CN115267860B - 一种高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法。所述方法包括：对卫星导航定位系统高动态条件下的短突发信号进行粗捕获后，采用多相关器的方式，采用
Figure 446552DEST_PATH_IMAGE001
码片间隔的相关器，共2N组，搜索范围‑1~+1码片，对码相位进行估计；对载波频率相位采用FFT算法，根据最大峰和两个次大峰位置利用二次插值拟合方法估计频率，再根据不同时间下的估计频率线性拟合频率变化率，提高了运算效率，这种方法可以在信号持续时间较短时就能实现信号频率和码相位的估计，可用于高动态短突发信号的精确引导，完成信号数据频率和码相位的进一步精估计，压缩频率和码相位的范围，为下一步跟踪做准备。

Description

一种高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法
技术领域
本申请涉及卫星导航技术领域，特别是涉及一种高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法。
背景技术
我国自主建设的北斗卫星导航定位系统兼具卫星无线电定位业务（RadioDetermination Satellite Service, RDSS）和卫星无线电导航业务（Radio NavigationSatellite Service, RNSS）。RDSS是其中的重要组成部分，其工作原理为，主控站通过多颗GEO卫星向各类RDSS用户机广播出站信号，用户机通过GEO卫星向主控站发送入站信号。主控站接收入站信号后，进行信息解调、伪距计算和定位解算，然后再将定位结果返回给用户机。入站信号是典型的短突发信号，其高精度快速捕获并引导是影响地面段用户可获得的服务质量的主要因素。
特别是针对高动态用户，如机载用户机、弹载用户机等，入站短突发信号的精准快速捕获是提高用户服务性能的必要条件。通常卫星导航信号的捕获若采用串行捕获算法，存在速度慢、耗时长的问题；若采用并行捕获算法需要较大的运算量。入站短突发信号扩频码持续时间短、入站数量多、入站时刻随机性强，这决定了入站捕获需要精准快速完成，不能如同一般导航信号进行长时间的捕获。为了满足短突发入站信号的精准快速捕获、跟踪要求，需要探索新的短突发信号高精度引导方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在对高动态条件下的短突发信号捕获后，进行快速精准引导的高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法、装置、计算机设备和存储介质。
一种高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法，所述方法包括：
对卫星导航定位系统高动态条件下的短突发信号进行粗捕获后，通过多相关器组将本地扩频码与所述短突发信号进行相干积分，得到所述本地扩频码与所述短突发信号的相关值信号；所述多相关器组以
Figure 121444DEST_PATH_IMAGE001
码片为间隔，共2N组，搜索范围为-1~+1码片；
根据预设的非相干积分次数对所述相关值信号进行后积累，得到所述多相关器组在-1~1码片的自相关函数曲线；
根据所述自相关函数曲线确定非相干积分值的最大值和相邻两个次大值，通过非相干超前减滞后幅值法拟合估计码相位，并确定准时通道；
将所述准时通道对应的多组相关值信号的I支路信号和Q支路信号进行组合，结合粗捕获频率，得到复相关值表达式；
根据所述复相关值表达式进行FFT运算，并对FFT结果求取包络值，确定最大峰和两个次大峰位置，利用二次插值算法估计所述短突发信号的频率和频率变化率。
在其中一个实施例中，还包括：获取所述多相关器组的本地扩频码为：
Figure 103438DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 691545DEST_PATH_IMAGE003
为多相关器组中多相器的序号，
Figure 412376DEST_PATH_IMAGE004
表示时间，
Figure 967991DEST_PATH_IMAGE005
为光速，
Figure 65260DEST_PATH_IMAGE006
为1码片的时间长度；
通过多相关器组将所述本地扩频码与所述短突发信号进行相干积分，得到所述本地扩频码与所述短突发信号的相关值信号为：
Figure 101350DEST_PATH_IMAGE007
其中，l为相关积分的段数，
Figure 868448DEST_PATH_IMAGE008
为时间。
在其中一个实施例中，还包括：获取预设的非相干积分次数N nc ；
根据所述预设的非相干积分次数N nc 对所述相关值信号进行后积累，得到所述多相关器组在-1~1码片的自相关函数曲线为：
Figure 786726DEST_PATH_IMAGE009
。
在其中一个实施例中，还包括：根据所述自相关函数曲线确定非相干积分值的最大值，进而确定相邻两个次大值分别为
Figure 313784DEST_PATH_IMAGE010
；
通过非相干超前减滞后幅值法拟合估计码相位为：
Figure 735538DEST_PATH_IMAGE011
其中，d为所述多相关器组的码片间隔。
在其中一个实施例中，还包括：将所述准时通道对应的多组相关值信号的I支路信号和Q支路信号进行组合，结合粗捕获频率，得到复相关值表达式为：
Figure 939118DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 344691DEST_PATH_IMAGE013
为估计的码相位所对应的准时通道，
Figure 173976DEST_PATH_IMAGE014
表示准时通道
Figure 715816DEST_PATH_IMAGE015
所对应的自相关函数值，
Figure 418193DEST_PATH_IMAGE016
表示相干积分时间，
