CN112987046A - 一种卫星信号快速捕获方法、装置及计算机存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种卫星信号快速捕获方法,包括:对2周期本地码1/4码片采样后的数据进行FFT;根据中频值对卫星数据进行中频下变频后,进行1/4码片重采样;将重采样后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频;对多普勒下变频后的数据进行FFT得到卫星频谱数据;对卫星频谱数据进行循环移位;当循环移位N=±1127根谱线,相当于对频道号为i±1的卫星信号进行了多普勒下变频;对循环移位后的卫星频谱数据和本地码频谱数据进行共轭相乘,并对乘积进行IFFT;对IFFT后输出结果进行取模,搜索最大值,若最大值大于预设门限,则判定为捕获成功。该方法可同时实现3颗卫星的捕获,缩短了捕获时间。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域,尤其涉及一种卫星信号快速捕获方法、装置及计算机存储介质。
背景技术
捕获是为了获得接收机当前所在位置可见卫星信号的载波多普勒频率和伪随机码的相位信息,为接收机跟踪卫星信号提供正确的初始频率和初始码相位。对于GLONASSG1卫星信号常用捕获方法依据对频率和码相位搜索方式分为频率码相位串行搜索、频率串行码相位并行搜索以及码相位串行频率并行等方法。循环相关搜索方法是一种频率串行码相位并行搜索捕获方法,其搜索次数受到频率搜索间隔和码片数量影响,其中码片数量决定了一次搜索时FFT及IFFT的长度;频率搜索间隔决定了搜索次数,通常,1个多普勒的搜索需要计算1次FFT和IFFT。捕获计算量主要取决于FFT和IFFT的次数。目前对于GLONASS/G1卫星信号捕获时FFT和IFFT的次数较多,计算量大,导致捕获时间过长。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种卫星信号快速捕获方法、装置及计算机存储介质用于解决现有卫星信号捕获时间过长的问题。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明实施例提供了一种卫星信号快速捕获方法,包括:
对2周期本地码1/4码片采样后的数据进行FFT得到本地码频谱数据;其中FFT的点数为4096;
根据不同频道号的卫星的中频值对卫星数据进行中频下变频后,进行1/4码片重采样,其重采样频率为2044000Hz;其中不同频道号的卫星的中频值可表示为fi=f0+i×562500,其中,fi是指频道号为i的卫星信号的中频值,f0是指频道号为0的卫星信号的中频值;
将重采样后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频,完成多普勒下变频;
对多普勒下变频后的数据进行FFT得到卫星频谱数据;
对卫星频谱数据进行双向循环移位;当向右循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i+1的卫星信号进行了多普勒下变频;当向左循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i-1的卫星信号进行了多普勒下变频;
对循环移位后的卫星频谱数据和本地码频谱数据进行共轭相乘,并对乘积进行IFFT;
对IFFT后输出结果进行取模,搜索最大值,若最大值大于预设门限,则判定为捕获成功,完成该卫星捕获。
进一步地,所述预设多普勒频率fd的范围为:-250<fd≤250Hz;预设多普勒频率fd的步进搜索间隔fstep=50Hz。
进一步地,所述多普勒搜索范围为±5250Hz;对频道为i的卫星信号,通过循环移位k根谱线扩展搜索范围,其中k的取值范围为k=0,±1,±2,…,±10。
进一步地,在获得频道号为i的卫星信号的多普勒频谱后,频道号为i±1的卫星信号频谱可通过向右或向左循环移位1127±k根谱线的方式获得。若对频谱进行右移N=1127根谱线的基础上再进行k根谱线移位,则相当于获得i+1频道号卫星信号频谱;若对频谱进行左移N=1127根谱线的基础上再进行k根谱线移位,则相当于获得i-1频道号卫星信号频谱。
进一步地,再进行N=1127根谱线循环移位进行i±1频道号多普勒计算时,需要补偿100Hz。
进一步地,所述频道号i的取值为-6、-3、0、3、6。
本发明实施例还提供了一种卫星信号快速捕获装置,包括:第一FFT模块、重采样模块、下变频模块、第二FFT模块、循环移位模块、乘法模块、IFFT模块以及捕获判决模块;
所述第一FFT模块用于对2周期本地码1/4码片采样后的数据进行FFT得到本地码频谱数据;其中FFT的点数为4096;
所述重采样模块用于根据不同频道号的卫星的中频值对卫星数据进行中频下变频后,进行1/4码片重采样,其重采样频率为2044000Hz;其中不同频道号的卫星的中频值可表示为fi=f0+i×562500,其中,fi是指频道号为i的卫星信号的中频值,f0是指频道号为0的卫星信号的中频值;
所述下变频模块用于将重采样后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频,完成多普勒下变频;
所述第二FFT模块用于对多普勒下变频后的数据进行FFT得到卫星频谱数据;
所述循环移位模块用于对卫星频谱数据进行双向循环移位;当向右循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i+1的卫星信号进行了多普勒下变频;当向左循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i-1的卫星信号进行了多普勒下变频;
