CN113671547B - 一种改进的高动态捕获方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改进的高动态捕获方法、装置、设备及存储介质，通过预设方法，对预设的初始多普勒搜索范围采用初始频率步长进行搜索，搜索到的第一颗卫星，根据第一颗卫星得到的多普勒频率作为搜索中心，并根据接收机在静止状态时，卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围，得到目标多普勒搜索范围，根据预设的频率步长，进行频率区间划分，再分别对每个频率区间进行搜索，捕获卫星信号。该方案利用了卫星相对运动保持不变，可重新设定频率搜索范围，因此可缩小需要搜索的频率范围，也减小了搜索次数，从而缩短了捕获卫星的时间，对硬件资源开销也有较大的降低。

Description

一种改进的高动态捕获方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及信号捕获技术领域，尤其涉及一种改进的高动态捕获方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
在静止或者低速运动的情况下，卫星信号捕获，多采用二维搜索技术。二维搜索会被接收机与卫星间的多普勒频率影响，多普勒频率越大会需要更多的时间处理，导致捕获速度慢，无法满足高动态等环境对实时性的要求。随着数字信号处理等技术的发展，一些新的捕获策略得到了研究和应用，在高动态方面，采用串并组合的捕获方法，将多普勒频偏和伪随机码二维的搜索范围分成一个个子区间，并利用并行通道来节省捕获时间。目前主要的捕获方法有三种：二维搜索，基于FFT的时域并行搜索，分段匹配滤波和FFT时频二维搜索(PMF-FFT)。
然而目前的捕获算法存在下列问题：(1)多普勒频移大因为载体的高速运动，除了卫星运动产生的多普勒效应，载体本身也会产生非常大的多普勒效应，载波频率存在几kHz甚至到上百kHz的频率偏移，在捕获卫星信号时，需要进行更多的频率搜索，导致捕获时间大大增加。(2)硬件资源开销大，实现起来复杂。基于FFT的并行捕获算法除了两个乘法器、加法器和积分器之外，还需要进行FFT-IFFT，每次FFT变化的点数是两个测距码周期，占用的资源多，计算复杂度也高，在频域上仍然需要采用频率扫描的策略进行多普勒搜索。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种改进的高动态捕获方法、装置、设备及存储介质。
一种改进的高动态捕获方法，所述方法包括：基于已知的卫星编号，根据预设的方法和频率步长，对预设的初始频率搜索范围进行第一颗卫星的搜索，得到对应的多普勒频率作为初始多普勒频率；接收机在静止状态下时，获取第一颗卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围；将所述初始多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移范围，对所述初始多普勒搜索范围进行更新，得到目标多普勒频率；根据所述目标多普勒搜索范围和所述频率步长，并进行频率区间的划分；分别对每个频率区间进行搜索，捕获新的卫星信号。
在其中一个实施例中，所述基于已知的卫星编号，根据预设的方法和频率步长，对预设的初始频率搜索范围进行第一颗卫星的搜索，得到对应的多普勒频率作为初始多普勒频率步骤之后，还包括：若第一次对第一颗卫星搜索失败，则更换改卫星编码，重新搜索，直至搜索到卫星信号为止。
在其中一个实施例中，所述预设方法具体为二维搜索、基于FFT的时域并行捕获，以及PMF-FFT捕获中的一种。
在其中一个实施例中，将所述第一颗卫星的多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移范围，对所述初始多普勒搜索范围进行更新，得到目标多普勒频率步骤之前，还包括：根据接收机自身的RF时钟晶振的偏差，对所述初始多普勒频率进行更新。
在其中一个实施例中，所述分别对每个频率区间进行搜索，捕获新的卫星信号步骤之后，还包括：当捕获到新的卫星信号时，将所述新的卫星信号的多普勒频率设置为初始多普勒频率。
在其中一个实施例中，根据所述目标多普勒搜索范围和所述频率步长，并进行频率区间的划分步骤之前，还包括：接收并处理外部星历信息，所述外部星历信息包括时间信息和位置信息；根据所述时间信息和位置信息，计算所述外部星历所对应的卫星的位置、速度，以及卫星的俯仰角和理论多普勒频率；根据预设的俯仰角阈值，对所述卫星进行筛选，得到多个目标卫星；将所述多个目标卫星的理论多普勒频率进行误差修正后，得到多个目标卫星的多普勒频率，进行卫星搜索；对多个目标卫星搜索完成后，选择最后搜索到的目标卫星的多普勒频率为初始多普勒频率；将所述初始多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移，得到目标多普勒频率。
