CN113109847B - 一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法 - Google Patents
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Abstract
一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，通过将捕获存储器从起始位置改变至码多普勒消除器与带本地伪码的匹配滤波器之间，能够将相干存储器和非相干存储器从卫星导航信号捕获流程的各执行主体中移除，从而有利于降低捕获模块的存储空间或者提高捕获模块的捕获性能。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航信号捕获技术，特别是一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，通过将捕获存储器从起始位置改变至码多普勒消除器与带本地伪码的匹配滤波器之间，能够将相干存储器和非相干存储器从卫星导航信号捕获流程的各执行主体中移除，从而有利于降低捕获模块的存储空间或者提高捕获模块的捕获性能。
背景技术
捕获模块是卫星导航接收机里的重要模块。只有先将微弱的卫星导航信号捕获，才可以跟踪卫星导航信号，然后获取伪距或载波相位，再利用解析得到的星历信息，最终解算得到接收机的位置、速度和时间。由此可见，捕获模块的重要性十分明显。但是，传统的捕获模块消耗的存储空间十分巨大，而存储器又造价昂贵。反过来，由于存储器容量使用受限，导致捕获性能受到制约，无法获得更优的捕获灵敏度。传统的捕获方案包括以下依次连接的各子模块：捕获存储器，下变频模块，码多普勒消除器，带本地伪码的匹配滤波器，离散傅里叶变换模块，相干存储器，非相干积分模块，非相干存储器，和峰值检测器。
在传统的捕获方案中，经过预处理的数据输入到捕获存储器中并存储起来。捕获存储器的大小决定了相干积分和非相干积分的总的数据长度，也就决定了接收机的捕获性能。输入到捕获存储器的数据的采样率一般是伪码码片速率的两倍。接下来，根据随后要处理的载波多普勒的次数，每次都从捕获存储器中读取足量的数据，进行后续的各个步骤的处理。举例来说，如果捕获模块要扫描10KHz范围内的载波多普勒，而一次捕获只能处理1KHz范围内的载波多普勒(1KHz对应后续的匹配滤波器数据长度1ms，ms为毫秒)，那么就需要操作10次，每次都需要从捕获存储器中读取足量的数据。而足量的数据长度与后续的相干积分和非相干积分数值乘积相对应。当然足量的数据长度不能超过捕获存储器的存储空间大小。举例来说，如果匹配滤波器的数据长度是1ms，离散傅里叶变换大小为8点(采样值)，那么相干积分长度就是8ms，如果非相干积分长度是10(数据个数)，那么足量的数据长度就是80ms。
数据从捕获存储器读取出来后，首先根据要剥离的载波多普勒数值进行下变频操作，消除载波多普勒；然后利用码多普勒消除器，进行伪码多普勒消除操作；接下来，利用本地伪码和输入的数据，执行匹配滤波器操作，这个匹配滤波器操作的数据长度可以称为基本的相干积分长度，该数值直接决定了一次处理所能够覆盖的载波多普勒宽度。
接下来，为了增加相干积分长度，同时又不减小一次捕获处理对应的载波多普勒的覆盖范围，引入了离散傅里叶变换操作；然后，把离散傅里叶变换的处理结果存储到相干存储器中；再从相干存储器中读取数据，进行非相干积分操作，把非相干积分的中间结果存储到非相干存储器；最后，等所有的相干积分和非相干积分操作都完成后，执行峰值检测操作，从非相干存储器中寻找到最大幅值及其对应的多普勒频移值和码相位延时值。捕获模块完成所有的操作，随后转换到跟踪模块。
上述传统方案的主要缺点就是存储空间太大。其中，相干存储器和非相干存储器的大小均与伪码的周期大小和离散傅里叶变换的大小直接相关。举例来说，GPS L1 C/A的伪码周期是1ms，1023码片长，当做匹配滤波操作时，要进行2046次操作(半码片滑动一次)，获得2046个匹配滤波结果；如果离散傅里叶变换的大小是8点，那么相干存储器的空间大小就为8*2046的元素，元素为复数格式，而非相干存储器的空间大小也为8*2046，实数格式。由于存储空间巨大，就限制了离散傅里叶变换的大小，从而限制了相干积分长度，导致了捕获性能的提高受限。
