CN112327334B - 一种低轨卫星辅助的gnss长码信号捕获方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法及装置，包括：获取GNSS基带信号；混频运算；分段相关运算；长时间相干积分；非相干积分运算；峰值检测与门限判决。本发明的优点在于：利用低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号辅助信息，包括粗略多普勒信息和粗略码相位信息，一方面利用粗略码相位信息产生本地测距码的子码并参与相关运算，保证在相关运算后消除“比特跳变“对相干积分时间的影响，通过长时间相干积分实现长码的高灵敏捕获，提高低信噪比环境下长码信号捕获性能；另一方面利用GNSS导航信号的粗略多普勒信息和粗略码相位信息，缩小信号在频率维度和码维度的搜索时间，提高捕获效率，实现GNSS长码信号的快速捕获。
Description
技术领域
本发明涉及导航领域，具体涉及但不限于一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法及装置。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)是一个包括了美、俄、欧和中国的全球导航系统以及日本、印度等国家的区域导航系统在内的综合星座系统。一方面，随着各个系统的逐步建立，GNSS系统的信号结构变得越来越复杂，这对信号体制的设计和导航接收机的研制提出了新的挑战。为了增强卫星导航系统信号的性能，美国首先提出了GPS现代化计划，其中的一项重要内容就是增发新的长周期码信号即M码信号。这种新的长码信号利用了BOC(BinaryOffset Carrier)调制方式，使得信号在多个方面的性能都有了较大提高。除此之外，Galileo系统也在其信号体制中加入了BOC调制的导航信号，特别是我国的北斗系统也使用BOC调制的长码信号，这就使得BOC调制下的长周期码信号的捕获方法的研究有了重要的价值。对于长周期码信号而言，由于其存在较大的时间上的不确定度，使得长码的捕获的最大问题就是其庞大的计算量，如何最大限度的降低捕获时间、提高捕获效率是GNSS长码信号捕获的关键。
另一方面，随着接收机应用领域的不断延伸，用户对定位精度、完好性、连续性和可用性都提出了更高的要求与期望，尤其是军事领域、智能交通、高精度测绘、精准农业等行业，需求尤为迫切。在城市峡谷、森林、山川以及电磁干扰等GNSS系统应用环境中，普通的接收机很难满足这些复杂环境下的弱信号的捕获要求。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提出一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法及装置，一方面利用粗略码相位信息产生本地测距码的子码并参与相关运算，保证在相关运算后消除“比特跳变“(例如测距码中子码)对相干积分时间的影响，通过长时间相干积分实现长码的高灵敏捕获，提高低信噪比环境下GNSS长码信号捕获性能；另一方面GNSS导航信号的粗略多普勒信息和粗略码相位信息，缩小信号在频率维度和码维度的搜索时间，提高捕获效率，实现长码的快速捕获。
本发明的技术方案为：一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，步骤包括：
获取GNSS基带信号，该基带信号为长码信号；
在低轨卫星的辅助下，获取GNSS基带信号载波多普勒的搜索信息；
根据GNSS基带信号载波多普勒的搜索信息，选定当前载波多普勒的搜索单元，并产生GNSS基带信号的本地载波；
将GNSS基带信号与GNSS基带信号的本地载波进行混频运算，得到第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix；
在低轨卫星的辅助下，获取GNSS基带信号码相位的搜索信息；
根据GNSS基带信号码相位的搜索信息，产生GNSS基带信号的本地测距码；
将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算，得到第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr
对相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr分别进行相干积分运算，得到第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh；
对相干积分后的第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh进行非相干积分运算，得到非相干积分运算后的结果；
对非相干积分运算后的结果，进行峰值检测，得到峰值；根据峰值进行门限判断，当峰值大于等于设定的门限，则判定获取GNSS基带信号捕获成功，否则判定获取的GNSS基带信号捕获不成功。
优选的，所述在低轨卫星的辅助下获取载波多普勒的搜索信息包括：
通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号载波的多普勒信息，所述GNSS导航信号载波的多普勒信息包括GNSS导航信号的多普勒频移的估计值fdop_est和GNSS导航信号的多普勒变化率fdop_ratio；其中所述的多普勒频移估计值fdop_est的精度超过跟踪模块的牵引范围(优选小于500HZ)，需要利用所述长码捕获方法对载波频率做进一步搜索；
将所述GNSS导航信号的多普勒频移估计值fdop_est作为GNSS导航信号载波多普勒的初始搜索单元；以及
通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围，所述GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在频率维度的搜索时间。
优选的，所述在低轨卫星的辅助下获取码相位的搜索信息包括：
通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的码相位的估计值；其中所述的码相位的估计值的精度超过跟踪模块的牵引范围(优选小于半个码片)，需要利用所述长码捕获方法对码相位做进一步搜索；以及
通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号码相位的搜索范围，所述GNSS导航信号码相位的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在码维度的搜索时间。
优选的，所述根据码相位的搜索信息产生GNSS基带信号的本地测距码包括：
根据GNSS导航信号的码相位估计值产生GNSS基带信号的本地子码序列；
根据GNSS导航信号的码相位估计值产生GNSS基带信号的本地主码序列；以及将GNSS基带信号的本地主码序列与GNSS基带信号的地子码序列进行异或运算产生GNSS基带信号的距码。
优选的，所述将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行相关运算；包括：
将第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算得到第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr。
优选的，所述对相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr分别进行长时间相干积分，包括：
将分段相关运算得到的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr进行对应点累加实现长时间相干积分，得到长相干积分后的第三同相支路信号Icoh＝∑Icorr和第三正交支路信号Qcoh＝∑Qcorr；