在其中一个实施例中，所述将所述多个目标卫星的理论多普勒频率进行误差修正后，得到多个目标卫星的多普勒频率，进行卫星搜索步骤之后，还包括：若对多个目标卫星搜索失败，则将所述理论多普勒频率为中心点，按照预设的频率步长进行搜索，捕获卫星信号。
一种改进的高动态捕获装置，包括第一卫星搜索模块、频移范围获取模块、搜索范围获取模块、频率区间划分模块和卫星信号捕获模块，其中：所述第一卫星搜索模块用于，基于已知的卫星编号，根据预设的方法和频率步长，对预设的初始频率搜索范围进行第一颗卫星的搜索，得到对应的多普勒频率作为初始多普勒频率；所述频移范围获取模块用于，接收机在静止状态下时，获取第一颗卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围；所述搜索范围获取模块用于，将所述第一颗卫星的多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移范围，对所述初始多普勒搜索范围进行更新，得到目标多普勒频率；所述频率区间划分模块用于，根据所述目标多普勒搜索范围和所述频率步长，并进行频率区间的划分；所述卫星信号捕获模块用于，分别对每个频率区间进行搜索，捕获新的卫星信号。
一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各个实施例中所述的一种改进的高动态捕获方法的步骤。
一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述各个实施例中所述的一种改进的高动态捕获方法的步骤。
上述一种改进的高动态捕获方法、装置、设备及存储介质，通过预设方法，对预设的初始多普勒搜索范围采用初始频率步长进行搜索，搜索到的第一颗卫星，根据第一颗卫星得到的多普勒频率作为搜索中心，并根据接收机在静止状态时，卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围，得到目标多普勒搜索范围，根据预设的频率步长，进行频率区间划分，再分别对每个频率区间进行搜索，捕获卫星信号；利用了卫星相对运动保持不变，可重新设定频率搜索范围，因此可缩小需要搜索的频率范围，也减小了搜索次数，从而缩短了捕获卫星的时间，对硬件资源开销也有较大的降低。
附图说明
图1为一个实施例中一种改进的高动态捕获方法的流程示意图；
图2为一个实施例中星历信息辅助捕获的流程示意图；
图3为一个实施例中一种改进的高动态捕获装置的结构框图；
图4是一个实施例中设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请提供的一种改进的高动态捕获方法，可以应用于卫星信号的捕获的应用环境中。其中，卫星信号的捕获主要是对经过下变频、放大和模数转换之后的信号(卫星信号淹没在噪声中)进行一系列的操作，从噪声中提取出卫星信号，并且提供其伪码相位和载波频率的粗略估计。而这一系列的操作主要过程是：接收机在本地复制卫星信号中的扩频码和载波，并利用伪码自相关和互相关的特性，只有复现信号的码相位和载波频率与接收到的卫星信号相匹配时，才能产生最大的相关。因此，信号捕获过程实际上是一个伪码相位和载波频率的二维搜索过程。
通过本领域现有技术理论分析可知，若用频偏搜索，设定步长为500Hz，对于某一颗卫星的捕获，则此捕获方法共需搜索41*2046(频点数乘以码相位，41表示搜索的频率范围为[-10Khz，10Khz]，2046为B1码相位个数)个单元。这个过程仅需要数字相关器就可以完成，硬件容易设计并实现。但是搜索范围单元数多，搜索每颗卫星的运算量大，捕获的时间长。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种改进的高动态捕获方法，包括以下步骤：
S110基于已知的卫星编号，根据预设的方法和频率步长，对预设的初始频率搜索范围进行第一颗卫星的搜索，得到对应的多普勒频率作为初始多普勒频率。
在一个实施例中，步骤S110中的预设方法具体为二维搜索、基于FFT的时域并行捕获，以及PMF-FFT捕获中的一种。