所述乘法模块用于对循环移位后的卫星频谱数据和本地码频谱数据进行共轭相乘;
IFFT模块用于对共轭相乘的乘积进行IFFT处理;
捕获判决模块用于对IFFT后输出结果进行取模并搜索最大值,若最大值大于预设门限,则判定为捕获成功,完成该卫星捕获。
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现以上卫星信号快速捕获方法的步骤。
本申请提供的技术方案,本发明基于循环相关处理,利用傅里叶变换的频移性质,可同时实现3颗卫星的捕获,减少了FFT的次数,减少计算量,缩短了捕获时间。
针对GLONASS/G1卫星信号的捕获问题,本发明利用循环卷积的原理和傅里叶变换的频移性质,通过对频谱进行循环移位处理,将1次FFT计算实现3颗卫星的多普勒搜索,减少FFT的次数,使得捕获整体计算量明显减少,减少了捕获时间。
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为本发明实施例提供的一种卫星信号快速捕获方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的一种卫星信号快速捕获装置的结构示意图。
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。
循环相关通过循环移动卫星数据(或本地码)与本地码(或者卫星数据)进行相关;可采用FFT和IFFT实现快速算法,二者原理上是等价的。在硬件实现过程中,为了实现快速算法,需要使用FFT;同时,为了提高处理速度,硬件中使用基8FFT算法,基8FFT算法的FFT点数是8的整数次幂。
在捕获中,使用2周期本地码,1周期卫星数据的方式。为了保证捕获精度,需要对卫星数据进行至少半码片重采样来保证捕获时的码相位分辨率。GLONASS/G1的1周期码长为511,半码片长度为1022,对于基8FFT来说,故FFT的点数为4096。
对卫星信号进行重采样后,1周期数据长度为1022,维持1毫秒的时间,所以其重采样频率为1022000Hz,若需要覆盖3个频道,频率带宽不够,因此需要提高重采样频率为1/4码片采样。此时,1周期数据点数为2044,2周期本地码的点数为4088,仍小于4096。
图1所示为本发明实施例提供的一种卫星信号快速捕获方法的流程示意图。包括以下步骤:
S101、对2周期本地码1/4码片采样后的数据进行FFT得到本地码频谱数据;其中FFT的点数为4096。
本地码1周期为1毫秒,GLONASS/G1的码长度为511,2周期本地码1/4码片采样后的数据长度为4088。
S102、根据不同频道号的卫星的中频值对卫星数据进行中频下变频后,进行1/4码片重采样,其重采样频率为2044000Hz;其中不同频道号的卫星的中频值可表示为fi=f0+i×562500,其中,fi是指频道号为i的卫星信号的中频值,f0是指频道号为0的卫星信号的中频值。
GLONASS/G1卫星信号是频分多址信号,对于不同卫星具有相同的CA,但具有不同的载波中心频率,其相邻的频道中心频率相差562500Hz。若采样率足够,利用傅里叶变换的频移性质,在进行一次FFT的基础上,通过频移可以实现相邻两个频道的多普勒频率搜索,从而减少FFT的次数,提高捕获速率。
由于GLONASS/G1为频分多址系统,对于不同的频道号中频值为:
fi=f0+i×562500-7≤i≤6,fi是指频道号为i的卫星信号的中频值,f0是指频道号为0的卫星信号的中频值。
频道号i的取值优选-6、-3、0、3、6。这样可以有效保证搜索到相邻的频道号且覆盖整个频段。例如:频道号i选择0时,可以有效搜索到-1、0以及1这3个频道号。频道号i选择3时,可以有效搜索到2、3以及4这3个频道号。
S103、将重采样后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频,完成多普勒下变频。
预设多普勒频率fd的范围为:-250<fd≤250Hz;预设多普勒频率fd的步进搜索间隔fstep=50Hz。则预设多普勒频率选择-200、-150、-100、-50、0、50、100、150、200、250Hz。将重采样后的卫星数据依次与多普勒值为-200、-150、-100、-50、0、50、100、150、200、250Hz的本地载波进行混频。
S104、对多普勒下变频后的数据进行FFT得到卫星频谱数据。
S105、对卫星频谱数据进行双向循环移位;当向右循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i+1的卫星信号进行了多普勒下变频;当向左循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i-1的卫星信号进行了多普勒下变频。
对于频道号i的卫星,多普勒频率输入多普勒值fdi=fdi,0,根据傅里叶变换的性质,当向右循环移位根谱线时,相当于输入多普勒值fdi=fdi,0+N·Δf≈fdi,0+562500,即下变频频率增加562500Hz,相当于对频道号为i+1的卫星信号进行了值为fdi的多普勒下变频。当向左循环移位N=1127根谱线时,相当于输入多普勒值fdi=fdi,0-N·Δf~fdi,0-562500,即下变频频率减小562500Hz,相当于对频道号为i-1的卫星信号进行了值为fdi的多普勒下变频。