其中所述长时间相干积分的时间在低轨卫星的辅助下优选设为400ms以上。
优选的，所述通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的码相位估计值，包括：
通过GNSS导航接收机完成低轨导航增强信号的捕获、跟踪、同步、译码，完成GNSS导航接收机的定位和授时，获取到所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)下的的位置信息(x,y,z)、速度信息(vx,vy,vz)和时间信息，同时获取到低轨卫星转发的GNSS导航信息，其中所述GNSS导航信息包括所述GNSS导航信号的发射时间和GNSS导航卫星的位置信息(xn,yn,zn)和速度信息/>
根据所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)下的的位置信息(x,y,z)和所述GNSS导航卫星的位置信息(xn,yn,zn)，其中n表示第n颗GNSS导航卫星，获取到GNSS接收机与第n颗卫星的第一伪距其中δΔt为电离层延时、对流层延时、卫星钟差引起的伪距偏差；
由所述第一伪距计算得到第一传播时间/>其中c为光速；
利用电离层模型、对流层模型和卫星钟差模型分别对电离层延时、对流层延时、卫星钟差进行校正，得到第二伪距和第二传播时间/>
根据所述GNSS导航信号的发射时间和所述第二传播时间得到所述导航信号的接收时间/>以及
根据所述GNSS导航信号的接收时间以及GNSS导航信号电文结构，计算得到接收机接收到GNSS导航信号时的所述GNSS导航信号的粗略码相位。
优选的，所述通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号载波的多普勒信息，包括：
根据所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)下的的位置信息(x,y,z)和速度信息(vx,vy,vz)、所述GNSS导航卫星的位置信息(xn,yn,zn)和速度信息获取到初始多普勒频移/>其中1n是GNSS卫星n所述GNSS在接收机处的单位观测矢量，/>
对所述初始多普勒频移fdop_init进行修正，得到所述多普勒频移的估计值fdop_est；以及
根据单位时间内多普勒频移的估计值fdop_est的变化，得到多普勒变化率
优选的，一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获装置，包括：GNSS信号接收模块、低轨接收处理模块和GNSS信号处理模块；
GNSS信号接收模块，获取GNSS基带信号，该基带信号为长码信号；
低轨接收处理模块，在低轨卫星的辅助下，获取GNSS基带信号载波多普勒的搜索信息，作为GNSS辅助信息；
根据GNSS基带信号载波多普勒的搜索信息，选定当前载波多普勒的搜索单元，并产生GNSS基带信号的本地载波；
将GNSS基带信号与GNSS基带信号的本地载波进行混频运算，得到第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix；
在低轨卫星的辅助下，获取GNSS基带信号码相位的搜索信息；作为GNSS辅助信息；
GNSS信号处理模块，根据GNSS基带信号码相位的搜索信息，产生GNSS基带信号的本地测距码；
将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算，得到第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr
对相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr分别进行相干积分运算，得到第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh；
对相干积分后的第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh进行非相干积分运算，得到非相干积分运算后的结果；
对非相干积分运算后的结果，进行峰值检测，得到峰值；根据峰值进行门限判断，当峰值大于等于设定的门限，则判定获取GNSS基带信号捕获成功，否则判定获取的GNSS基带信号捕获不成功。
根据本发明的第一方面，本发明优选的一种低轨卫星辅助的长码号捕获方法，步骤包括：
获取GNSS基带信号，该基带信号为长码信号；；
在低轨卫星的辅助下获取载波多普勒的搜索信息
根据载波多普勒的搜索信息选定当前载波多普勒的搜索单元，并产生GNSS基带信号的本地载波；
将GNSS基带信号与基带信号的本地载波进行混频运算；
在低轨卫星的辅助下获取码相位的搜索信息；
根据码相位的搜索信息产生GNSS基带信号的本地测距码；
将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算；
对相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr分别进行长时间相干积分；
对相干积分后的第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh进行非相干积分运算；
对相干积分后的第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh进行非相干积分运算，得到非相干积分运算后的结果；
对非相干积分运算后的结果，进行峰值检测，得到峰值；根据峰值进行门限判断，当峰值大于等于设定的门限，则判定获取GNSS基带信号捕获成功，否则判定获取的GNSS基带信号捕获不成功。
优选的，所述在低轨卫星的辅助下获取载波多普勒的搜索信息包括：通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号载波的多普勒信息，所述GNSS导航信号载波的粗略多普勒信息包括GNSS导航信号的粗略多普勒频移的估计值fdop_est和GNSS导航信号的多普勒变化率fdop_ratio；将所述GNSS导航信号的多普勒频移的估计值fdop_est作为GNSS导航信号载波多普勒的初始搜索单元；以及通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围，所述GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在频率维度的搜索时间。
优选的，所述在低轨卫星的辅助下获取码相位的搜索信息包括：通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的码相位的估计值；以及通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号码相位的搜索范围，所述GNSS导航信号码相位的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在码维度的搜索时间。
优选的，所述根据GNSS导航信号的粗略码相位产生GNSS基带信号的本地测距码包括：根据GNSS导航信号的码相位的估计值产生GNSS基带信号的本地子码序列；根据码相位的搜索信息产生GNSS基带信号的本地主码序列；以及将GNSS基带信号的本地主码序列与GNSS基带信号的本地子码序列进行异或运算产生GNSS基带信号的本地测距码。
优选的，所述将混频运算得到的同相支路Imix和正交支路Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行相关运算；包括：将同相支路Imix和正交支路Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算得到同相支路Icorr和正交支路Qcorr。