具体地，首先需要先确定第一颗卫星，才能根据第一颗卫星的多普勒频率进行后续计算，因此为了提高获取第一颗卫星的效率，可以结合串行搜索、基于FFT的时域并行捕获，以及PMF-FFT捕获中的任意一种方法进行第一颗卫星的捕获，优选PMF-FFT的方法进行第一颗卫星的捕获。将搜索到的第一颗卫星的多普勒频率作为初始多普勒频率。
在一个实施例中，步骤S110之后，还包括：若第一次对第一颗卫星搜索失败，则更换卫星编码，重新搜索，直至搜索到卫星信号为止。具体地，当采用第一颗卫星的编码没有搜索到第一颗卫星时，则更换其他已知的卫星编码进行卫星信号搜索，若任未搜索到，则继续更换卫星编号，直到搜索到卫星信号为止。
S120接收机在静止状态下时，获取第一颗卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围。
具体地，虽然GNSS卫星发射载波的中心频率是一个常量，但是GNSS接收机与卫星之间的相对运动会产生多普勒频移，故GNSS接收机接收到的卫星载波频率会发生变化。多普勒频移与相对运动的关系:
式中fdm为多普勒频移，fr为卫星信号的载波频率，vdm为卫星与接收机的相对速度，c为光速。以GPS卫星上的L1＝1575.42MHz载波为例，接收机没有运动，GNSS接收机与卫星相对速度为929m/s，那么此时由于多普勒效应产生的频移为:
由上面的结果可以看出由卫星的运动所引起的多普勒移为±5kHz。假设接收机以卫星相同的速度929m/s相对运动，那么由于两者相对运动产生的多普勒频移将达到±10kHz。
S130将初始多普勒频率作为搜索中心，根据频移范围，对初始多普勒搜索范围进行更新，得到目标多普勒频率。
具体地，无论接收机是静止的还是高速运动的状态，天上卫星之间的相对运动是一样的，也即每颗卫星相对于接收机的多普勒之间的差，在接收机的两种状态下是一样的，根据上述步骤S130中的举例可知，这个多普勒频率的范围在接收机为静止状态时可知为[-5kHz，5kHz]，依据这个原理，可知在得到第一颗卫星的多普勒频率f后，可以重新设置频率搜索范围为[f-5kHz，f+5kHz]，这样就可以缩小捕获所要搜索的多普勒频率范围。通过本方法，可以在原来的搜索策略上缩短一半时间，原来的搜索策略是按照的频率范围搜索，其中f通常设置为0，这样就会增大一倍的搜索次数，而本方案的搜索策略则利用了卫星相对运动保持不变，缩小搜索范围，也减小了搜索次数，从而缩短了捕获卫星的时间。
在一个实施例中，步骤S130之前，还包括：根据接收机自身的RF时钟晶振的偏差，对初始多普勒频率进行更新。具体地，接收机自身的RF时钟晶振的偏差也会使接收到的信号载频产生偏移。理论计算表明，1ppm的晶振偏差在L1的载频上能引起1.57kHz的频偏，在B1频点上能引起1.56kHz的频偏。
在一个实施例中，如图2所示，步骤S140之前，还包括：S141接收并处理外部星历信息，外部星历信息包括时间信息和位置信息；S142根据时间信息和位置信息，计算外部星历所对应的卫星的位置、速度，以及卫星的俯仰角和理论多普勒频率；S143根据预设的俯仰角阈值，对卫星进行筛选，得到多个目标卫星；S144将多个目标卫星的理论多普勒频率进行误差修正后，得到多个目标卫星的多普勒频率，进行卫星搜索；S145对多个目标卫星搜索完成后，选择最后搜索到的目标卫星的多普勒频率为初始多普勒频率；S146将初始多普勒频率作为搜索中心，根据频移，得到目标多普勒频率。
具体地，星历信息辅助在高动态应用中，也可以起到非常重要的作用，根据星历信息可以得知当前可视的卫星，从而可以大大缩短搜索时间。根据星历信息还可以推算出卫星大致的多普勒频率，以这个多普勒频率为基点进行搜索运算，可以大大缩小搜索运算的次数，提高捕获速度和效率，具体过程如下：
①接收并处理外部星历信息(包含时间信息和位置信息)；②根据时间和位置，分别计算出每份星历对应卫星的位置，速度以及相对接收机的理论多普勒频率(不含接收机晶振误差产生的多普勒频率)；③计算出每颗卫星的俯仰角，选出俯仰角大于门限值的卫星，并根据算出的多普勒值，进行优先捕获；④搜索完第③筛选出的卫星后，其他卫星则按照串行搜索方法或者FFT时域搜索法，继续搜索。
在一个实施例中，步骤S144之后，还包括：若对多个目标卫星搜索失败，则将理论多普勒频率为中心点，按照预设的频率步长进行搜索，捕获卫星信号。具体地，当对目标卫星搜索失败时，则直接以理论多普勒频率为中心点，按照预设的频率步长扫描[-5kHz，5kHz]的频率。
S140根据目标多普勒搜索范围和频率步长，并进行频率区间的划分。
具体地，假设接收机需搜索的多普勒频率范围为则实际输入信号的载波频率在/>范围内。如果频率搜索步长为fstep，那么覆盖搜索范围的所有多普勒频率点为
式中，i表示第i次搜索。