通过循环移位谱线扩展搜索范围。预设多普勒频率fd的范围为±250Hz;多普勒搜索范围需要扩展为±5250Hz;可以通过循环移位k根谱线扩展搜索范围,其中k的取值范围为k=0,±1,±2,…,±10。总计为Nk=5250*2/500=21次。Nk随多普勒搜索范围变化而变化。对于频道号i的卫星,多普勒频率输入多普勒值fdi=fdi,0,根据傅里叶变换的性质,当循环移位k根谱线时,相当于输入多普勒值fdi=fdi,0+k·Δf。当预设多普勒频率fdi,0选取-200Hz时,通过循环移位k根谱线(k依次取-10、-9、-8,…,-1,0,1,…,8,9,10,k取正值表示右移,k取负值表示左移。)对以下频率-5200、-4700、-4200、…、-700、-200、300、…、3800、4300、4800Hz进行了多普勒搜索。可见,通过循环移位,相当于进行了下变频和FFT的运算,可以通过该方法减少FFT的次数,对于某一个频道对应卫星搜索时,其FFT次数减少为原来FFT次数的1/Nk。
对卫星频谱数据进行±N+k根谱线的循环移位,则相当于对频道号为i±1的卫星信号进行进行了fdi+N·Δf的多普勒下变频及FFT运算。
进行N根谱线循环移位并非为精确的562500Hz,存在约Δfx≈100Hz误差,因此在进行i±1频道号多普勒计算时,应补偿100Hz。
S106、对循环移位后的卫星频谱数据和本地码频谱数据进行共轭相乘,并对乘积进行IFFT。
对循环移位后的卫星频谱数据取共轭后与本地码频谱数据相乘。
S107、对IFFT后输出结果进行取模,搜索最大值,若最大值大于预设门限,则判定为捕获成功,完成该卫星捕获。
若最大值不大于预设门限,则判定为捕获失败,进行下一个多普勒值搜索。
下一个多普勒值可以在3Nk(k=0,±1,…,±10,N+k,-N+k)个移位值中选择一个值,通过移位,来更新被搜索的多普勒值。若捕获成功时移位谱线为k,则捕获成功频道号为i,若捕获成功时移位谱线数为±N+k,则捕获频道号分别对应为i±1。
若完成3Nk次循环移位后,仍未捕获成功,则将预设多普勒频率fd步进一个多普勒搜索间隔fstep=50Hz,继续上述搜索过程。
若预设多普勒频率fd值(-250<fd≤250)搜索完毕,且未得到超过门限的情况,则认为当前频道号i的卫星捕获失败。当前频道号i的卫星捕获失败后,可进入下一个频道号i+3的卫星捕获。到所有频道号都捕获完成后则结束捕获。
可见,通过将循环移位的范围扩展,将当前频道的多普勒搜索延伸到相邻的其它2个频道,在捕获过程中,进行一次FFT运算,可以实现3Nk个多普勒搜索,减少FFT次数,使得捕获整体计算量明显减少,减少了捕获时间。
如图2所示为本发明实施例提供的一种卫星信号快速捕获装置的结构示意图。包括:第一FFT模块101、重采样模块102、下变频模块103、第二FFT模块104、循环移位模块105、乘法模块106、IFFT模块107以及捕获判决模块108;
第一FFT模块101用于对2周期本地码1/4码片采样后的数据进行FFT得到本地码频谱数据;其中FFT的点数为4096;
重采样模块102用于根据不同频道号的卫星的中频值对卫星数据进行中频下变频后,进行1/4码片重采样,其重采样频率为2044000Hz;其中不同频道号的卫星的中频值可表示为fi=f0+i×562500,其中,fi是指频道号为i的卫星信号的中频值,f0是指频道号为0的卫星信号的中频值;
下变频模块103用于将重采样后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频,完成多普勒下变频;
第二FFT模块104用于对多普勒下变频后的数据进行FFT得到卫星频谱数据;
循环移位模块105用于对卫星频谱数据进行双向循环移位;当向右循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i+1的卫星信号进行了多普勒下变频;当向左循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i-1的卫星信号进行了多普勒下变频;
乘法模块106用于对循环移位后的卫星频谱数据和本地码频谱数据进行共轭相乘;
IFFT模块107用于对共轭相乘的乘积进行IFFT处理;
捕获判决模块108用于对IFFT后输出结果进行取模并搜索最大值,若最大值大于预设门限,则判定为捕获成功,完成该卫星捕获。
需要说明的是:上述实施例提供的卫星信号快速捕获装置在进行捕获时,仅以上述各程序模块的划分进行举例说明,实际应用中,可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序模块完成,即将装置的内部结构划分成不同的程序模块,以完成以上描述的全部或者部分处理。另外,上述实施例提供的卫星信号快速捕获装置与捕获方法实施例属于同一构思,其具体实现过程详见方法实施例,其有益效果同方法实施例,这里不再赘述。
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质,是计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,上述计算机程序可由卫星信号快速捕获装置的处理器执行,以完成前述卫星信号快速捕获方法的步骤。计算机可读存储介质可以是磁性随机存取存储器(FRAM,ferromagnetic random access memory)、只读存储器(ROM,Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM,Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM,Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM,Electrically Erasa ble Prog ramma ble Read-Only Memory)、快闪存储器(FlashMemory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM,Compact Disc Read-Only Memory)等存储器。
