间T为1ms，则频率搜索分辨率为250Hz。
本实施例的FFT扫频范围±fs/2，为±12.5khz。1ms的数据是25个样本，为满足频率搜索间隔，且是FFT扫频的点数为2的幂次方，通过补零法，对样本进行补零，使样本的个数满足FFT扫频点数。
具体的，这里补充103个0，做128点FFT进行扫频，扫频间隔是195.3Hz。小于频率搜索分辨率250Hz，满足要求。
在步骤5)中非相干累加的一个相位需要存储的数据为128个频点。降采样后信号采样频率为15.5MHz，B3频点1ms的伪码周期总共是15500个相位，总共需要存储15500x128的数据个数。
更具体，在北斗卫星系统中，卫星运动造成的最大多普勒是5kHz。北斗接收载体的运动速度越来越高，可达两三千米每秒，甚至更大。
当载体运动为2500m/s的高动态，接收机运动造成的多普勒是10kHz，加上卫星运动造成的最大多普勒是5kHz，那么卫星信号最大的多普勒可达15KHz。在传统接收机中如本实施例FFT扫频的范围选择±12.5khz，不能满足该高动态下的信号捕获。为了捕获这个范围的高动态信号，传统接收机的匹配滤波器只能减少短时相关的个数，这样短时相关受FS变大，从而达到FFT扫频范围扩大的目的。若修改参数短时相关个数为310，则FS为50KHz，FFT扫频范围为±25khz，这样1ms的短时相关样本为50个，达到根据频率搜索间隔，这里需补充206个0，做256点FFT进行扫频，扫频间隔是195.3Hz。
这样步骤4)中FFT的点数扩大一倍，步骤5)需要存储的非相干累加数据为15500x128个样本。资源大幅增加。在接收机功耗体积成本有严格的要求的情况下是不可接受的。
为解决这个问题，本实施例根据采样定律的过欠采样情况，如图2所示；在fs采样率下，对于A点的频率为：
fa+n*fs (6)
其中，
Figure BDA0002612373480000081
n为整数。
即在过欠采样情况下，在频率范围±fs/2外的信号会折叠到频率范围±fs/2内。只要确定出n，就可以确定该信号的真实频率。
对于本实施例FFT扫频范围为±12.5khz，若进行n＝+-1一次扩展分辨，则扫频范围可为±fs，即±25khz。即多普勒范围为+-25khz的信号，在fs＝25khz采样率下做FFT得到的多普勒频率为-8khz，则信号的多普勒有两种可能值-8khz和-8khz+25khz＝17khz；即17khz的多普勒频率折叠到了±12.5khz的范围内，得到-8khz的多普勒频率，只要可以分辨是出n是0还是1就可以唯一确定信号真实频率。
因此，相比与普通接收机的捕获跟踪，即一颗卫星配置一个跟踪通道，跟踪通道根据捕获得到的多普勒进行直接跟踪。
具体的，本实施例建立跟踪通道对捕获信号进行跟踪的过程包括：
1)接收捕获步骤中输出卫星信号的多普勒频率fa；
2)对卫星信号中的多普勒频率fa进行去折叠；将多普勒频率fa扩展得到频点为fa-fs，fa，fa+fs的多普勒频率，舍去在频率范围±fs之外的多普勒频率；到的多普勒频率fa和频率范围±fs之内的去折叠的多普勒频率
3)把剩余的两个多普勒频率候选值分别送入两个跟踪通道进行跟踪；
4)对两个跟踪通道的跟踪结果分别进行性噪比估计；
5)选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
由于，跟踪通道的资源很小，通过本结构的分辨处理，在原来几乎不增加资源的情况下信号多普勒捕获能力扩大一倍。本专利能有效提高高动态信号捕获能力。
实施例二
本实施例公开了一种高动态导航卫星信号接收机，包括捕获模块和跟踪模块；
在捕获模块中，通过对降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加、FFT扫频、非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号，并获得卫星信号的多普勒频率；
