CN114217329A - 一种基于串行搜索的短码捕获方法 - Google Patents

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张丹
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Abstract

本发明提供了一种基于串行搜索的短码捕获方法，属于卫星导航领域。本发明将接收到的中频信号下变频，和本地扩频码进行相关运算，经非相干累加之后得到积分值，将积分值与捕获门限进行比较，实现捕获。此外，本发明设置三路相关器同时进行相关运算。信号捕获成功后，对相关值取平方，进行傅里叶变换，进一步准确估计载波频率，使得跟踪环路能够顺利锁定信号。本发明采用串行搜索的方法对短码扩频信号进行捕获，直接利用跟踪通道实现，可以同时完成对多颗卫星信号的捕获，省略专门的捕获模块，节省了硬件资源；对于载波频偏较大的接收信号，通过对相干积分结果进行傅里叶变换，根据FFT结果确定频偏的估计值，提高捕获精度。

Description

一种基于串行搜索的短码捕获方法
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，特别涉及一种基于串行搜索的短码捕获方法。
背景技术
信号捕获是导航信号处理的重要组成部分，用于实现对卫星扩频信号的快速粗略捕获，获得信号的码相位和载波多普勒频率的粗略估计，其性能将直接影响接收机的性能指标。卫星导航接收机中信号捕获通常用匹配滤波器+FFT的并行捕获方法，运算量大，占用的资源较多。对于符号速率较高且扩频码周期较短的导航信号，受到相干积分时间短的限制，采用并行捕获的方法难以获得较高的捕获灵敏度，且载波多普勒频率分辨率较低。对于此类信号，采用串行搜索的捕获方法，利用跟踪通道实现捕获功能，可以获得较高的捕获灵敏度和捕获精度，同时占用的硬件资源大大减少。
发明内容
本发明在于解决现有技术的不足，提供了一种基于串行搜索的短码捕获方法，该方法，可以实现周期短码扩频产生的卫星导航信号的捕获，能够节省硬件资源，运算量小，且捕获精度较高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于串行搜索的短码捕获方法，包括以下步骤：
(1)对卫星发射的扩频导航信号进行下变频和AD采样，得到数字中频信号，送入跟踪通道进行数字下变频，得到数字基带信号；
(2)跟踪通道根据软件置入的伪码参数生成本地伪码，并通过延迟处理得到三路伪码序列，相位依次相差半个码片；
(3)跟踪通道内的数字基带信号与本地的三路伪码序列分别做相关运算，相干积分时间为一个扩频码周期，得到三个相关值，并将第二路的积分值存储，用于后续的傅里叶变换进行频偏估计；
(4)将三个相关值分别进行非相干累加，累加次数根据信号符号速率确定；
(5)非相干累加完成后由软件读取结果，找到三路积分结果中的最大值并与设定的门限值进行比较，如果超过门限值，则捕获成功；否则软件控制本地伪码生成模块滑动1.5个码片继续与接收信号做相关运算，直至搜索完整个伪码周期；
(6)信号捕获成功之后，软件读取FPGA存储的相干积分结果，平方之后进行FFT运算，找到FFT结果中最大值所在的位置，计算对应的频率，并对本地载波频率进行修正，转入对信号的跟踪。
进一步的，步骤(2)、(3)中，本地伪码生成和相关运算均由跟踪通道完成，且各跟踪通道独立，不使用额外的捕获模块。
进一步的，步骤(3)中，通过相关运算得到超前、即时、滞后三路相干积分值，并将即时支路的积分值进行存储。
进一步的，步骤(5)中，捕获的门限值根据当前接收信号的强度进行动态调整。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所需硬件资源较少，且运算量较低。
2、本发明克服了传统信号捕获方法得到的多普勒分辨率低，转跟踪后牵引时间较长的问题。
3、本发明的捕获灵敏度和成功率较高，相对于现有技术具有较大进步。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图。
图2为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作进一步说明。
一种基于串行搜索的短码捕获方法，其包括以下步骤：
(1)对卫星发射的扩频导航信号进行下变频和AD采样得到数字中频信号，送入跟踪通道并进行数字下变频，得到数字基带信号；
(2)跟踪通道根据软件置入的伪码参数生成本地伪码，并通过延迟处理得到超前、即时、滞后三路伪码序列，相位依次相差半个码片；
(3)通道内的数字基带信号与本地三路伪码序列分别做相关运算，相干积分时间为一个扩频码周期，得到三个相关值，并将第二路的积分值存储，用于后续的傅里叶变换进行频偏估计；
(4)将三个相关值分别进行非相干累加，累加次数根据信号符号速率确定；
(5)非相干累加完成后由软件读取结果，找到三路积分结果中的最大值，与设定的门限值进行比较，如果超过门限值，则捕获成功；否则软件控制本地伪码生成模块滑动1.5个码片继续与接收信号做相关运算，直至搜索完整个伪码周期；
(6)信号捕获成功之后，软件读取FPGA存储的相干积分结果，平方之后进行FFT运算，找到FFT结果中最大值及其所在的位置，计算对应的频率，并对本地载波频率进行修正，转入对信号的跟踪。
步骤(1)、(2)、(3)中，数字下变频、本地伪码生成和相关运算均由跟踪通道完成，并且各跟踪通道相互独立，不需要额外的捕获模块。
步骤(3)中,相关运算得到超前、即时、滞后三路相干积分值，将即时支路的积分值存储。
步骤(4)中根据符号速率的大小，对相关值进行非相干累加，提高捕获灵敏度。
步骤(5)中，捕获的门限值的大小根据当前接收信号的强度进行动态调整。本地伪码的相位由软件进行控制，每次搜索完成，滑动1.5个码片，直至捕获成功或者搜索完整个伪码周期。