优选的，所述对相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr分别进行长时间相干积分，包括：将分段相关运算得到的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr进行对应点叠加实现长时间相干积分，得到相干积分后的第三同相支路信号Icoh＝∑Icorr和第三正交支路信号Qcoh＝∑Qcorr；其中所述长时间相干积分的时间在低轨卫星的辅助下可以为400ms以上。
优选的，所述通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的码相位的估计值，包括：通过GNSS导航接收机完成低轨导航增强信号的捕获、跟踪、同步、译码，完成GNSS导航接收机的定位授时，获取到所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)下的的位置信息(x,y,z)、速度信息(vx,vy,vz)和时间信息，同时获取到低轨卫星转发的GNSS导航信息，其中所述GNSS导航信息包括所述GNSS导航信号的发射时间和GNSS导航卫星的位置信息(xn,yn,zn)和速度信息/>其中n表示第n颗GNSS导航卫星；根据所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)下的的位置信息(x,y,z)和所述GNSS导航卫星的位置信息(xn,yn,zn)，获取到GNSS导航接收机与第n颗GNSS导航卫星的第一伪距/>其中δΔt为电离层延时、对流层延时、卫星钟差引起的伪距偏差；由所述第一伪距ρ1 n计算得到第一传播时间/>其中c为光速；利用电离层模型、对流层模型和卫星钟差模型分别对电离层延时、对流层延时、卫星钟差进行校正，得到第二伪距/>和第二传播时间/>根据所述GNSS导航信号的发射时间和所述第二传播时间/>得到所述导航信号的接收时间以及根据所述GNSS导航信号的接收时间以及GNSS导航信号电文结构，计算得到接收机接收到GNSS导航信号时的所述GNSS导航信号的粗略码相位信息。
优选的，所述通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号载波的粗略多普勒信息，包括：根据所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)下的的位置信息(x,y,z)和速度信息(vx,vy,vz)、所述GNSS导航卫星在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)下的的位置信息(xn,yn,zn)和速度信息获取到初始多普勒频移/>其中1n是GNSS卫星n所述GNSS在接收机处的单位观测矢量，/>对所述初始多普勒频移fdop_init进行修正，得到所述多普勒频移的估计值fdop_est；以及根据单位时间内多普勒频移的变化，得到多普勒变化率/>
本发明优选的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获装置，包括：GNSS信号接收模块，用于获取GNSS导航信号；低轨接收处理模块，用于接收处理低轨导航信号，并获得GNSS辅助信息；其中所述GNSS辅助信息包括GNSS导航信号的多普勒信息和GNSS导航信号的码相位。GNSS信号处理模块，用于利用GNSS辅助信息完成长码信号的高灵敏快速捕获。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本发明中通过低轨卫星辅助获取GNSS辅助信息，包括GNSS导航信号的多普勒信息和码相位，其中多普勒信息包括多普勒频移估计值和多普勒变化率。利用GNSS导航信号的码相位的估计值以及多普勒变化率可以进行长时间的相干积分，通过增加相干积分时间提高信号处理增益，从而提高导航信号的捕获灵敏度。
(2)本发明中对于GNSS导航信号的码维度的搜索不是进行全码段搜索，而是利用低轨卫星获得的GNSS导航信号的码相位估计值进行局部码段搜索，这样就减少信号码维度的搜索时间，实现导航信号的快速捕获。
(3)本发明中对于GNSS导航信号的频率维度的搜索不是进行全频段搜索，而是利用低轨卫星获得的GNSS导航信号的多普勒信息进行局部频段搜索，这样就减少信号频率维度的搜索时间，实现导航信号的快速捕获。
(4)本发明通过低轨卫星辅助获取GNSS辅助信息，包括GNSS导航信号的多普勒信息和码相位估计值。一方面，利用GNSS辅助信息可以缩小长码在频率维度和码维度的搜索范围，降低捕获时间，提高捕获效率，另一方面，利用GNSS导航信号的码相位估计值可以进行长时间的相干积分，提高信号的检测信噪比，实现弱信号的高灵敏捕获，最终满足复杂环境下对GNSS系统的性能需求。
(5)本发明优选实施例提供一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法及装置，包括：获取GNSS基带信号；混频运算；分段相关运算；长时间相干积分；非相干积分运算；峰值检测与门限判决。本发明的优点在于：利用低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号辅助信息，包括多普勒信息和码相位的估计值，一方面利用码相位估计值产生本地测距码的子码并参与相关运算，保证在相关运算后消除“比特跳变“(例如测距码中子码)对相干积分时间的影响，通过长时间相干积分实现长码的高灵敏捕获，提高低信噪比环境下GNSS长码信号捕获性能；另一方面GNSS导航信号的多普勒信息和码相位的估计值，缩小信号在频率维度和码维度的搜索时间，提高捕获效率，实现长码的快速捕获。
附图说明
图1所示为本发明优选的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法工作流程图。
图2所示为本发明优选的一种产生本地测距码方法的流程图。
图3所示为本发明优选的一种分段相关方法的流程图。
图4所示为本发明优选的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法搜索范围示意图。
图5所示本发明优选的一种低轨卫星辅助获取GNSS导航信号粗略码相位信息的流程图。
图6所示为本发明优选的一种低轨卫星辅助获取GNSS导航信号多普勒信息的流程图。
图7所示为本发明优选的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获装置的结构示意图。
图8所示为本发明优选的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获装置的结构示意图。
图9是本本发明优选的电子设备的结构图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
此外，在示例性实施例中，因为相同的参考标记表示具有相同结构的相同部件或相同方法的相同步骤，如果示例性地描述了一实施例，则在其他示例性实施例中仅描述与已描述实施例不同的结构或方法。
本发明提供了一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法及装置，包括：获取GNSS基带信号；混频运算；分段相关运算；长时间相干积分；非相干积分运算；峰值检测与门限判决。本发明的优点在于：利用低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号辅助信息，包括粗略多普勒信息和粗略码相位信息，一方面利用粗略码相位信息产生本地测距码的子码并参与相关运算，保证在相关运算后消除“比特跳变“(例如测距码中子码)对相干积分时间的影响，通过长时间相干积分实现长码的高灵敏捕获，提高低信噪比环境下长码信号捕获性能；另一方面利用GNSS导航信号的粗略多普勒信息和粗略码相位信息，缩小信号在频率维度和码维度的搜索时间，提高捕获效率，实现GNSS长码信号的快速捕获。
