CN112987042A - 一种导航信号快速失锁重捕获方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导航信号快速失锁重捕获方法及系统。方法包括：S1、对卫星进行首次捕获，并进行引导和持续跟踪；S2、在信号失锁时接收机锁存参数；S3、对信号的目标多普勒‑码相位进行估算；S4、计算出快速重捕的参数并下发；S5、信号重捕时数据预滑动；S6、信号重捕时捕获模块对目标多普勒‑码相位分块进行时频二维联合搜索；S7、信号重捕完成并输出结果。本发明利用信号失锁时刻锁存的伪码相位和多普勒等参数，估算出信号捕获时刻的目标多普勒‑码相位分块，然后采用数据预滑动技术，将数据精准地滑动到与本地伪码相位对齐的位置，能够大幅地提高捕获模块的失锁重捕速度。

Description

一种导航信号快速失锁重捕获方法及系统

技术领域

本发明涉及导航技术领域，更具体地说，特别涉及一种导航信号快速失锁重捕获方法及系统。

背景技术

随着卫星导航技术的发展，导航接收机在各行业得到了广泛的使用，同时也对接收机实时性、快速响应能力提出了更高要求。接收机在工作过程中会频繁地穿越城市峡谷、树林等障碍物而导致信号短暂失锁，失锁重定位时间是接收机的一项重要性能指标。失锁重定位时间由捕获时间、引导时间和电文位同步时间构成，其中后两者的时间依赖于信号本身，而接收机捕获模块对信号的快速失锁重捕获能力决定了接收机失锁重定位时间。

接收机接收的导航信号是存在多普勒的扩频信号，捕获模块对信号的捕获过程其实是在扩频码相位和多普勒二维平面上的搜索过程。常用的捕获算法主要有基于快速傅里叶变换的频域捕获、基于匹配滤波器的时域捕获、基于分段相关的时频二维搜索算法，三种算法的原理基本一致，都是采用一定长度的采样数据和本地伪码进行相关运算。其中基于分段相关的时频二维搜索由于能够在伪码相位和多普勒上进行二维联合搜索，在损失一定灵敏度的情况下，能够极大地提高捕获的速度，在实际应用环境中得到了广泛应用。

采用常规的时频二维搜索算法，对于如B3I、E5a、E5b、L5等中长码信号来说，码长为10230，捕获时采样率设置为码率的2倍，也即码相位长度为20480，设并行相关器的个数为2048个，则伪码分段为10段，信号多普勒一般为±15KHz，分段相关的采样率设置为10KHz，则所需搜索的多普勒分段为3段，时频二维搜索算法即是在30个码相位-多普勒分块上进行二维搜索，假设后积累次数为10次，则捕获一颗卫星的时间为30*10ms=300ms，依次捕获10颗卫星的时间即为3s，这对于高动态等应用场景来说不能满足其对失锁重捕时间的要求。常规的通过增加并行相关器的个数则会带来寄存器和DSP资源的成倍增加，使得硬件资源以几何级数增长，同时带来接收机功耗的成倍增加，这会使得接收机的整体性能大打折扣。为此，有必要开发一种导航信号快速失锁重捕获方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导航信号快速失锁重捕获方法及系统，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种导航信号快速失锁重捕获方法，包括以下步骤，