在跟踪模块中，建立双跟踪通道，分别对捕获的多普勒频率和对所述多普勒频率进行去折叠后的频率进行跟踪，对两通道的跟踪结果进行信噪比估计，选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
具体的，如图3所示，捕获模块中包括下变频模块、降采样存储模块、短时相关累加模块、FFT扫频模块、非相干累加存储模块和峰值门限检测模块；
所述下变频模块，用于将卫星信号的中频数据进行下变频得到卫星信号的基带信号；
所述降采样存储模块，用于对基带信号进行降采样至15.5MHz，并将降采样数据存储在RAM；
所述短时相关累加模块，用于从RAM读出降采样数据，与本地生成的PN码进行620个点短时相关，得到信号频率fs＝25KHz的短时相关累加信号；
所述FFT扫频模块，用于在设定的扫频范围±fs/2内，对短时相关后的信号进行FFT扫频；
所述非相干累加存储模块，用于对FFT扫频结果进行设定次数的非相干累加，并存储非相干累加结果；
所述峰值门限检测模块，用于对非相干累加结果进行峰值检测，得到卫星信号的捕获结果。
具体的，如实施例一所述的所述FFT扫频模块的扫频点数需满足频率搜索分辨率的要求，在将频率搜索分辨率设为1/(T*4)时，T＝1ms，扫频点数设置为128.
具体的，如图4所示，为传统接收机的捕获跟踪，即一颗卫星配置一个跟踪通道，跟踪通道根据捕获得到的多普勒进行直接跟踪。根据实施例一中的叙述，采用传统接收机的捕获跟踪，对于大动态的导航信号需要捕获模块占用大量资源。
由此，本实施例的跟踪模块如图5所示，包括频率扩展模块、第一跟踪通道、第二跟踪通道和比较合并模块；
所述频率扩展模块，用于对捕获卫星信号的多普勒频率fs去折叠；将多普勒频率fa扩展得到频点为fa-fs，fa，fa+fs的多普勒频率，舍去在频率范围±fs之外的多普勒频率；
所述第一跟踪通道，用于对多普勒频率为fs的捕获信号进行跟踪，并对跟踪信号的信噪比进行估计；
所述第二跟踪通道，用于对在频率范围±fs之内的保留的多普勒频率的捕获信号进行跟踪，并对跟踪信号的信噪比进行估计；
所述比较合并模块，用于比较两个跟踪通道的信噪比估计结果，舍去信噪比低的通道，将信噪比高通道的跟踪结果作为最终的跟踪结果。
由于，跟踪通道的资源很小，且舍弃的跟踪通道可以在分配给下一颗卫星使用。通过本结构的分辨处理，在原来几乎不增加资源的情况下信号多普勒捕获能力扩大一倍。本专利能有效提高高动态信号捕获能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高动态导航卫星信号接收方法，包括导航卫星信号的捕获和跟踪步骤；其特征在于，
在捕获步骤的匹配滤波算法中，通过对降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加、FFT扫频、非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号，并获得卫星信号的多普勒频率；
在跟踪步骤的跟踪通道建立中，建立双跟踪通道，分别对捕获的多普勒频率和对所述多普勒频率进行去折叠后的频率进行跟踪，对两通道的跟踪结果进行信噪比估计，选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
2.根据权利要求1所述的高动态导航卫星信号接收方法，其特征在于，所述匹配滤波算法的具体过程包括：
1)将卫星信号的中频数据进行下变频得到卫星信号的基带信号；
2)对基带信号进行降采样至N MHz，并存储在RAM，用于后续捕获处理；
3)从RAM读出降采样数据，与本地生成的PN码进行M个点短时相关，得到信号频率fs＝N/M的信号；
4)设定FFT扫频范围为±fs/2，对短时相关后的信号进行FFT扫频；
5)对FFT扫频结果进行设定次数的非相干累加；
6)对非相干累加的结果进行峰值检测，得到卫星信号的捕获结果，并获得卫星信号的多普勒频率。