长码信号优选是指：GNSS信号通过调制扩频码产生较大的扩频增益，其中的扩频码分为短周期测距码和长周期测距码。短码，即短周期码一般指码周期小于10ms的测距码，例如GPS中的L1CA信号；长码，即长周期码一般指大于等于10ms测距码，例如在北斗系统中BOC调制的B1C信号码周期为10ms，属于长码信号，以及GPS中P码的周期为一星期，属于长码信号。
对于长周期码信号而言，由于其存在较大的时间上的不确定度，使得长码的捕获的最大问题就是其庞大的计算量，如何最大限度的降低捕获时间、提高捕获效率是GNSS长码信号捕获的关键。
优选的，在城市峡谷、森林、山川以及电磁干扰等GNSS系统应用环境中，GNSS信号较弱，普通的接收机很难满足这些复杂环境下的对弱长码信号的快速捕获要求。
本发明中通过低轨卫星辅助获取GNSS辅助信息，包括GNSS导航信号的多普勒信息和码相位估计值，其中多普勒信息包括多普勒频移估计值和多普勒变化率。利用GNSS导航信号的码相位的估计值以及多普勒变化率可以进行长时间的相干积分，通过增加相干积分时间提高信号处理增益，从而提高复杂环境下长码信号的捕获灵敏度和长码信号的捕获速度。
图1所示为本申请一实施例提供的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法工作流程图。如图1所示，该方法优选方案包括如下步骤：
步骤100：获取GNSS基带信号，优选方案为：
GNSS导航卫星所发射的导航信号从结构上分为载波、伪码和数据码(即导航电文)三个层次，伪码是周期性的，具有良好的自相关和互相关性能，由于伪码在GNSS中又被用作测距码，故又被称为测距码，所述码相位信息是指的调制在导航信号上的伪码的相位信息。数据码是GNSS导航信号中载有导航电文的二进制码。在一些实施例中，GNSS导航信号包括数据支路和导频支路，导频支路只调制了测距码，没有调制导航电文，数据支路既调制了测距码，又调制导航电文，且数据支路和导频支路是同步的，故在所述的GNSS长码信号捕获方法中可以只对导频支路进行捕获即可等同于实现对导航信号的捕获。
由于GNSS导航卫星所发出的信号为高频信号，而目前通用的信号处理设备不能直接对高频信号进行处理，因此，本申请实施例在接收GNSS导航卫星高频信号后将该高频信号转化为基带信号，以满足信号处理的需求。应当理解，本申请实施例可以根据实际应用场景的需求而选取不同的方法获取导航信号，例如可以通过第三方设备获取高频导航信号或者由第三方设备获取高频导航信号并转化为可以直接处理的基带信号，然后将导航信号直接发送至信号处理设备(例如上述GNSS导航接收机等)，只要信号处理设备能够获取可用的导航信号即可，本申请实施例对于获取导航信号的具体方法不做限定。
步骤110：在低轨卫星的辅助下获取载波多普勒的搜索信息，优选方案为：
通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号载波的多普勒信息，所述GNSS导航信号载波的多普勒信息包括GNSS导航信号的多普勒频移的估计值fdop_est和GNSS导航信号的多普勒变化率fdop_ratio；将所述GNSS导航信号的多普勒频移的估计值作为GNSS导航信号载波多普勒的初始搜索单元；以及通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围，所述GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在频率维度的搜索时间。
步骤120：根据载波多普勒的搜索信息选定当前载波多普勒的搜索单元，并产生GNSS基带信号的本地载波；优选方案为：
根据当前载波频率的搜索单元的中心频率，利用载波数控振荡器复制产生出与当前搜索单元的载波频率一致的GNSS基带信号的本地载波，其中GNSS基带信号的本地载波包括同相支路的正弦载波sin和正交支路的余弦载波cos。
步骤130：将GNSS基带信号与GNSS基带信号的本地载波进行混频运算；优选方案为：
将GNSS基带信号分别与同相支路的正弦载波sin和正交支路的余弦载波cos进行混频，得到混频后的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix。经过混频运算后，就可以剥离掉GNSS基带信号中的载波成分步骤140：在低轨卫星的辅助下获取码相位的搜索信息；优选方案为：
通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的码相位的估计值；以及通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号码相位的搜索范围，所述GNSS导航信号码相位的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，这样就不需要进行全码段的码相位搜索，减少了GNSS导航信号在码维度的搜索时间。
步骤150：根据码相位的搜索信息产生GNSS基带信号的本地测距码；优选方案为：
本地测距码属于伪随机码，具有良好的自相关和互相关性能，GNSS导航接收机通过对所接收到的GNSS导航信号与接收机内部所产生的本地测距码进行相关运算，检测自相关函数的峰值，从而确定接收信号中测距码的相位。
如图2所示，步骤150优选方案包括如下子步骤：
步骤151：产生GNSS基带信号的本地主码序列。根据GNSS导航信号的码相位的估计值产生GNSS基带信号的本地主码序列；
步骤152：产生GNSS基带信号的本地子码序列。根据GNSS导航信号的码相位估计值信息产生GNSS基带信号的本地子码序列；
步骤153：将GNSS基带信号的本地主码序列与GNSS基带信号的本地子码序列进行异或运算产生GNSS基带信号的本地测距码。
优选方案为：本地测距码采用分层码结构，由主码和子码相异或构成，子码的码元宽度与主码的周期相同，子码的码元起始时刻与主码第一个码元的起始时刻严格对齐。在进一步的实施例中，本地测距码的子码可以包括：GNSS辅助信息中的码相位的估计值，根据本地测距码的子码产生的规则和当前搜索单元的子码频率，生成与当前导航信号对应的本地测距码的子码序列。在一实施例中，本地测距码的主码可以包括：根据主码产生的规则和当前搜索单元的主码频率生成周期的本地测距码的主码序列。
步骤160：将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算；优选方案为：
对于长码信号，采用并行码相位搜索，由于FFT/IFFT(快速傅里叶变换/快速傅里叶反变换)长度有限，因而需分段进行并行码相位搜索。选取合适的数据长度，对数据和本地测距码分段进行FFT运算，然后再对应相乘。
如图3所示，步骤160优选方案包括如下子步骤：
步骤161：将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别进行分段处理。优选方案为：
将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别分成N段，每段长度L，得到分段后的第一分段同相支路信号和第一分段正交支路信号然后将分段后的第一分段同相支路信号/>和第一分段正交支路信号/>分别进行FFT运算得到第二分段同相支路信号和第二分段正交支路信号/>
步骤162：将本地测距码进行分段处理。优选方案为：
将产生的本地测距码也分为每段长L的N段，得到分段后的本地测距码(prn1,prn2,prn3...prnN)，将分段后的本地测距码进行FFT运算得到