S1、对卫星进行首次捕获，并进行引导和持续跟踪；

S2、在信号失锁时接收机锁存参数；

S3、对信号的目标多普勒-码相位进行估算；

S4、计算出快速重捕的参数并下发；

S5、信号重捕时数据预滑动；

S6、信号重捕时捕获模块对目标多普勒-码相位分块进行时频二维联合搜索；

S7、信号重捕完成并输出结果。

进一步地，在步骤S具体包括：

S10、接收机初始化时，捕获模块处于常规捕获状态且捕获模块对卫星信号的伪码周期中的所有多普勒-码相位分块进行搜索，得到信号的粗略码相位和多普勒；

S11、捕获模块捕获成功后，接收机对信号进行引导和持续跟踪，实时获得信号的精确码相位和多普勒。

进一步地，在步骤S2中锁存的参数包括失锁时刻的时标t0、失锁时刻信号的码相位cphs0和多普勒fd0。

进一步地，所述步骤S3具体为：根据信号失锁时到信号重捕时的时间差、失锁时刻信号的码相位和多普勒计算得到开始信号捕获时刻粗略的信号码相位和多普勒。

进一步地，所述步骤S4具体为：根据估算的目标多普勒-码相位计算出所需搜索的目标多普勒-码相位分块，并下发给捕获模块。

进一步地，所需搜索的目标多普勒-码相位分块包括捕获模块中下变频单元的本地载波频率、数据预滑动的分段数、所需搜索的伪码分段数、所需搜索的多普勒分段数。

进一步地，所述步骤S5具体为：

S50、捕获模块进入快速重捕状态，捕获模块通过数据预滑动技术，将信号滑动到估算的码相位附近；

S51、捕获模块在设定时刻开始启动，扔掉若干个需要预滑动的分块数据后，将后续数据开始存入数据缓存单元。

进一步地，所述步骤S6具体包括：

S60、捕获模块对目标多普勒-码相位分块展开时频二维联合搜索，完成信号的快速失锁重捕；

S61、捕获模块完成第一个码相位分段的搜索后，通过滑动一个数据分段的方式将数据移动到第二个码相位分段，然后再进行搜索。

进一步地，所述步骤S7具体包括：捕获模块在完成两个多普勒-码相位分块的搜索后，输出相关最大值对应的码相位和多普勒，完成信号的快速失锁重捕。

本发明还提供一种实现上述导航信号快速失锁重捕获方法的系统，包括：

捕获模块，用于进行信号捕获中的数据缓存、运算操作；

跟踪模块，用于进行信号跟踪中的载波剥离、伪码相关运算，以及实时锁存相关累加值、伪码相位、多普勒参数；

本地时间模块，用于用于产生脉冲，同步捕获模块和跟踪模块的信号处理过程；

跟踪处理模块，用于接收跟踪模块的参数，进行环路滤波后输出载波和伪码频率控制字，实现对信号的持续跟踪，当信号失锁时，锁存失锁时刻的参数；

失锁重捕处理模块，用于对信号的目标多普勒-码相位进行估算，根据信号失锁时到信号重捕时的时间差、信号失锁时的码相位和多普勒外推得到开始信号捕获时刻粗略的信号码相位和多普勒；根据估算出的信号码相位和多普勒，计算出所需搜索的目标多普勒-码相位分块，包括捕获模块中下变频单元的本地载波频率、数据预滑动的分段数、所需搜索的伪码分段数、所需搜索的多普勒分段数；将所得的参数下发给捕获控制模块。

捕获处理模块，用于将参数下发到捕获模块，并轮询地检测捕获模块的结果；

所述捕获模块、本地时间模块、跟踪模块、跟踪处理模块、失锁重捕处理模块和捕获处理模块依次连接，所述捕获处理模块还与捕获模块连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明利用信号失锁时刻锁存的伪码相位和多普勒等参数，估算出信号捕获时刻的目标多普勒-码相位分块，然后采用数据预滑动技术，将数据精准地滑动到与本地伪码相位对齐的位置，能够大幅地提高捕获模块的失锁重捕速度。典型地对于中长码的B3I等信号，将需要搜索的伪码相位-多普勒分块数由常规算法的30个缩小为2个，能够在不增加寄存器和DSP资源的情况下，将捕获一颗星的时间由常规的300ms缩短到约20ms，显著地缩短信号失锁重捕时间，提高接收机的快速响应性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明导航信号快速失锁重捕获方法的流程图。

图2是本发明中分段相关时频二维联合搜索算法的多普勒-码相位分块示意图。

图3为本发明中信号失锁时刻参数锁存示意图。

图4为本发明中伪码相位估算示意图。

图5为本发明中快速重捕时搜索的多普勒-码相位分块示意图。

图6为本发明中第一个多普勒-码相位分块中信号相位-本地伪码相位关系示意图。

图7为本发明中第二个多普勒-码相位分块中信号相位-本地伪码相位关系示意图。

图8为本发明中导航信号快速失锁重捕获系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一

本实施例以B3I信号为例进行说明，码长为10230，捕获时采样率设置为码率的2倍，取2的整数次幂长度，码相位长度为20480，记为cphs，设并行相关器的个数为2048个，则伪码分段为10段，记为cblk，信号多普勒一般为±15KHz，分段相关的采样率设置为10KHz，则所需搜索的多普勒分段为3段，记为fblk，设后积累次数为10次。