3.根据权利要求2所述的高动态导航卫星信号接收方法，其特征在于，所述FFT扫频的点数满足频率搜索分辨率的要求。
4.根据权利要求3所述的高动态导航卫星信号接收方法，其特征在于，所述频率搜索分辨率根据相干积分的频率失配损耗
Figure FDA0002612373470000011
Figure FDA0002612373470000021
确定；其中，ωIF是信号载波频率，
Figure FDA0002612373470000022
为本地载波频率，T为相干积分时间。
5.根据权利要求4所述的高动态导航卫星信号接收方法，其特征在于，在M个点短时相关累加的样本数少于FFT扫频点数时，通过补零法，对样本进行补零，使样本的个数满足FFT扫频点数。
6.根据权利要求1所述的高动态导航卫星信号接收方法，其特征在于，建立跟踪通道对捕获信号进行跟踪的过程包括：
1)接收捕获步骤中输出卫星信号的多普勒频率fa；
2)对卫星信号中的多普勒频率fa进行去折叠；将多普勒频率fa扩展得到频点为fa-fs，fa，fa+fs的多普勒频率，舍去在频率范围±fs之外的多普勒频率；
3)把剩余的两个多普勒频率候选值分别送入两个跟踪通道进行跟踪；
4)对两个跟踪通道的跟踪结果分别进行性噪比估计；
5)选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
7.一种应用如权利要求1-6任一项所述的高动态导航卫星信号接收方法的导航卫星信号接收机，包括捕获模块和跟踪模块；其特征在于，
在捕获模块中，通过对降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加、FFT扫频、非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号，并获得卫星信号的多普勒频率；
在跟踪模块中，建立双跟踪通道，分别对捕获的多普勒频率和对所述多普勒频率进行去折叠后的频率进行跟踪，对两通道的跟踪结果进行信噪比估计，选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。
8.根据权利要求7所述的导航卫星信号接收机，其特征在于，捕获模块中包括下变频模块、降采样存储模块、短时相关累加模块、FFT扫频模块、非相干累加存储模块和峰值门限检测模块；
所述下变频模块，用于将卫星信号的中频数据进行下变频得到卫星信号的基带信号；
所述降采样存储模块，用于对基带信号进行降采样至N MHz，并将降采样数据存储在RAM；
所述短时相关累加模块，用于从RAM读出降采样数据，与本地生成的PN码进行M个点短时相关，得到信号频率fs＝N/M的短时相关累加信号；
所述FFT扫频模块，用于在设定的扫频范围±fs/2内，对短时相关后的信号进行FFT扫频；
所述非相干累加存储模块，用于对FFT扫频结果进行设定次数的非相干累加，并存储非相干累加结果；
所述峰值门限检测模块，用于对非相干累加结果进行峰值检测，得到卫星信号的捕获结果。
9.根据权利要求8所述的导航卫星信号接收机，其特征在于，其特征在于，所述FFT扫频模块的扫频点数需满足频率搜索分辨率的要求。
10.根据权利要求7所述的导航卫星信号接收机，其特征在于，所述跟踪模块包括频率扩展模块、第一跟踪通道、第二跟踪通道和比较合并模块；
所述频率扩展模块，用于对捕获卫星信号的多普勒频率fs去折叠；将多普勒频率fa扩展得到频点为fa-fs，fa，fa+fs的多普勒频率，舍去在频率范围±fs之外的多普勒频率；
所述第一跟踪通道，用于对多普勒频率为fs的捕获信号进行跟踪，并对跟踪信号的信噪比进行估计；
所述第二跟踪通道，用于对在频率范围±fs之内的保留的多普勒频率的捕获信号进行跟踪，并对跟踪信号的信噪比进行估计；
所述比较合并模块，用于比较两个跟踪通道的信噪比估计结果，舍去信噪比低的通道，将信噪比高通道的跟踪结果作为最终的跟踪结果。
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