CN115113243B - 一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法 - Google Patents

一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法。所述方法包括：在卫星导航接收机的捕获模块，将本地生成的伪码与接收的基带导航信号进行相关累加，得到相关累加值，对连续多个相关累加值进行快速傅里叶变换运算，对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果，根据运算结果构造捕获判决量，并进行捕获判决，当捕获成功时，通过频率插值运算，实现对导航信号多普勒频率的精确估计。本发明适用于不同的信号动态场景需求，可以显著提高估计精度，方法实现简单，计算量小，能较好解决了多普勒频率精估计和计算量间的矛盾，具有重要工程应用价值。

Description

一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法
技术领域
本申请涉及卫星导航定位技术领域，特别是涉及一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法。
背景技术
卫星导航系统具有全天时、全天候、全球高精度定位的特点，已经在社会生活的各个方面得到了广泛应用。卫星导航接收机通过接收卫星播发的导航信号实现定位解算和钟差测量。接收机中的捕获模块主要完成卫星导航信号时延和频率粗估计的，需要对伪码相位和多普勒频率进行二维搜索。并行频率搜索方法是常用的捕获方法之一，该方法对码相位进行串行搜索，而对多普勒频率利用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform， FFT）进行并行搜索。在该方法中，多普勒频率的估计精度与FFT变换阶数密切相关，FFT阶数越高，则多普勒频率精度越高，接收机转入跟踪阶段后的收敛时间越短，但接收机的实现复杂度也越高。当信号动态范围较大时，为了保证信号的正常跟踪，必须采用更高阶数的FFT运算来保证多普勒频率的估计精度。同时，大多数导航接收机设计完成后，捕获阶段的预检积分时间和FFT阶数一般固定，无法根据频率动态范围的变化而灵活调整，难以兼顾适应大动态场景需求与低复杂度接收机设计之间的矛盾。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够使用更少的FFT点数实现更高的多普勒频率估计精度的联合频率插值估计的导航信号捕获方法。
一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法，所述方法包括：
在卫星导航接收机的捕获模块，获取接收的基带导航信号，将所述基带导航信号与本地生成的伪码进行相关累加，得到相关累加值；
对连续多个相关累加值进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换结果；
对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果；
根据所述相干累加和的运算结果构造捕获判决量，并进行捕获判决，当捕获成功时，通过频率插值运算，实现对导航信号多普勒频率的精确估计。
在其中一个实施例中，还包括：设置本地初始码相位值，生成本地
Figure 175291DEST_PATH_IMAGE001
段
Figure 950349DEST_PATH_IMAGE002
长度的本地扩频码序列；其中，
Figure 874443DEST_PATH_IMAGE003
表示接收机预检积分时间；
获取接收的基带导航信号，从所述基带导航信号中截取连续
Figure 508687DEST_PATH_IMAGE004
段
Figure 940978DEST_PATH_IMAGE005
长度的基带信号数据，分别将每段
Figure 977067DEST_PATH_IMAGE006
长度的基带信号数据和对应的所述
Figure 931116DEST_PATH_IMAGE007
长度的本地扩频码序列进行相关累加，得到
Figure 52656DEST_PATH_IMAGE008
个相关累加值
Figure 156878DEST_PATH_IMAGE009
。
在其中一个实施例中，还包括：将连续
Figure 391682DEST_PATH_IMAGE010
个相关累加值
Figure 923157DEST_PATH_IMAGE011
分成
Figure 266414DEST_PATH_IMAGE012
段，对连续的
Figure 33381DEST_PATH_IMAGE013
个相关累加值进行快速傅里叶变换运算，得到快速傅里叶变换结果：
Figure 778484DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 215281DEST_PATH_IMAGE015
。
在其中一个实施例中，还包括：对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果：
Figure 419735DEST_PATH_IMAGE016
。
在其中一个实施例中，还包括：根据所述相干累加和的运算结果构造捕获判决量：
Figure 865760DEST_PATH_IMAGE017
根据所述捕获判决量和预设的捕获门限进行比对，若所述捕获判决量大于所述捕获门限，则判定捕获成功。
在其中一个实施例中，还包括：通过频率插值处理，利用最大值谱线与相邻的次大值谱线的幅值，实现对导航信号多普勒频率的精确估计。
在其中一个实施例中，还包括：获取导航信号多普勒频率相干累加和的运算结果
Figure 58844DEST_PATH_IMAGE018