步骤163：分段相关运算。优选方案为：
将FFT运算后的第二分段同相支路信号和第二分段正交支路信号/>分别与FFT运算后的本地测距码段/>进行相乘运算，得到分段相关运算的第二同相支路信号/>和第二正交支路信号/>
步骤170：对分段相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正正交支路信号Qcorr分别进行长时间相干积分；优选方案为：
将分段相关运算得到的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr进行对应点累加实现长时间相干积分，并对累加后的结果进行IFFT运算，得到长相干积分后的第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh。
相干积分是指对相关运算后的同相和正交两路信号分别进行积分，相干积分受到比特跳变的影响，子码码元的存在相当于调制了导航电文比特，仍然不能做超过一个子码码元长度的相干积分，即相干积分时间不能超过一个比特电文的长度(即子码的码元长度)。本申请实施例一方面利用低轨卫星获得的粗略的码相位，可以把GNSS导航信号导频支路的子码剥离，这样就消除了相关运算后由于子码的存在而有的“比特跳变”的影响；另一方面利用低轨卫星获得的多普勒信息，包括多普勒的估计值和多普勒变化率，可以在长时间相干积分的过程中不断调整载波多普勒的频率和载波多普勒频率的变化率、通过载波辅助码的方法不断调整码的频率和码频率的变化率，进而相应地调整载波NCO(数控振荡器)和码NCO(数控振荡器)的输出频率，这样就消除了长相干积分的过程中由于长时间累加引起的频率偏差和码相位偏差的影响。
在不考虑其他因素的影响，理论上可以进行无限长的相干积分，在实际应用中，可以根据所需相干积分增益设定所述相干积分的时间，其中相干积分增益Gcoh与相干积分时间Tcoh有关系，两者的关系公式为Gcoh＝10lg(BpdTcoh)，其中Gcoh为相干积分增益，Bpd为预检噪声带宽。在本申请实施例中，在低轨卫星的辅助下，采用Tcoh＝400ms的相干积分，设置Bpd＝2MHz，其所带来的相干积分增益比Tcoh＝1ms相干积分时间下所带来的相干积分增益提高26dB。由上可见长时间的相干积分可以提高信号的处理增益，因此，可以通过对导航信号进行长时间相干积分提高信号的信噪比来进行检测，实现对低信噪比信号的高灵敏捕获。
步骤180：对相干积分后的第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh进行非相干积分运算优选方案为：
非相干积分是将相干积分后的同相和正交两路信号求平方和，“非相干”的含义是去除相位信息，仅保留幅度信息，但是存在平方损失。
步骤190：对非相干积分运算后的结果V进行峰值检测与门限判决。优选方案为：
对非相干积分的结果V寻找最大值，并且把该值与预设阈值进行比较，如果非相干积分的最大值超过预设阈值，则认为捕获成功，同时该最大值对应的频率和码相位即为要捕获信号的载波频率和码相位，否则需要更换频率搜索单元和码搜索单元继续搜索，直至完成所有频率搜索范围和码搜索范围。
图4所示为本发明优选的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法搜索范围示意图。如图4所示，优选包括：
优选方案为：GNSS导航接收机的捕获过程优选是通过对GNSS导航卫星信号的载波频率和码相位这二维进行扫描式搜索来完成。如图4所示，载波频率的搜索步长称为频带宽度fbin，每一个频带对应着一个载波频率搜索值，而对码相位的搜索步长又称为码带宽度tbin，每一个码带对应着一个码相位搜索值。每一个码带与每一个频带的交点称为一个搜索单元，接收机在一个搜索单元上搜索时，所复制的载波频率与码相位值对应于该搜索单元的中心点位置。若接收机成功捕获了信号，则对该信号载波频率的估计误差不大于半个频带宽度，对码相位的估计误同样也不大于半个码带宽度。
优选方案为：在信号捕获领域，经常用不定值来表示信号参数值的搜索范围大小，并用不定区间来指定搜索范围。对一个信号进行二维搜索的不定区间大小，决定了完成对该信号的搜索所需要的时间。如图所示，频率不定区间与码相位不定区间所包围的面积构成了对一个接收信号的二维搜索范围，其中信号载波频率和码相位的不定值分别为func与tunc，搜索频带与码带宽度有分别为fbin与tbin，那么该二维搜索范围所包含的搜索单元数据Ncell为驻留时间Tdwell是指接收机在每个搜索单元上进行一次信号搜索所需要的时间，于是驻留时间乘以搜索单元总数就等于搜索一遍整个不定区间所需要的时间Ttot，即Ttot＝TdwellNcell。
优选方案为：通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号载波的多普勒信息，所述GNSS导航信号载波的多普勒信息包括GNSS导航信号的多普勒频移的估计值fdop_est和GNSS导航信号的多普勒变化率fdop_ratio；将所述GNSS导航信号的多普勒频移的估计值作为GNSS导航信号载波多普勒的初始搜索单元；以及通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围，所述GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在频率维度的搜索时间。
优选方案为：通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的码相位的估计值；以及通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号码相位的搜索范围，所述GNSS导航信号码相位的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在码维度的搜索时间。
进一步优选的，GNSS导航信号的码长为10230，码率为1.023Mcps，码周期为10ms。无低轨卫星辅助下，GNSS导航接收机对GNSS卫星信号的频率和码相位的搜索范围分别设为±10kHz和10230码片，并采用500Hz的频率搜索步长和0.25码片的码相位搜索步长，则二维搜索的搜索单元总数为如果在每个搜索单元上的驻留时间为Tdwell＝4ms，则搜索时间Ttot＝TdwellNcell＝1677720×4＝6710.88s
优选方案为：通过低轨卫星的辅助，可以获取GNSS导航信号的粗略码相位信息作为码相位搜索的初始值，同时低轨卫星对GNSS导航接收机的授时精度达到50微秒，则GNSS导航接收机对上述GNSS卫星信号的码相位的搜索范围可以缩小至±50个码片。通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的多普勒的估计值作为载波多普勒搜索的初始值，同时根据对低轨卫星的测速精度可以达到0.2m/s、低轨卫星的速度信息和位置信息、GNSS的速度信息和位置信息，综合可以获得对GNSS导航接收机对上述GNSS卫星信号的频率的搜索范围可以缩小至±10Hz。因此在低轨卫星辅助下，GNSS导航接收机对上述GNSS卫星信号的频率和码相位的搜索范围可以缩小至±10Hz和±50个码片，并采用5Hz的频率搜索步长和0.25码片的码相位搜索步长，则二维搜索的搜索单元总数为如果在每个搜索单元上的驻留时间为Tdwell＝4ms，则搜索时间Ttot＝TdwellNcell＝2000×4＝8s
通过上述两个优选方案对比发现，在同样捕获算法下，完成一次捕获的搜索时间有低轨卫星辅助比无辅助时提高6702.88s，大大缩短了捕获时间，提高捕获效率。
图5所示为本申请一实施例提供的一种低轨卫星辅助获取GNSS导航信号码相位信息的流程图。如图5所示，优选方案包括如下：