延续上述举例，只需要搜索10kHz的频率范围，按照步进500Hz计算，需要(2*5/0.5+1)＝21次频率搜索。无论是采用进经典的二维串行搜索，还是基于FFT的时域搜索，都可以减少对频点的搜索，而且是动态越高，减少的越多。
S150分别对每个频率区间进行搜索，捕获新的卫星信号。
具体地，分别对每个频率区间进行搜索，实现对新的卫星信号的捕获。
在一个实施例中，步骤S150之后，还包括：当捕获到新的卫星信号时，将新的卫星信号的多普勒频率设置为初始多普勒频率。具体地，捕获到一个新的卫星信号时，就需要将新的卫星信号的多普勒频率设置为初始多普勒频率，然后重复上述步骤S130-S150，直到完成全部的捕获。
上述实施例中，通过预设方法，对预设的初始多普勒搜索范围采用初始频率步长进行搜索，搜索到的第一颗卫星，根据第一颗卫星得到的多普勒频率作为搜索中心，并根据接收机在静止状态时，卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围，得到目标多普勒搜索范围，根据预设的频率步长，进行频率区间划分，再分别对每个频率区间进行搜索，捕获卫星信号；利用了卫星相对运动保持不变，可重新设定频率搜索范围，因此可缩小需要搜索的频率范围，也减小了搜索次数，从而缩短了捕获卫星的时间，对硬件资源开销也有较大的降低。
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种改进的高动态捕获装置200，该装置包括第一卫星搜索模块210、静止频移计算模块220、搜索范围获取模块230、频率区间划分模块240和卫星信号捕获模块250，其中：
第一卫星搜索模块210用于，基于已知的卫星编号，根据预设的方法和频率步长，对预设的初始频率搜索范围进行第一颗卫星的搜索，得到对应的多普勒频率作为初始多普勒频率；
频移范围获取模块220用于，接收机在静止状态下时，获取第一颗卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围；
搜索范围获取模块240用于，将第一颗卫星的多普勒频率作为搜索中心，根据频移范围，对初始多普勒搜索范围进行更新，得到目标多普勒频率；
频率区间划分模块250用于，根据目标多普勒搜索范围和频率步长，并进行频率区间的划分；
卫星信号捕获模块260用于，分别对每个频率区间进行搜索，捕获新的卫星信号。
在一个实施例中，提供了一种设备，该设备可以是服务器，其内部结构图可以如图4所示。该设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该设备的处理器用于提供计算和控制能力。该设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该设备的数据库用于存储配置模板，还可用于存储目标网页数据。该设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种改进的高动态捕获方法。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的设备的限定，具体的设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被计算机执行时使所述计算机执行如前述实施例所述的方法，所述计算机可以为上述提到的一种改进的高动态捕获装置的一部分。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种改进的高动态捕获方法，其特征在于，包括：
基于已知的卫星编号，根据预设的方法和频率步长，对预设的初始频率搜索范围进行第一颗卫星的搜索，得到对应的多普勒频率作为初始多普勒频率；
接收机在静止状态下时，获取第一颗卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围；
将所述初始多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移范围，对所述初始多普勒搜索范围进行更新，得到目标多普勒频率，在得到第一颗卫星的多普勒频率f后，重新设置频率搜索范围为[f-5kHz，f+5kHz]；
接收并处理外部星历信息，所述外部星历信息包括时间信息和位置信息；
根据所述时间信息和位置信息，计算所述外部星历所对应的卫星的位置、速度，以及卫星的俯仰角和理论多普勒频率；
根据预设的俯仰角阈值，对所述卫星进行筛选，得到多个目标卫星；
将所述多个目标卫星的理论多普勒频率进行误差修正后，得到多个目标卫星的多普勒频率，进行卫星搜索；
对多个目标卫星搜索完成后，选择最后搜索到的目标卫星的多普勒频率为初始多普勒频率；