本发明认为，如果将捕获存储器从起始位置改变至码多普勒消除器与带本地伪码的匹配滤波器之间，则能够将相干存储器和非相干存储器从卫星导航信号捕获流程的各执行主体中移除，从而有利于降低捕获模块的存储空间或者提高捕获模块的捕获性能。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，通过将捕获存储器从起始位置改变至码多普勒消除器与带本地伪码的匹配滤波器之间，能够将相干存储器和非相干存储器从卫星导航信号捕获流程的各执行主体中移除，从而有利于降低捕获模块的存储空间或者提高捕获模块的捕获性能。
本发明技术解决方案如下：
一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，其特征在于，包括以下依次连接以执行卫星导航信号捕获流程的各执行主体：下变频模块，码多普勒消除器，捕获存储器，带本地伪码的匹配滤波器，离散傅里叶变换模块，非相干积分模块，和峰值检测器，所述下变频模块具有卫星导航信号数据输入接口，所述峰值检测器根据非相干积分结果，寻找峰值以及其对应的码延迟值和载波多普勒值，并将这些信息输出。
所述下变频模块的输入数据采样率是伪码速率的2倍。
所述下变频模块通过将输入数据的中频+期望的载波多普勒消除后形成第一处理后数据传输到所述码多普勒消除器，所述码多普勒消除器通过将所述第一处理后数据执行码多普勒消除操作后形成第二处理后数据传输到所述捕获存储器，所述带本地伪码的匹配滤波器从所述捕获存储器中读取所述第二处理后数据并进行匹配滤波操作后形成第三处理后数据传输到所述离散傅里叶变换模块，所述离散傅里叶变换模块通过将所述第三处理后数据执行离散傅里叶变换操作后形成第四处理后数据直接传输到所述非相干积分模块，所述非相干积分模块通过将所述第四处理后数据执行非相干积分操作后获得非相干积分结果直接传输到所述峰值检测器。
所述第一处理后数据为零中频数据，所述下变频模块能够通过修改期望的载波多普勒值执行多次操作，所述匹配滤波操作包括从所述捕获存储器中连续读取所有需要的相干积分+非相干积分的总的数据长度，一次面向一个码延迟相位，所述带本地伪码的匹配滤波器完成相干积分操作。
所述匹配滤波操作包括本地伪码系列与输入数据的滑动相关操作。
所述输入数据记为r(k)，其中k为序号，k＝0、1、2、...；所述第一处理后数据y(k)按照以下公式操作：
y(k)＝r(k)*exp(-j*2*pi*(IF+Doppler)*k/fs)，其中j为复数符号，pi为π，IF是中频值，Doppler是载波多普勒值，*表示乘法操作，/表示除法操作，fs是采样率。
所述匹配滤波操作包括采用以下公式：
z(n)＝s(0)*PN(mod(0-n,N))+s(1)*PN(mod(1-n,N))+s(2)*PN(mod(2-n,N))+...+s(M-1)*PN(mod(M-1-n,N))，式中z(n)为第三处理后数据，s(0)～s(M-1)为第二处理后数据序列，M是参加相关运算的离散数据点数目，PN()是本地伪码序列，mod()表示取模操作，n是码相位延迟，N为码片周期长度。
所述离散傅里叶变换操作包括采用以下公式：
Z(K)＝z(0)+z(1)*exp(-j*2*pi*1*K*step_freq)+z(2)*exp(-j*2*pi*2*K*step_freq)+...+z(D-1)*exp(-j*2*pi*(D-1)*K*step_freq)，式中Z(K)为第四处理后数据，z(0)～z(D-1)为第三处理后数据序列，D为离散傅里叶变换点数，K可取-(D-1)、-(D-3)、...、-1、+1、...、+(D-1)，step_freq是频率间隔参数。
本发明的技术效果如下：本发明一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，不需要存储中间数据(如相干积分中间结果和非相干积分中间结果)，大大降低了芯片成本，同时还可以通过设置匹配滤波器大小、DFT(discrete fourier transformation，离散傅里叶变换)大小、非相干积分大小来调节捕获性能。此时，捕获性能只受限于捕获存储器的大小，由于没有其它存储空间，捕获存储器可以设置得较大，从而可以提高捕获模块的整体捕获性能，即捕获灵敏度。
附图说明
图1是实施本发明一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法流程示意图。图1中包括以下依次连接以执行卫星导航信号捕获流程的各执行主体：下变频模块，码多普勒消除器，捕获存储器，带本地伪码的匹配滤波器，离散傅里叶变换模块，非相干积分模块，和峰值检测器，所述下变频模块具有卫星导航信号数据输入接口，所述峰值检测器根据非相干积分结果，寻找峰值以及其对应的码相位和载波多普勒值，并将这些信息输出。
具体实施方式