参阅图1所示，本实施例公开了一种导航信号快速失锁重捕获方法，包括以下步骤：

步骤S1：接收机初始化，捕获模块对卫星进行首次捕获，并进行引导和持续跟踪。

其中，所述的接收机初始化过程指接收机正常冷启动后，开始对各颗卫星进行依次搜索。

本实施例中的捕获模块对卫星进行首次捕获指对卫星信号的伪码周期中的所有30个多普勒-伪码相位分块进行搜索，如图2所示，得到信号的粗略码相位和多普勒。捕获成功后，接收机对信号进行引导和持续跟踪，实时获得信号精确的码相位和多普勒。

步骤S2：在信号失锁时接收机锁存参数；

其中，所述的信号失锁是由于接收机经过城市峡谷、树林等障碍物时信号遭遇遮挡而失锁，当接收机快速移动到其他开阔地方时信号能够重新覆盖。

所述的锁存参数包括失锁时刻的本地时标t0、失锁时刻信号的码相位cphs0和多普勒fd0。如图3所示，锁存的码相位位于cblk8。

步骤S3：信号重捕前参数估算，接收机对信号的目标多普勒-码相位进行估算。

其中，所述的参数估算指的是估算出信号重捕时刻的目标伪码相位cphs1和目标多普勒

，如图4所示，设信号重捕时刻的本地时标为

，计算公式如下：

；

；

步骤S4：信号重捕前参数设置，接收机计算出快速重捕的参数并下发。

其中，所述的参数设置是指根据目标伪码相位和目标多普勒转换为目标伪码分段cblk0：

最靠近blk7和blk8，则选取

为blk7，所需搜索的两个伪码分段即为blk7和blk8.则需要预滑动的数据分段为precblk为：

设置需要搜索的伪码块数

=2、需要搜索的多普勒块数为fblkn=1。

如图5所示，捕获模块只需搜索2个多普勒-伪码相位分块。

步骤S5：信号重捕时数据预滑动。

其中，所述的数据预滑动指捕获模块等待设定时刻（例如50pps）开始启动，捕获模块扔掉precblk个分段的数据后，将后续数据开始存入数据缓存单元，如图6所示。数据预滑动2个cblk后，开始数据缓存，可见数据相位和本地伪码相位已经逼近对齐状态。

步骤S6：信号重捕时捕获模块对目标多普勒-码相位分块进行时频联合搜索。

其中，所述的联合搜索过程包括捕获模块完成第一个多普勒-码相位分块的搜索后，通过滑动1个数据分段的方式将数据移动到第二个多普勒-码相位分块，如图7所示，滑动完成后，开始数据缓存，然后开始第2个多普勒-码相位的搜索。

步骤S7：信号重捕完成结果输出。

其中，所述的捕获结果指捕获模块完成2个分块的搜索后，输出相关最大值对应的码相位和多普勒，完成信号的快速失锁重捕。

实施例二

参阅图8所示，本申请实施例还提供一种基于数据预滑动技术的导航信号快速捕获方法的系统，包括：捕获模块，在FPGA/ASIC执行，用于进行信号捕获中的数据缓存、相关运算等操作，特别地，数据缓存进行数据预滑动，相关运算进行时频联合搜索；跟踪模块，在FPGA/ASIC执行，用于进行信号跟踪中的载波剥离、伪码相关等运算，实时锁存相关累加值、伪码相位、多普勒等参数；本地时间模块，在FPGA/ASIC执行，用于产生50pps（也即20ms）脉冲，同步捕获模块和跟踪模块的信号处理过程；跟踪处理模块，在ARM/DSP中执行，用于接收跟踪模块的相关值等参数，进行环路滤波后输出载波和伪码频率控制字，实现对信号的持续跟踪，当信号由于遮挡等因素失锁时，锁存失锁时刻的时标、伪码相位、多普勒参数；失锁重捕处理模块，在ARM/DSP中执行，用于信号重捕前参数估算，对信号的目标多普勒-码相位进行估算，根据信号失锁时到信号重捕时的时间差、信号失锁时的码相位和多普勒外推得到开始信号捕获时刻粗略的信号码相位和多普勒；根据估算出的信号码相位和多普勒，计算出所需搜索的目标多普勒-码相位分块，包括捕获模块中下变频单元的本地载波频率、数据预滑动的分块数、需搜索的分块数；将所得的参数下发给捕获控制模块；捕获处理模块，在ARM/DSP中执行，用于将参数下发到捕获模块，并且轮询地检测捕获模块的结果；所述捕获模块、本地时间模块、跟踪模块、跟踪处理模块、失锁重捕处理模块和捕获处理模块依次连接，所述捕获处理模块还与捕获模块连接。