；
确定
Figure 400964DEST_PATH_IMAGE019
幅度最大值对应的索引值
Figure 328600DEST_PATH_IMAGE020
，以及
Figure 47157DEST_PATH_IMAGE021
幅度次大值对应的索引值
Figure 625906DEST_PATH_IMAGE022
；
根据索引值
Figure 670085DEST_PATH_IMAGE023
和索引值
Figure 583552DEST_PATH_IMAGE024
计算：
Figure 371380DEST_PATH_IMAGE025
Figure 680001DEST_PATH_IMAGE026
进而得到多普勒频率的精确估计值为：
Figure 19716DEST_PATH_IMAGE027
式中的正负号由索引值
Figure 780998DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 982304DEST_PATH_IMAGE029
的大小关系确定，如果
Figure 411011DEST_PATH_IMAGE030
，则取“+”号，如果
Figure 531414DEST_PATH_IMAGE031
，则取“-”号。
Figure 435785DEST_PATH_IMAGE032
为FFT的频率分辨率，也是相邻谱线之间的间隔，
Figure 299835DEST_PATH_IMAGE033
表示FFT阶数。
Figure 583049DEST_PATH_IMAGE034
大小与FFT阶数和预检积分时间密切相关，FFT阶数和预检积分时间越大，则频率分辨率越高。
在其中一个实施例中，还包括：所述接收机预检积分时间
Figure 779413DEST_PATH_IMAGE035
和相干累加次数
Figure 515288DEST_PATH_IMAGE036
能够根据场景需求信息调整。
上述联合频率插值估计的导航信号捕获方法，将本地生成的伪码与接收的基带导航信号进行相关累加，得到相关累加值，对连续多个相关累加值进行快速傅里叶变换运算，对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果，根据运算结果构造捕获判决量，并进行捕获判决，当捕获成功时，通过频率插值运算，实现对导航信号多普勒频率的精确估计。一方面，本发明可以通过调整进行相关累加的本地生成的伪码与基带导航信号的长度，即预检积分时间，使方法适用于不同的信号动态场景需求，同时保证了捕获灵敏度；另一方面，由于并行频率搜索方法中多普勒频率的估计精度与FFT变换阶数密切相关，通过增加频率插值处理使得在不增加FFT变换阶数的情况下实现了多普勒频率的估计精度的提高，而不增加接收机的复杂度。在信号动态范围较少时，更高的多普勒频率估计精度可以使得信号跟踪环路收敛速度更快；在信号动态范围较大时，可以利用更少了FFT阶数实现相同的多普勒估计精度，降低了接收机计算复杂度。本发明实现简单，计算量小，能较好解决了多普勒频率精估计和计算量间的矛盾，具有重要工程应用价值。
附图说明
图1为一个实施例中联合频率插值估计的导航信号捕获方法的流程示意图；
图2为一个具体实施例中联合频率插值估计的导航信号捕获方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法，包括以下步骤：
步骤102，在卫星导航接收机的捕获模块，获取接收的基带导航信号，将基带导航信号与本地生成的伪码进行相关累加，得到相关累加值。
卫星导航接收机中的捕获模块用于实现卫星导航信号时延和频率的估计。
具体地，设置本地初始码相位值，生成本地
Figure 307663DEST_PATH_IMAGE037
段
Figure 179805DEST_PATH_IMAGE038
长度的本地扩频码序列；其中，
Figure 173168DEST_PATH_IMAGE039
表示接收机预检积分时间；
获取接收的基带导航信号，从基带导航信号中截取连续
Figure 271705DEST_PATH_IMAGE040
段
Figure 477559DEST_PATH_IMAGE041
长度的基带信号数据，分别将每段
Figure 859999DEST_PATH_IMAGE042
长度的基带信号数据和对应
Figure 758685DEST_PATH_IMAGE043
长度的本地扩频码序列进行相关累加，得到
Figure 469152DEST_PATH_IMAGE044
个相关累加值
Figure 852597DEST_PATH_IMAGE045
。
步骤104，对连续多个相关累加值进行快速傅里叶变换，得到快速傅里叶变换结果。
具体地，将连续
Figure 964910DEST_PATH_IMAGE046
个相关累加值
Figure 159131DEST_PATH_IMAGE047
分成
Figure 356894DEST_PATH_IMAGE048
段，对连续的
Figure 779916DEST_PATH_IMAGE049
个相关累加值进行快速傅里叶变换运算，得到快速傅里叶变换结果：
Figure 12314DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 987224DEST_PATH_IMAGE051
。
步骤106，对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果。
对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果：
Figure 62496DEST_PATH_IMAGE052
。
本发明对传统并行频率搜索方法进行了改进，将连续
Figure 413843DEST_PATH_IMAGE053