GNSS导航卫星所发射的导航信号从结构上分为载波、伪码和数据码(即导航电文)三个层次，伪码是周期性的，具有良好的自相关和互相关性能，由于伪码在GNSS中又被用作测距码，故又被称为测距码，所述码相位信息是指的调制在导航信号上的伪码的相位信息。由于导航增强信号中包含了转发导航增强信息，即包含了GNSS导航卫星所发出的信号，因此，可以通过接收处理低轨导航增强信号来获取GNSS导航信号的码相位的估计值。其中，获取粗略码相位信息的具体方法可以是：
步骤501：通过对低轨导航增强信号的接收处理获取到所述GNSS导航接收机的位置信息、速度信息和时间信息，以及低轨卫星转发的GNSS导航信息。优选方案为：
通过GNSS导航接收机完成低轨导航增强信号的捕获、跟踪、同步、译码，完成GNSS导航接收机的粗定位和粗授时，获取到所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)的位置信息(x,y,z)、速度信息(vx,vy,vz)和时间信息，同时获取到低轨卫星转发的GNSS导航信息，其中所述GNSS导航信息包括所述GNSS导航信号的发射时间和GNSS导航卫星在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)的位置信息(xn,yn,zn)和速度信息/>
步骤502：获取第一伪距，优选方案为：
根据所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)的位置信息(x,y,z)和所述GNSS导航卫星在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)的位置信息(xn,yn,zn)，获取到第一伪距其中δΔt为电离层延时、对流层延时、卫星钟差引起的伪距偏差；
步骤503：获取第一传播时间，优选方案为：
由所述第一伪距计算得到第一传播时间/>其中c为光速；
步骤504：获取修正后的第二伪距和第二传播时间；优选方案为：
利用电离层模型、对流层模型和卫星钟差模型分别对电离层延时、对流层延时、卫星钟差进行校正，得到第二伪距和第二传播时间/>
步骤505：获取GNSS导航信号的接收时间，优选方案为：
根据所述GNSS导航信号的发射时间和所述第二传播时间得到所述导航信号的接收时间/>
步骤506：获取GNSS导航信号的码相位的估计值，优选方案为：
根据所述GNSS导航信号的接收时间以及GNSS导航信号电文结构，计算得到接收机接收到GNSS导航信号时的所述GNSS导航信号的粗略码相位。
图6所示为本发明优选的一种低轨卫星辅助获取GNSS导航信号多普勒信息的流程图。如图6所示，可以包括：
所述GNSS导航信号的粗略多普勒信息包括GNSS导航信号的粗略多普勒频移的估计值fdop_est和多普勒变化率fdop_ratio；具体的获取步骤包括如下:
步骤601：计算初始多普勒频移fdop_init，优选方案为：
根据所述GNSS导航接收机在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)的位置信息(x,y,z)和速度信息(vx,vy,vz)、所述GNSS导航卫星在地心地固坐标系(也可以为其他坐标系，例如WGS84坐标系等)的位置信息(xn,yn,zn)和速度信息获取到初始多普勒频移/>其中1n是GNSS卫星n所述GNSS在接收机处的单位观测矢量，/>
步骤602：修正初始多普勒频移获得多普勒频移fdop_est，优选方案为：
对所述初始多普勒信息fdop_init进行修正，得到所述多普勒频移fdop_est。
步骤603：获得多普勒变化率fdop_ratio，优选方案为：
根据单位时间内多普勒频移的变化，得到多普勒变化率
图7所示为本申请优选的一种低轨卫星辅助的长码信号捕获装置的结构示意图。如图7所示，该捕获装置700包括：GNSS信号接收模块710，用于获取GNSS导航信号；低轨接收处理模块720，用于接收处理低轨导航信号，并获得GNSS辅助信息；其中所述GNSS辅助信息包括GNSS导航信号的多普勒信息和GNSS导航信号的码相位的估计值。GNSS信号处理模块730，用于利用GNSS辅助信息完成长码信号的高灵敏快速捕获。应当理解，本发明优选的捕获装置700可以是GNSS导航接收机，也可以是GNSS导航接收机的一部分，优选还可以是包含GNSS导航接收机以及其他部件的设备。
本申请优选的低轨卫星辅助的长码信号的捕获装置，通过GNSS信号接收模块710获取GNSS导航卫星所发出的导航信号，并且通过低轨接收处理模块720接收处理低轨卫星所发出的导航增强信号，并获得GNSS辅助信息；GNSS信号处理模块730，利用低轨卫星播发的导航增强信号，GNSS导航接收机可以实现对长码信号的高灵敏快速捕获，在导航信号较弱或者导航信号受到干扰等复杂环境下，也可以完成导航信号的高灵敏快速捕获，从而保证了各种复杂环境下的导航星座服务的可用性。
图8所示为本申请优选的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获装置的结构示意图。如图8所示，该GNSS信号接收模块710可以包括：高频信号接收单元711，用于接收GNSS导航卫星所发出的高频信号；中频信号处理单元712，用于将高频信号转化为中频信号。
如图8所示，低轨接收处理模块720优选方案包括：低轨信号接收处理单元721，用于接收处理低轨卫星所发射的导航增强信号，通过捕获、跟踪、同步、译码等完成GNSS导航接收机的定位和授时，GNSS载波多普勒搜索信息获取单元722，根据GNSS导航接收机的粗定位和粗授时结果，获取GNSS导航信号的多普勒频移的估计值fdop_est和GNSS导航信号的多普勒变化率fdop_ratio；GNSS信号码相位搜索信息获取单元723，根据GNSS导航接收机的定位和授时结果，获取GNSS导航信号的码相位的估计值以及GNSS导航信号码相位的搜索范围。
如图8所示，GNSS信号处理模块730优选方案包括：
本地载波生成单元731，利用载波数控振荡器复制产生出与当前搜索单元的载波频率一致的GNSS基带信号的本地载波；混频单元732，将GNSS基带信号分别与本地载波进行混频，经过混频运算后，就可以剥离掉GNSS基带信号中的载波成分；本地测距码生成单元733，包括产生GNSS基带信号的本地主码序列，产生GNSS基带信号的本地子码序列，将GNSS基带信号的本地主码序列与GNSS基带信号的本地子码序列进行异或运算产生GNSS基带信号的本地测距码；分段相关单元734，用于把混频单元的输出信号与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关，实现GNSS导航信号与本地测距码的相关。相干积分单元735，用于通过对相关运算后的导航信号进行分段累加实现长时间相干积分，提高相干积分后的导航信号的信噪比；非相干积分单元736，用于对相干积分后的导航信号进行非相干积分运算；峰值检测与门限判决单元737，用于对非相干积分的结果寻找最大值，并且把该值与预设阈值进行比较，如果非相干积分的最大值超过预设阈值，则认为捕获成功，同时该最大值对应的频率和码相位即为要捕获信号的载波频率和码相位，否则需要更换频率搜索单元和码搜索单元继续搜索，直至完成所有频率搜索范围和码搜索范围。
本发明提高弱信号的捕获灵敏度，
本发明提高了捕获灵敏性能，优选方案为：延长相干积分时间，和延长非相干积分的时间。相干积分时间受“跨比特沿”的制约，所述比特包括但不限于GNSS导航电文比特和/或测距码中的子码，所述比特的长度一般不超过20ms。在所述比特未剥离之前，相干积分时间不能超过所述“比特”的长度，故一般相干积分时间不会超过20ms。非相干积分对相干积分后的输出进行平方操作，相当于同时放大了信号和噪声，降低了信号处理增益提升的效果，引入了平方损耗。非相干积分时间越长，平方损耗越大。