下面结合附图(图1)对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法流程示意图。参考图1所示，一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，其特征在于，包括以下依次连接以执行卫星导航信号捕获流程的各执行主体：下变频模块，码多普勒消除器，捕获存储器，带本地伪码的匹配滤波器，离散傅里叶变换模块，非相干积分模块，和峰值检测器，所述下变频模块具有卫星导航信号数据输入接口，所述峰值检测器根据非相干积分结果，寻找峰值以及其对应的码延迟值和载波多普勒值，并将这些信息输出。所述下变频模块的输入数据采样率是伪码速率的2倍。所述下变频模块通过将输入数据的中频+期望的载波多普勒消除后形成第一处理后数据传输到所述码多普勒消除器，所述码多普勒消除器通过将所述第一处理后数据执行码多普勒消除操作后形成第二处理后数据传输到所述捕获存储器，所述带本地伪码的匹配滤波器从所述捕获存储器中读取所述第二处理后数据并进行匹配滤波操作后形成第三处理后数据传输到所述离散傅里叶变换模块，所述离散傅里叶变换模块通过将所述第三处理后数据执行离散傅里叶变换操作后形成第四处理后数据直接传输到所述非相干积分模块，所述非相干积分模块通过将所述第四处理后数据执行非相干积分操作后获得非相干积分结果直接传输到所述峰值检测器。所述第一处理后数据为零中频数据，所述下变频模块能够通过修改期望的载波多普勒值执行多次操作，所述匹配滤波操作包括从所述捕获存储器中连续读取所有需要的相干积分+非相干积分的总的数据长度，一次面向一个码延迟相位，所述带本地伪码的匹配滤波器完成相干积分操作。所述匹配滤波操作包括本地伪码系列与输入数据的滑动相关操作。
所述输入数据记为r(k)，其中k为序号，k＝0、1、2、...；所述第一处理后数据y(k)按照以下公式操作：
y(k)＝r(k)*exp(-j*2*pi*(IF+Doppler)*k/fs)，其中j为复数符号，pi为π，IF是中频值，Doppler是载波多普勒值，*表示乘法操作，/表示除法操作，fs是采样率。所述匹配滤波操作包括采用以下公式：
z(n)＝s(0)*PN(mod(0-n,N))+s(1)*PN(mod(1-n,N))+s(2)*PN(mod(2-n,N))+...+s(M-1)*PN(mod(M-1-n,N))，式中z(n)为第三处理后数据，s(0)～s(M-1)为第二处理后数据序列，M是参加相关运算的离散数据点数目，PN()是本地伪码序列，mod()表示取模操作，n是码相位延迟，N为码片周期长度。所述离散傅里叶变换操作包括采用以下公式：
Z(K)＝z(0)+z(1)*exp(-j*2*pi*1*K*step_freq)+z(2)*exp(-j*2*pi*2*K*step_freq)+...+z(D-1)*exp(-j*2*pi*(D-1)*K*step_freq)，式中Z(K)为第四处理后数据，z(0)～z(D-1)为第三处理后数据序列，D为离散傅里叶变换点数，K可取-(D-1)、-(D-3)、...、-1、+1、...、+(D-1)，step_freq是频率间隔参数。
本发明提出了一种新的捕获模块处理方案，见图1，复杂度低，性能好。该捕获模块包括以下子模块：下变频、码多普勒消除器、捕获存储器、带本地伪码的匹配滤波器、离散傅里叶变换，非相干积分和峰值检测器。其中下变频模块的输入数据的采样率一般是伪码速率的2倍。
下变频模块将输入数据的中频+期望的载波多普勒消除，即变换为零中频数据，同时执行码多普勒消除操作，然后将处理好的数据放入捕获存储器中；这三个步骤一般来说只需要执行一次，特殊情况下可以执行多次，每次只需要修改期望的载波多普勒值即可。
后续的操作需要读取捕获存储器中的数据，连续读取所有需要的相干积分+非相干积分的总的数据长度，一次面向一个码延迟相位。举例来说，GPS L1 C/A的伪码周期长度为1023码片，共2046个码延迟相位；假设相干积分长度为10ms，非相干积分次数为5次，那就是一个码延迟相位操作需要50ms的数据。对于第1个码延迟相位，从捕获存储器中，从第一个数据开始，读取50ms数据供第一个码延迟相位后续操作；同样地，对于第二个码延迟相位，依然读取同样的50ms数据(依然从第一个数据开始读取)，供后续的相干积分和非相干积分操作使用。以此类推。