在本发明所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的方法和智能设备,可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,如:多个单元或组件可以结合,或可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口,设备或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,也可以分布到多个网络单元上;可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,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,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种卫星信号快速捕获方法,其特征在于,包括:
对2周期本地码1/4码片采样后的数据进行FFT得到本地码频谱数据;其中FFT的点数为4096;
根据不同频道号的卫星的中频值对卫星数据进行中频下变频后,进行1/4码片重采样,其重采样频率为2044000Hz;其中不同频道号的卫星的中频值可表示为fi=f0+i×562500,其中,fi是指频道号为i的卫星信号的中频值,f0是指频道号为0的卫星信号的中频值;
将重采样后的卫星数据与预设指定多普勒频率的本地载波进行混频,完成多普勒下变频;
对多普勒下变频后的数据进行FFT得到卫星频谱数据;
对卫星频谱数据进行双向循环移位;当向右循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i+1的卫星信号进行了指定多普勒下变频;当向左循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i-1的卫星信号进行了指定多普勒下变频;
对循环移位后的卫星频谱数据和本地码频谱数据进行共轭相乘,并对乘积进行IFFT;
对IFFT后输出结果进行取模,搜索最大值,若最大值大于预设门限,则判定为捕获成功,完成该卫星捕获。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述预设多普勒频率fd的范围为:-250<fd≤250Hz;预设多普勒频率fd的步进搜索间隔fstep=50Hz。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述多普勒搜索范围为±5250Hz;对频道为i的卫星信号,通过循环移位k根谱线扩展搜索范围,其中k的取值范围为k=0,±1,±2,…,±10。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在获得频道号为i的卫星信号的多普勒频谱后,频道号为i±1的卫星信号频谱可通过向右或向左循环移位1127±k根谱线的方式获得。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在进行N=1127根谱线循环移位进行i±1频道号多普勒计算时,需要补偿100Hz。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述频道号i的取值为-6、-3、0、3、6。
7.一种卫星信号快速捕获装置,其特征在于,包括:第一FFT模块、重采样模块、下变频模块、第二FFT模块、循环移位模块、乘法模块、IFFT模块以及捕获判决模块;
所述第一FFT模块用于对2周期本地码1/4码片采样后的数据进行FFT得到本地码频谱数据;其中FFT的点数为4096;
所述重采样模块用于根据不同频道号的卫星的中频值对卫星数据进行中频下变频后,进行1/4码片重采样,其重采样频率为2044000Hz;其中不同频道号的卫星的中频值可表示为fi=f0+i×562500,其中,fi是指频道号为i的卫星信号的中频值,f0是指频道号为0的卫星信号的中频值;
所述下变频模块用于将重采样后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频,完成多普勒下变频;
所述第二FFT模块用于对多普勒下变频后的数据进行FFT得到卫星频谱数据;
所述循环移位模块用于对卫星频谱数据进行双向循环移位;当向右循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i+1的卫星信号进行了多普勒下变频;当向左循环移位N=1127根谱线,相当于对频道号为i-1的卫星信号进行了多普勒下变频;
所述乘法模块用于对循环移位后的卫星频谱数据和本地码频谱数据进行共轭相乘;
IFFT模块用于对共轭相乘的乘积进行IFFT处理;
捕获判决模块用于对IFFT后输出结果进行取模并搜索最大值,若最大值大于预设门限,则判定为捕获成功,完成该卫星捕获。
8.一种计算机存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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CN114696869A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-07-01 | 电子科技大学 | 一种低信噪比下北斗三号卫星rdss业务出站信号捕获方法 |
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PB01 | Publication | ||
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