本发明缩短了长码捕获的捕获时间，优选方案为：捕获时间包括对GNSS导航信号载波频率维度和码维度的搜索时间，由于长码周期较长，码维度的搜索时间较长，导致捕获时间很长。缩短捕获时间可以通过缩短载波频率维度和码维度的搜索时间来实现。
本发明利用低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号辅助信息，包括多普勒信息和码相位的估计值，
一方面利用码相位估计值产生本地测距码的子码并参与相关运算，保证在相关运算后消除“比特跳变“(例如测距码中子码)对相干积分时间的影响，通过长时间相干积分实现长码的高灵敏捕获，提高低信噪比环境下GNSS长码信号捕获性能；
另一方面GNSS导航信号的多普勒信息和码相位的估计值，缩小信号在频率维度和码维度的搜索时间，提高捕获效率，实现长码的快速捕获。
为了验证本发明所述的长码捕获方法的有效性，将所述GNSS长码捕获方法通过verilog语言实现，采用FPGA与DSP相结合的板卡进行验证分析。利用模拟信号源产生B1C信号和低轨导航增强信号，B1C码率为1.023Mcps，码周期为10ms，B1C信号包括数据支路和导频支路，导频支路只调制了测距码，没有调制导航电文，数据支路既调制了测距码，又调制导航电文，且数据支路和导频支路是同步的，故利用所述的GNSS长码信号捕获方法中可以只对导频支路进行捕获即可等同于实现对导航信号的捕获。但是导频支路中调制了码片长度为10ms的子码，在无辅助信息的条件下相干积分时间不能大于10ms。
利用低轨卫星的辅助获取B1C信号的多普勒信息和码相位估计值，根据码相位的估计值产生B1C信号的子码，在相关运算中把导频支路的子码剥离后即可进行长时间的相干积分运算，本文的测试中测试了不同信号功率下，不同相干积分时间对于捕获灵敏度和捕获时间的提升。
测试结果：在无辅助条件下，相干积分时间设置为2ms，非相干次数为1，经测试，捕获灵敏度达到-130dbm。利用低轨卫星辅助的情况下，相干积分时间设置为80ms，非相干次数为1，捕获灵敏度可达到-150，抗干扰性能提升15db，表明本发明专利提出的长码捕获方法的有效性。
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以上装置优选方案的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果。对于本发明装置实施例中未披露的技术细节，请参照本发明方法实施例的描述而理解。
下面，参考图9来描述根据本申请实施例的电子设备。该电子设备可以是第一设备和第二设备中的任一个或两者、或与它们独立的单机设备，该单机设备可以与第一设备和第二设备进行通信，以从它们接收所采集到的输入信号。
图9图示了根据本申请实施例的电子设备的框图。
如图9所示，电子设备10包括一个或多个处理器11和存储器12。
处理器11可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备10中的其他组件以执行期望的功能。
存储器12可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器11可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本申请的各个实施例的低轨卫星辅助的导航信号捕获方法以及/或者其他期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储诸如输入信号、信号分量、噪声分量等各种内容。
在一个示例中，电子设备10还可以包括：输入装置13和输出装置14，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。
例如，在该电子设备是第一设备或第二设备时，该输入装置13可以是数据输入设备，用于获取输入信号。在该电子设备是单机设备时，该输入装置13可以是通信网络连接器，用于从第一设备和第二设备接收所采集的输入信号。
此外，该输入设备13还可以包括例如键盘、鼠标等等。
该输出装置14可以向外部输出各种信息，包括确定出的距离信息、方向信息等。该输出设备14可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。
当然，为了简化，图9中仅示出了该电子设备10中与本申请有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备10还可以包括任何其他适当的组件。
除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的低轨卫星辅助的导航信号捕获方法中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的低轨卫星辅助的导航信号捕获方法中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，其特征在于，步骤包括：
获取GNSS基带信号，该基带信号为长码信号；
在低轨卫星的辅助下，获取GNSS基带信号载波多普勒的搜索信息；
根据GNSS基带信号载波多普勒的搜索信息，选定当前载波多普勒的搜索单元，并产生GNSS基带信号的本地载波；
将GNSS基带信号与GNSS基带信号的本地载波进行混频运算，得到第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix；
在低轨卫星的辅助下，获取GNSS基带信号码相位的搜索信息；
根据GNSS基带信号码相位的搜索信息，产生GNSS基带信号的本地测距码；
将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算，得到第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr；
对相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr分别进行相干积分运算，得到第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh；
对相干积分后的第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh进行非相干积分运算，得到非相干积分运算后的结果；
对非相干积分运算后的结果，进行峰值检测，得到峰值；根据峰值进行门限判断，当峰值大于等于设定的门限，则判定获取GNSS基带信号捕获成功，否则判定获取的GNSS基带信号捕获不成功。
2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，其特征在于，所述在低轨卫星的辅助下获取载波多普勒的搜索信息包括：
通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号载波的多普勒信息，所述GNSS导航信号载波的多普勒信息包括GNSS导航信号的多普勒频移的估计值fdop_est和GNSS导航信号的多普勒变化率fdop_ratio；其中所述的多普勒频移估计值fdop_est的精度超过跟踪模块的牵引范围，需要利用所述长码捕获方法对载波频率做进一步搜索；
将所述GNSS导航信号的多普勒频移估计值fdop_est作为GNSS导航信号载波多普勒的初始搜索单元；以及
通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围，所述GNSS导航信号载波多普勒的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在频率维度的搜索时间。