本发明利用信号失锁时刻锁存的伪码相位和多普勒等参数，估算出信号捕获时刻的目标多普勒-伪码相位分块，采用数据预滑动技术，将数据精准地滑动到与本地伪码相位对齐的位置，能够大幅地提高捕获模块的失锁重捕速度。典型地对于中长码的B3I等信号，将需要搜索的伪码相位-多普勒分块数由常规算法的30个缩小为2个，能够在不增加寄存器和DSP资源的情况下，将捕获一颗星的时间由常规的300ms缩短到约20ms，显著地缩短信号失锁重捕时间，提高接收机的快速响应性能。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1、对卫星进行首次捕获，并进行引导和持续跟踪；

S2、在信号失锁时接收机锁存参数；

S3、对信号的目标多普勒-码相位进行估算；

S4、计算出快速重捕的参数并下发；

S5、信号重捕时数据预滑动；

S6、信号重捕时捕获模块对目标多普勒-码相位分块进行时频二维联合搜索；

S7、信号重捕完成并输出结果。

2.根据权利要求1所述的导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，在步骤S1具体包括：

S10、接收机初始化时，捕获模块处于常规捕获状态且捕获模块对卫星信号的伪码周期中的所有多普勒-码相位分块进行搜索，得到信号的粗略码相位和多普勒；

S11、捕获模块捕获成功后，接收机对信号进行引导和持续跟踪，实时获得信号的精确码相位和多普勒。

3.根据权利要求1所述的导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，在步骤S2中锁存的参数包括失锁时刻的时标t0、失锁时刻信号的码相位cphs0和多普勒fd0。

4.根据权利要求1所述的导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：根据信号失锁时到信号重捕时的时间差、失锁时刻信号的码相位和多普勒计算得到开始信号捕获时刻粗略的信号码相位和多普勒。

5.根据权利要求1所述的导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：根据估算的目标多普勒-码相位计算出所需搜索的目标多普勒-码相位分块，并下发给捕获模块。

6.根据权利要求5所述的导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，所需搜索的目标多普勒-码相位分块包括捕获模块中下变频单元的本地载波频率、数据预滑动的分段数、所需搜索的伪码分段数、所需搜索的多普勒分段数。

7.根据权利要求1所述的导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

S50、捕获模块进入快速重捕状态，捕获模块通过数据预滑动技术，将信号滑动到估算的码相位附近；

S51、捕获模块在设定时刻开始启动，扔掉若干个需要预滑动的分块数据后，将后续数据开始存入数据缓存单元。

8.根据权利要求1所述的导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

S60、捕获模块对目标多普勒-码相位分块展开时频二维联合搜索，完成信号的快速失锁重捕；

S61、捕获模块完成第一个码相位分段的搜索后，通过滑动一个数据分段的方式将数据移动到第二个码相位分段，然后再进行搜索。

9.根据权利要求1所述的导航信号快速失锁重捕获方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：捕获模块在完成两个多普勒-码相位分块的搜索后，输出相关最大值对应的码相位和多普勒，完成信号的快速失锁重捕。

10.一种实现权利要求1-9任意一项所述的导航信号快速失锁重捕获方法的系统，其特征在于，包括：

捕获模块，用于进行信号捕获中的数据缓存、运算操作；

跟踪模块，用于进行信号跟踪中的载波剥离、伪码相关运算，以及实时锁存相关累加值、伪码相位、多普勒参数；

本地时间模块，用于产生脉冲，同步捕获模块和跟踪模块的信号处理过程；

跟踪处理模块，用于接收跟踪模块的参数，进行环路滤波后输出载波和伪码频率控制字，实现对信号的持续跟踪，当信号失锁时，锁存失锁时刻的参数；

失锁重捕处理模块，用于对信号的目标多普勒-码相位进行估算，根据信号失锁时到信号重捕时的时间差、信号失锁时的码相位和多普勒外推得到开始信号捕获时刻粗略的信号码相位和多普勒；根据估算出的信号码相位和多普勒，计算出所需搜索的目标多普勒-码相位分块，包括捕获模块中下变频单元的本地载波频率、数据预滑动的分段数、所需搜索的伪码分段数、所需搜索的多普勒分段数；将所得的参数下发给捕获控制模块；

捕获处理模块，用于将参数下发到捕获模块，并轮询地检测捕获模块的结果；

所述捕获模块、本地时间模块、跟踪模块、跟踪处理模块、失锁重捕处理模块和捕获处理模块依次连接，所述捕获处理模块还与捕获模块连接。

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