个相关累加值分成
Figure 609070DEST_PATH_IMAGE054
段，先对连续的
Figure 286039DEST_PATH_IMAGE055
个相关累加值进行FFT运算，再将
Figure 192815DEST_PATH_IMAGE056
组FFT运算序列进行相干累加。这一改进的优势在于能够通过调整预检积分时间
Figure 472486DEST_PATH_IMAGE057
和相干累加次数
Figure 679477DEST_PATH_IMAGE058
，便可适用不同的信号动态场景需求，同时保证了捕获灵敏度。信号多普勒频率越大，则要求相干积分时间
Figure 996189DEST_PATH_IMAGE059
越少，但相关累加值也会减少，降低了捕获灵敏度。而通过连续多次的相干累加，则可以有效的提高信噪比，进而提高捕获灵敏度。而当信号多普勒频率越小时，可以实现越长的相干积分时间
Figure 531206DEST_PATH_IMAGE060
，进而只需要更小的相干累加次数，即可保证捕获灵敏度需求。当相干累加次数为1时，则退化为传统方法。
同时，通过对多组傅里叶变换结果进行相干累加，可以有效提升信噪比，进而提高多普勒频率估计的精度。
步骤108，根据相干累加和的运算结果构造捕获判决量，并进行捕获判决，当捕获成功时，通过频率插值运算，实现对导航信号多普勒频率的精确估计。
具体地，根据相干累加和的运算结果构造捕获判决量：
Figure 489935DEST_PATH_IMAGE061
根据捕获判决量和预设的捕获门限进行比较，若捕获判决量大于捕获门限，则判定捕获成功。
当捕获成功时，获取导航信号多普勒频率相干累加和的运算结果
Figure 285853DEST_PATH_IMAGE062
；
确定
Figure 429258DEST_PATH_IMAGE063
幅度最大值对应的索引值
Figure 310626DEST_PATH_IMAGE064
，以及
Figure 807467DEST_PATH_IMAGE065
幅度次大值对应的索引值
Figure 97372DEST_PATH_IMAGE066
；
根据索引值
Figure 21465DEST_PATH_IMAGE067
和索引值
Figure 655709DEST_PATH_IMAGE068
计算：
Figure 815295DEST_PATH_IMAGE069
Figure 585805DEST_PATH_IMAGE070
进而得到多普勒频率的精确估计值为：
Figure 946379DEST_PATH_IMAGE071
式中的正负号由索引值
Figure 677706DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure 516349DEST_PATH_IMAGE073
的大小关系确定，如果
Figure 265999DEST_PATH_IMAGE074
，则取“+”号，如果
Figure 797474DEST_PATH_IMAGE075
，则取“-”号。
Figure 140731DEST_PATH_IMAGE076
为FFT的频率分辨率，也是相邻谱线之间的间隔，
Figure 156966DEST_PATH_IMAGE077
表示FFT阶数。
Figure 902068DEST_PATH_IMAGE078
大小与FFT阶数和预检积分时间密切相关，FFT阶数和预检积分时间越大，则频率分辨率越高。
现有方法要想提高多普勒频率估计的精确度，需要增加FFT点数，进而导致接收机的计算复杂度增加，计算量大。
本发明提出在捕获判决之后，再应用频率插值算法对多普勒频率进行精估计，采用并行频率捕获方法，在FFT变换后的频域进行频率插值处理。这一操作可以使接收机使用更少的FFT点数实现更高的多普勒频率估计精度，相同的接收机设计，可以满足更大的动态范围内的多普勒估计。
上述联合频率插值估计的导航信号捕获方法中，将本地生成的伪码与接收的基带导航信号进行相关累加，得到相关累加值，对连续多个相关累加值进行快速傅里叶变换运算，对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果，根据运算结果构造捕获判决量，并进行捕获判决，当捕获成功时，通过频率插值运算，实现对导航信号多普勒频率的精确估计。一方面，本发明可以通过调整进行相关累加的本地生成的伪码与基带导航信号的长度，即预检积分时间，使方法适用于不同的信号动态场景需求，同时保证了捕获灵敏度；另一方面，由于并行频率搜索方法中多普勒频率的估计精度与FFT变换阶数密切相关，通过增加频率插值处理使得在不增加FFT变换阶数的情况下实现了多普勒频率的估计精度的提高，而不增加接收机的复杂度。在信号动态范围较少时，更高的多普勒频率估计精度可以使得信号跟踪环路收敛速度更快；在信号动态范围较大时，可以利用更少了FFT阶数实现相同的多普勒估计精度，降低了接收机计算复杂度。本发明实现简单，计算量小，能较好解决了多普勒频率精估计和计算量间的矛盾，具有重要工程应用价值。
在一个具体实施例中，如图2所示，提供一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法，包括：
步骤一：设置本地初始码相位值；
步骤二：进行
Figure 604445DEST_PATH_IMAGE079
次相关累加运算；
步骤三：将连续
Figure 294052DEST_PATH_IMAGE080
个相关累加值分成
Figure 474498DEST_PATH_IMAGE081
段，对连续的
Figure 74107DEST_PATH_IMAGE082
个相关累加值进行FFT运算；
步骤四：将
Figure 822751DEST_PATH_IMAGE083
组FFT运算序列进行相干累加；