3.根据权利要求1所述的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，其特征在于，所述在低轨卫星的辅助下获取码相位的搜索信息包括：
通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的码相位的估计值；其中所述的码相位的估计值的精度超过跟踪模块的牵引范围，需要利用所述长码捕获方法对码相位做进一步搜索；以及
通过低轨卫星的辅助确定GNSS导航信号码相位的搜索范围，所述GNSS导航信号码相位的搜索范围比无低轨卫星的辅助下有明显的缩小，减少了GNSS导航信号在码维度的搜索时间。
4.根据权利要求3所述的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，其特征在于，根据所述码相位的搜索信息产生GNSS基带信号的本地测距码包括：
根据GNSS导航信号的码相位估计值产生GNSS基带信号的本地子码序列；
根据GNSS导航信号的码相位估计值产生GNSS基带信号的本地主码序列；以及将GNSS基带信号的本地主码序列与GNSS基带信号的地子码序列进行异或运算产生GNSS基带信号的距码。
5.根据权利要求1所述的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，其特征在于，所述将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算；包括：
将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别分成N段，每段长度L，得到分段后的第一分段同相支路信号和第一分段正交支路信号然后将分段后的第一分段同相支路信号/>和第一分段正交支路信号/>分别进行FFT运算得到第二分段同相支路信号和第二分段正交支路信号/>
将产生的本地测距码也分为每段长L的N段，得到分段后的本地测距码(prn1,prn2,prn3...prnN)，将分段后的本地测距码进行FFT运算得到
将FFT运算后的第二分段同相支路信号和第二分段正交支路信号/>分别与FFT运算后的本地测距码段/>进行相乘运算，得到分段相关运算的第二同相支路信号/>和第二正交支路信号/>
6.根据权利要求1所述的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，其特征在于，所述对相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr分别进行长时间相干积分，包括：
将分段相关运算得到的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr进行对应点累加实现长时间相干积分，得到长相干积分后的第三同相支路信号Icoh＝∑Icorr和第三正交支路信号Qcoh＝∑Qcorr；
其中所述长时间相干积分的时间在低轨卫星的辅助下设为400ms以上。
7.根据权利要求3所述的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，其特征在于，所述通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号的码相位估计值，包括：
通过GNSS导航接收机完成低轨导航增强信号的捕获、跟踪、同步、译码，完成GNSS导航接收机的定位和授时，获取到所述GNSS导航接收机的位置信息(x,y,z)、速度信息(vx,vy,vz)和时间信息，同时获取到低轨卫星转发的GNSS导航信息，其中所述GNSS导航信息包括所述GNSS导航信号的发射时间和GNSS导航卫星的位置信息(xn,yn,zn)和速度信息
根据所述GNSS导航接收机的位置信息(x,y,z)和所述GNSS导航卫星的位置信息(xn,yn,zn)，其中n表示第n颗GNSS导航卫星，获取到GNSS接收机与第n颗卫星的第一伪距其中δΔt为电离层延时、对流层延时、卫星钟差引起的伪距偏差；
由所述第一伪距计算得到第一传播时间/>其中c为光速；
利用电离层模型、对流层模型和卫星钟差模型分别对电离层延时、对流层延时、卫星钟差进行校正，得到第二伪距和第二传播时间/>
根据所述GNSS导航信号的发射时间和所述第二传播时间得到所述导航信号的接收时间/>以及
根据所述GNSS导航信号的接收时间以及GNSS导航信号电文结构，计算得到接收机接收到GNSS导航信号时的所述GNSS导航信号的粗略码相位。
8.根据权利要求7所述的一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获方法，其特征在于，所述通过低轨卫星的辅助获取GNSS导航信号载波的多普勒信息，包括：
根据所述GNSS导航接收机的位置信息(x,y,z)和速度信息(vx,vy,vz)、所述GNSS导航卫星的位置信息(xn,yn,zn)和速度信息获取到初始多普勒频移其中1n是GNSS卫星n所述GNSS在接收机处的单位观测矢量，/>
对所述初始多普勒频移fdop_init进行修正，得到所述多普勒频移的估计值fdop_est；以及
根据单位时间内多普勒频移的估计值fdop_est的变化，得到多普勒变化率
9.一种低轨卫星辅助的GNSS长码信号捕获装置，其特征在于，包括：GNSS信号接收模块、低轨接收处理模块和GNSS信号处理模块；
GNSS信号接收模块，获取GNSS基带信号，该基带信号为长码信号；
低轨接收处理模块，在低轨卫星的辅助下，获取GNSS基带信号载波多普勒的搜索信息，作为GNSS辅助信息；
根据GNSS基带信号载波多普勒的搜索信息，选定当前载波多普勒的搜索单元，并产生GNSS基带信号的本地载波；
将GNSS基带信号与GNSS基带信号的本地载波进行混频运算，得到第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix；
在低轨卫星的辅助下，获取GNSS基带信号码相位的搜索信息；作为GNSS辅助信息；
GNSS信号处理模块，根据GNSS基带信号码相位的搜索信息，产生GNSS基带信号的本地测距码；
将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别与GNSS基带信号的本地测距码进行分段相关运算，得到第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr，具体为：
将混频运算得到的第一同相支路信号Imix和第一正交支路信号Qmix分别分成N段，每段长度L，得到分段后的第一分段同相支路信号和第一分段正交支路信号然后将分段后的第一分段同相支路信号/>和第一分段正交支路信号/>分别进行FFT运算得到第二分段同相支路信号和第二分段正交支路信号/>
将产生的本地测距码也分为每段长L的N段，得到分段后的本地测距码(prn1,prn2,prn3...prnN)，将分段后的本地测距码进行FFT运算得到
将FFT运算后的第二分段同相支路信号和第二分段正交支路信号/>分别与FFT运算后的本地测距码段/>进行相乘运算，得到分段相关运算的第二同相支路信号/>和第二正交支路信号/>
对相关运算后的第二同相支路信号Icorr和第二正交支路信号Qcorr分别进行相干积分运算，得到第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh；
对相干积分后的第三同相支路信号Icoh和第三正交支路信号Qcoh进行非相干积分运算，得到非相干积分运算后的结果；
对非相干积分运算后的结果，进行峰值检测，得到峰值；根据峰值进行门限判断，当峰值大于等于设定的门限，则判定获取GNSS基带信号捕获成功，否则判定获取的GNSS基带信号捕获不成功。
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