从捕获存储器中读出的数据首先进行匹配滤波操作，即本地伪码系列与输入数据的滑动相关操作；与传统方法不同的是，这里的匹配滤波操作一次只面向一个码延迟相位进行操作(例如上述举例中的50ms数据只面向一个码延迟相位)。匹配滤波操作的数据长度十分重要，因为这决定了多普勒覆盖范围；例如，如果匹配滤波操作的数据长度是1ms，其多普勒覆盖范围就是1KHz；如果想增大多普勒覆盖范围，可以将匹配滤波操作的数据长度减小，如变为0.01ms，就可以覆盖100KHz，即-50KHz～+50KHz，这一特点保证了减少频繁地消除载波多普勒频移的操作。
但是，如果匹配滤波器的数据长度变小，将会导致相干积分长度变小；这时，后续的离散傅里叶变换(DFT)就起了重大作用，由于后续不需要设置中间数据存储器，没有成本压力，就可以将DFT的大小设置得很大，例如200点。如果之前的匹配滤波操作的数据长度是0.01ms，经过DFT后，相干积分长度就变成了0.01*200＝2ms，当然也可以选择其它参数。可以指出的是，DFT的点数是向下兼容的，举例来说，进行200点的DFT操作，可以获得1点～200点的操作结果。
接下来，对DFT的结果进行非相干积分操作，获得200点(举例)的非相干积分结果；最后，进行峰值检测，从200个(举例)非相干积分结果中，获得针对当前码相位延迟值的峰值和峰值对应的载波多普勒值。针对一个码相位的捕获操作完成。其它码相位操作与此一致，只不过最后一步需要更新峰值信息，记录下多个峰值对应的码延迟相位值和载波多普勒值。
所有码相位对应的捕获操作均完成后，就得到了最终的峰值，以及峰值对应的码相位和载波多普勒值。如果当前的匹配滤波器覆盖的载波多普勒范围不够大，可以重新执行一次下变频等操作，设置期望的载波多普勒值，重新存储数据到捕获存储器中，再执行后续的所有步骤。
上述新方案的优点是不需要存储中间数据(如相干积分中间结果和非相干积分中间结果)，大大降低了芯片成本，同时还可以通过设置匹配滤波器大小、DFT大小、非相干积分大小来调节捕获性能。此时，捕获性能只受限于捕获存储器的大小，由于没有其它存储空间，捕获存储器可以设置得较大，从而可以提高捕获模块的整体捕获性能，即捕获灵敏度。
新方案的子模块操作原理与传统方案并无本质区别，至多参数有区别。下面给出一个示例来展示各个子模块的实现方案。
下变频子模块：记输入信号序列为r(k)，k＝0、1、2、...，则下变频子模块的操作方式可以表示为
y(k)＝r(k)*exp(-j*2*pi*(IF+Doppler)*k/fs)
其中，fs是采样率，IF是中频值，Doppler是载波多普勒值，*表示乘法操作，/表示除法操作。
码多普勒消除器：每输入一个样本点，记为s(k)，就执行下述操作
其中，nco_val是一个中间变量，step_val＝fs/(fs+code_Doppler)，code_Doppler＝Doppler*code_rate/RF，RF是射频频率，code_rate是伪码速率。
捕获存储器：该存储器是一块存储空间，大小根据需要开辟，如可以存储512ms的数据。
匹配滤波器：将输入的数据序列s(k)与本地伪码序列PN(m)(数值格式为+1或-1)进行相关操作，本地伪码序列采用周期重复的方式进行扩展。
z(n)＝s(0)*PN(mod(0-n,N))+s(1)*PN(mod(1-n,N))+s(2)*PN(mod(2-n,N))+...+s(M-1)*PN(mod(M-1-n,N))
其中，M是参加相关运算的离散数据点数目，n是码相位延迟，通常以半码片为单位，N为码片周期长度(以半码片为单位)，mod()表示取模操作。
离散傅里叶变换：记输入的数据为z(n)，DFT操作点数为D，则离散傅里叶变换进行下述操作：
Z(K)＝z(0)+z(1)*exp(-j*2*pi*1*K*step_freq)+z(2)*exp(-j*2*pi*2*K*step_freq)+...+z(D-1)*exp(-j*2*pi*(D-1)*K*step_freq)
其中K可取-(D-1)、-(D-3)、...、-1、+1、...、+(D-1)，step_freq是一个参数，表示频率间隔，受限于匹配滤波器的长度和DFT点数；假设匹配滤波器的长度为1ms，而DFT点数为8，则step_freq<1000Hz/8＝125Hz，Z(K)是DFT输出数据。
非相干积分：将输入的复数数据取幅度值，然后将多次DFT后的幅度值累加起来。
峰值检测器：根据非相干积分结果，寻找峰值以及其对应的码相位和载波多普勒值，并将这些信息输出。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (6)