将所述初始多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移，得到目标多普勒频率；根据所述目标多普勒搜索范围和所述频率步长，并进行频率区间的划分；
分别对每个频率区间进行搜索，捕获新的卫星信号，当捕获到新的卫星信号时，将所述新的卫星信号的多普勒频率设置为初始多普勒频率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于已知的卫星编号，根据预设的方法和频率步长，对预设的初始频率搜索范围进行第一颗卫星的搜索，得到对应的多普勒频率作为初始多普勒频率步骤之后，还包括：
若第一次对第一颗卫星搜索失败，则更换卫星编码，重新搜索，直至搜索到卫星信号为止。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设方法具体为二维搜索、基于FFT的时域并行捕获，以及PMF-FFT捕获中的一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述第一颗卫星的多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移范围，对所述初始多普勒搜索范围进行更新，得到目标多普勒频率步骤之前，还包括：
根据接收机自身的RF时钟晶振的偏差，对所述初始多普勒频率进行更新。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述多个目标卫星的理论多普勒频率进行误差修正后，得到多个目标卫星的多普勒频率，进行卫星搜索步骤之后，还包括：
若对多个目标卫星搜索失败，则将所述理论多普勒频率为中心点，按照预设的频率步长进行搜索，捕获卫星信号。
6.一种改进的高动态捕获装置，其特征在于，包括第一卫星搜索模块、频移范围获取模块、搜索范围获取模块、频率区间划分模块和卫星信号捕获模块，其中：
所述第一卫星搜索模块用于，基于已知的卫星编号，根据预设的方法和频率步长，对预设的初始频率搜索范围进行第一颗卫星的搜索，得到对应的多普勒频率作为初始多普勒频率；
所述频移范围获取模块用于，接收机在静止状态下时，获取第一颗卫星与接收机之间因多普勒效应产生的频移范围；
所述搜索范围获取模块用于，将所述第一颗卫星的多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移范围，对所述初始多普勒搜索范围进行更新，得到目标多普勒频率，在得到第一颗卫星的多普勒频率f后，重新设置频率搜索范围为[f-5kHz，
f+5kHz]；
接收并处理外部星历信息，所述外部星历信息包括时间信息和位置信息；
根据所述时间信息和位置信息，计算所述外部星历所对应的卫星的位置、速度，以及卫星的俯仰角和理论多普勒频率；
根据预设的俯仰角阈值，对所述卫星进行筛选，得到多个目标卫星；
将所述多个目标卫星的理论多普勒频率进行误差修正后，得到多个目标卫星的多普勒频率，进行卫星搜索；
对多个目标卫星搜索完成后，选择最后搜索到的目标卫星的多普勒频率为初始多普勒频率；
将所述初始多普勒频率作为搜索中心，根据所述频移，得到目标多普勒频率；
所述频率区间划分模块用于，根据所述目标多普勒搜索范围和所述频率步长，并进行频率区间的划分；
所述卫星信号捕获模块用于，分别对每个频率区间进行搜索，捕获新的卫星信号。
7.一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。
8.一种存储介质，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5中任一项所述的方法的步骤。
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Denomination of invention: An improved high dynamic capture method, device, device, and storage medium

Granted publication date: 20231121

Pledgee: China Minsheng Banking Corp Chongqing branch

Pledgor: CHONGQING GOD ARROW INERTIA TECHNOLOGY CO.,LTD.

Registration number: Y2024980012209

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