步骤(5)、(6)中，非相干积分结果超过捕获门限，认为信号捕获成功，软件读取FPGA存储的相干积分结果，取平方之后进行FFT运算，消除了码元跳变的影响，进一步准确估计多普勒频偏大小，提高了捕获精度。
以下为一个更具体的例子：
如图1和2所示，一种基于串行搜索的短码捕获方法，包括以下步骤：
(1)对卫星发射的扩频导航信号进行下变频和AD采样得到数字中频信号，送入跟踪通道并进行数字下变频，得到数字基带信号i和q。图1中，fc为数字下变频所用本地载波的中心频率。
(2)跟踪通道根据软件置入的伪码参数生成本地伪码，并通过延迟处理得到三路伪码序列CE、CP、CL，分别对应超前、即时、滞后三个支路，相位依次相差半个码片。与本地伪码生成有关的参数包括初相、多项式和伪码周期等，根据卫星号唯一确定。
(3)通道内的数字基带信号与本地的三路伪码序列分别做相关运算，相干积分时间为一个扩频码周期；得到三路相关值，其中每一路包括I、Q两个分量；将第二路相关值IP、QP存储。
(4)将三个相关值分别进行非相干累加。
非相干积分值的计算为
Figure BDA0003400668890000041
涉及平方和开根号运算，为降低硬件的运算量，采取近似计算的方法，取
Figure BDA0003400668890000042
实施例中，非相干累加次数取16，累加完成后将结果存储。
(5)软件读取FPGA存储的非相干积分结果，找到三路结果中的最大值，与设定的门限值进行比较，如果超过门限值，则捕获成功；根据最大值对应的伪码相位对本地伪码进行调整，使本地伪码超前或者滞后0.5码片或者维持不变。如果最大值小于门限值，则控制本地伪码生成模块滑动1.5个码片继续与接收信号做相关运算，直至搜索完整个伪码周期。
门限值根据一段时间内三个支路积分值的平均值确定。
(6)信号捕获成功之后，软件读取FPGA存储的相干积分结果，进行FFT运算。为了消除码元跳变的影响，对相干积分的结果平方之后再进行FFT运算。
设相干积分结果为
Figure BDA0003400668890000043
Figure BDA0003400668890000044
由上式可知，由FFT运算结果求得的频率值为多普勒频偏的两倍，除以2以后得到多普勒频偏的估计值。
实施例中，FFT计算输出的复数序列按照实部平方与虚部平方之和求得能量，然后找到其中的最大值，根据最大值所在位置计算对应的频率。
实施例中，取256点的相干积分结果补256个零之后，进行512点的FFT，频率分辨率为31.25Hz，该精度可以使跟踪环路较快地锁定信号。
总之，本发明通过将接收到的中频信号下变频后，和本地扩频码进行相关运算，经非相干累加之后得到积分值，将该积分值与捕获门限进行比较，如果大于门限值则认为信号捕获成功，否则控制本地伪码滑动0.5个码片，继续与接收信号做相关运算。为加快捕获速度，设置三路相关器同时进行相关运算，三路相关器用的本地伪码相位依次相差半个码片。信号捕获成功之后，软件对相关值取平方，进行傅里叶变换，进一步准确估计载波频率，使得跟踪环路能够顺利锁定信号。本发明采用串行搜索的方法对短码扩频信号进行捕获，直接利用跟踪通道实现，可以同时完成对多颗卫星信号的捕获，省略专门的捕获模块，节省了硬件资源；对于载波频偏较大的接收信号，通过对相干积分结果进行傅里叶变换，根据FFT结果确定频偏的估计值，提高捕获精度。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照实例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于串行搜索的短码捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对卫星发射的扩频导航信号进行下变频和AD采样，得到数字中频信号，送入跟踪通道进行数字下变频，得到数字基带信号；
（2）跟踪通道根据软件置入的伪码参数生成本地伪码，并通过延迟处理得到三路伪码序列，相位依次相差半个码片；
（3）跟踪通道内的数字基带信号与本地的三路伪码序列分别做相关运算，相干积分时间为一个扩频码周期，得到三个相关值，并将第二路的积分值存储，用于后续的傅里叶变换进行频偏估计；
（4）将三个相关值分别进行非相干累加，累加次数根据信号符号速率确定；
（5）非相干累加完成后由软件读取结果，找到三路积分结果中的最大值并与设定的门限值进行比较，如果超过门限值，则捕获成功；否则软件控制本地伪码生成模块滑动1.5个码片继续与接收信号做相关运算，直至搜索完整个伪码周期；
（6）信号捕获成功之后，软件读取FPGA存储的相干积分结果，平方之后进行FFT运算，找到FFT结果中最大值所在的位置，计算对应的频率，并对本地载波频率进行修正，转入对信号的跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种基于串行搜索的短码捕获方法，其特征在于，步骤（2）、（3）中，本地伪码生成和相关运算均由跟踪通道完成，且各跟踪通道独立，不使用额外的捕获模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于串行搜索的短码捕获方法，其特征在于，步骤（3）中，通过相关运算得到超前、即时、滞后三路相干积分值，并将即时支路的积分值进行存储。
4.根据权利要求1所述的一种基于串行搜索的短码捕获方法，其特征在于，步骤（5）中，捕获的门限值根据当前接收信号的强度进行动态调整。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115276712A (zh) * 2022-07-22 2022-11-01 山东航天电子技术研究所 一种低复杂度的突发扩频信号捕获方法

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