1.一种降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，其特征在于，包括利用以下依次连接的各执行主体进行卫星导航信号捕获：下变频模块，码多普勒消除器，捕获存储器，带本地伪码的匹配滤波器，离散傅里叶变换模块，非相干积分模块，和峰值检测器，所述下变频模块具有卫星导航信号数据输入接口，所述峰值检测器根据非相干积分结果，寻找峰值以及其对应的码延迟值和载波多普勒值，并将这些信息输出；
所述下变频模块通过将输入数据的中频+期望的载波多普勒消除后形成第一处理后数据传输到所述码多普勒消除器，所述码多普勒消除器通过将所述第一处理后数据执行码多普勒消除操作后形成第二处理后数据传输到所述捕获存储器，所述带本地伪码的匹配滤波器从所述捕获存储器中读取所述第二处理后数据并进行匹配滤波操作后形成第三处理后数据传输到所述离散傅里叶变换模块，所述离散傅里叶变换模块通过将所述第三处理后数据执行离散傅里叶变换操作后形成第四处理后数据直接传输到所述非相干积分模块，所述非相干积分模块通过将所述第四处理后数据执行非相干积分操作后获得非相干积分结果直接传输到所述峰值检测器；
所述输入数据记为r(k)，其中k为序号，k＝0、1、2、...；所述第一处理后数据y(k)按照以下公式操作：
y(k)＝r(k)*exp(-j*2*pi*(IF+Doppler)*k/fs)，其中j为复数符号，pi为π，IF是中频值，Doppler是载波多普勒值，*表示乘法操作，/表示除法操作，fs是采样率。
2.根据权利要求1所述的降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，其特征在于，所述下变频模块的输入数据采样率是伪码速率的2倍。
3.根据权利要求1所述的降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，其特征在于，所述第一处理后数据为零中频数据，所述下变频模块能够通过修改期望的载波多普勒值执行多次操作，所述匹配滤波操作包括从所述捕获存储器中连续读取所有需要的相干积分+非相干积分的总的数据长度，一次面向一个码延迟相位，所述带本地伪码的匹配滤波器完成相干积分操作。
4.根据权利要求1所述的降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，其特征在于，所述匹配滤波操作包括本地伪码系列与输入数据的滑动相关操作。
5.根据权利要求1所述的降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，其特征在于，所述匹配滤波操作包括采用以下公式：
z(n)＝s(0)*PN(mod(0-n,N))+s(1)*PN(mod(1-n,N))+s(2)*PN(mod(2-n,N))+...+s(M-1)*PN(mod(M-1-n,N))，式中z(n)为第三处理后数据，s(0)～s(M-1)为第二处理后数据序列，M是参加相关运算的离散数据点数目，PN()是本地伪码序列，mod()表示取模操作，n是码相位延迟，N为码片周期长度。
6.根据权利要求1所述的降低存储空间消耗的卫星导航信号捕获方法，其特征在于，所述离散傅里叶变换操作包括采用以下公式：
Z(K)＝z(0)+z(1)*exp(-j*2*pi*1*K*step_freq)+z(2)*exp(-j*2*pi*2*K*step_freq)+...+z(D-1)*exp(-j*2*pi*(D-1)*K*step_freq)，式中Z(K)为第四处理后数据，z(0)～z(D-1)为第三处理后数据序列，D为离散傅里叶变换点数，K可取-(D-1)、-(D-3)、...、-1、+1、...、+(D-1)，step_freq是频率间隔参数。
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Denomination of invention: A Satellite Navigation Signal Capture Method to Reduce Storage Space Consumption Effective date of registration: 20231208 Granted publication date: 20230801 Pledgee: Haidian Beijing science and technology enterprise financing Company limited by guarantee Pledgor: BEIJING BEIFANG LIANXING TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023110000526 |