步骤五：计算捕获判决量，将捕获判决量与捕获门限进行对比，如果大于门限，则认为捕获成功，此时对应的码相位值即为码相位捕获结果，则转到步骤六进行频率精估计；如果小于门限，则跳转到第一步，调整本地码相位后继续进行捕获操作；
步骤六：进行频率插值处理，对多普勒频率进行精估计。
应该理解的是，虽然图1-2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种联合频率插值估计的导航信号捕获方法，其特征在于，所述方法包括：
在卫星导航接收机的捕获模块，设置本地初始码相位值，生成本地
Figure 514517DEST_PATH_IMAGE002
段
Figure 914406DEST_PATH_IMAGE004
长度的本地扩频码序列；其中，
Figure 373462DEST_PATH_IMAGE004
表示接收机预检积分时间，
Figure 313737DEST_PATH_IMAGE006
表示相干累加次数；所述接收机预检积分时间
Figure 774805DEST_PATH_IMAGE004
和所述相干累加次数
Figure 407912DEST_PATH_IMAGE006
能够根据场景需求信息调整；
获取接收的基带导航信号，从所述基带导航信号中截取连续
Figure 118379DEST_PATH_IMAGE002
段
Figure 95300DEST_PATH_IMAGE004
长度的基带信号数据，分别将每段
Figure 942033DEST_PATH_IMAGE004
长度的基带信号数据和对应的所述
Figure 949303DEST_PATH_IMAGE004
长度的本地扩频码序列进行相关累加，得到
Figure 881487DEST_PATH_IMAGE002
个相关累加值
Figure 163564DEST_PATH_IMAGE008
；
将连续
Figure 100689DEST_PATH_IMAGE002
个相关累加值
Figure 278861DEST_PATH_IMAGE008
分成
Figure 432762DEST_PATH_IMAGE006
段，对连续的
Figure 784109DEST_PATH_IMAGE010
个相关累加值进行快速傅里叶变换运算，得到快速傅里叶变换结果：
Figure 838390DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 984201DEST_PATH_IMAGE014
；
对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果；
根据所述相干累加和的运算结果构造捕获判决量，并进行捕获判决，当捕获成功时，通过频率插值运算，实现对导航信号多普勒频率的精确估计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果，包括：
对连续多组快速傅里叶变换结果进行相干累加，得到相干累加和的运算结果：
Figure 359818DEST_PATH_IMAGE016
。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述相干累加和的运算结果构造捕获判决量，并进行捕获判决，包括：
根据所述相干累加和的运算结果构造捕获判决量：
Figure 249277DEST_PATH_IMAGE018
根据所述捕获判决量和预设的捕获门限进行比对，若所述捕获判决量大于所述捕获门限，则判定捕获成功。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过频率插值处理，实现对导航信号多普勒频率的精确估计，包括：
通过频率插值处理，利用最大值谱线与相邻的次大值谱线的幅值，实现对导航信号多普勒频率的精确估计。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过频率插值处理，利用最大值谱线与相邻的次大值谱线的幅值，实现对导航信号多普勒频率的精确估计，包括：
获取导航信号多普勒频率相干累加和的运算结果
Figure 925109DEST_PATH_IMAGE020
；
确定
Figure 241821DEST_PATH_IMAGE020
幅度最大值对应的索引值
Figure 594481DEST_PATH_IMAGE022
，以及
Figure 22051DEST_PATH_IMAGE020
幅度次大值对应的索引值
Figure 286810DEST_PATH_IMAGE024
；
根据索引值
Figure 40002DEST_PATH_IMAGE022
和索引值
Figure 655792DEST_PATH_IMAGE024
计算：
Figure 651167DEST_PATH_IMAGE026
Figure 36012DEST_PATH_IMAGE028
进而得到多普勒频率的精确估计值为：
Figure 428947DEST_PATH_IMAGE030
式中的正负号由索引值
Figure 532033DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 301405DEST_PATH_IMAGE034
的大小关系确定，如果
Figure 71915DEST_PATH_IMAGE036
，则取“+”号，如果
Figure 871637DEST_PATH_IMAGE038
，则取“-”号；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为快速傅里叶变换的频率分辨率，
Figure 930860DEST_PATH_IMAGE032
表示快速傅里叶变换阶数。
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