Figure 920849DEST_PATH_IMAGE017
表示待估计的信号载频与所述粗捕获频率的差值，
Figure 429191DEST_PATH_IMAGE018
表示相干积分起始时刻，
Figure 451636DEST_PATH_IMAGE019
表示所述短突发信号与本地载波的初相相位差，
Figure 324914DEST_PATH_IMAGE020
为正弦积分函数，
Figure 439500DEST_PATH_IMAGE021
为自然常数，
Figure 361320DEST_PATH_IMAGE022
为虚数符号。
在其中一个实施例中，还包括：根据所述复相关值表达式进行FFT运算，并对FFT结果求取包络值，确定最大峰和两个次大峰位置，根据所述最大峰和两个次大峰位置利用二次插值拟合方法得到估计频率为：
Figure 877752DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 843303DEST_PATH_IMAGE024
为包络最大值对应的频率值，
Figure 648448DEST_PATH_IMAGE025
为引导FFT的频率分辨率，
Figure 233013DEST_PATH_IMAGE026
为最大包络值，
Figure 744897DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 756715DEST_PATH_IMAGE028
为最大包络值左右两边的次大包络值；
根据不同时间下的估计频率线性拟合得到频率变化率。
在其中一个实施例中，还包括：当所述最大峰对应第一次频率搜索时，所述短突发信号的估计频率为：
Figure 206413DEST_PATH_IMAGE029
。
在其中一个实施例中，还包括：当所述最大峰对应最后一次频率搜索时，所述短突发信号的估计频率为：
Figure 329090DEST_PATH_IMAGE030
。
在其中一个实施例中，还包括：所述引导FFT的频率分辨率
Figure 226639DEST_PATH_IMAGE031
满足：
Figure 612621DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 313730DEST_PATH_IMAGE033
为采样频率，
Figure 505677DEST_PATH_IMAGE034
为FFT的点长。
在其中一个实施例中，还包括：根据所述最大峰和所述次大峰对应的FFT结果，估计所述短突发信号载波和本地载波的相位差。
上述高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法，对卫星导航定位系统高动态条件下的短突发信号进行粗捕获后，采用多相关器的方式，采用
Figure 460994DEST_PATH_IMAGE035
码片间隔的相关器，共2N组，搜索范围-1~+1码片，对码相位进行估计；对载波频率相位采用FFT算法，根据最大峰和两个次大峰位置利用二次插值拟合方法估计频率，再根据不同时间下的估计频率线性拟合频率变化率，提高了运算效率，这种方法可以在信号持续时间较短时就能实现信号频率和码相位的估计，可用于高动态短突发信号的精确引导，完成信号数据频率和码相位的进一步精估计，压缩频率和码相位的范围，为下一步跟踪做准备。
附图说明
图1为一个实施例中高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法的流程示意图；
图2为一个具体实施例中高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法的算法示意图；
图3为一个具体实施例中短突发信号高精度引导方法的码自相关函数示意图；
图4为一个具体实施例中短突发信号高精度引导方法的码相位估计多相关器仿真图；
图5为一个具体实施例中短突发信号高精度引导方法的码相位估计拟合结果图。
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，提供了一种高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法，包括以下步骤：
卫星导航信号的捕获目的在于确定所接收信号的载波频率和码相位的估计值。本发明在对短突发信号进行粗捕获后，通过本发明所提方法，对高动态短突发信号进行高精度引导，得到精度值更高的载波频率和码相位的估计值。
步骤102，对卫星导航定位系统高动态条件下的短突发信号进行粗捕获后，通过多相关器组将本地扩频码与短突发信号进行相干积分，得到本地扩频码与短突发信号的相关值信号。
短突发信号扩频码持续时间段、入站数量多、入站时刻随机性强，为了实现对短突发信号的精准快速捕获，本发明提出通过多相关器组对码相位进行估计。具体地，多相关器组以
Figure 80194DEST_PATH_IMAGE036
码片为间隔，共2N组，搜索范围为-1~+1码片。其中，多相关器组中相关器的数量2N。
步骤104，根据预设的非相干积分次数对相关值信号进行后积累，得到多相关器组在-1~1码片的自相关函数曲线。
相关值采用相干积分加后积累的方法进行能量累积，相干积分时间为T c ，后积累次数为N nc ，每个非相干积分值需要
Figure 81648DEST_PATH_IMAGE037
的时长得到，得到最终2N组相关器的包络结果。通过相干积分加后积累的方法进行能量累积可以方便信号的检测。
步骤106，根据自相关函数曲线确定非相干积分值的最大值和相邻两个次大值，通过非相干超前减滞后幅值法拟合估计码相位，并确定准时通道。
非相干超前减滞后幅值法为现有算法。
步骤108，将准时通道对应的多组相关值信号的I支路信号和Q支路信号进行组合，结合粗捕获频率，得到复相关值表达式。
复相关值表达式中包含粗捕获频率值，用于在粗捕获基础上实现载波频率的进一步精估计。
步骤110，根据复相关值表达式进行FFT运算，并对FFT结果求取包络值，确定最大峰和两个次大峰位置，利用二次插值算法估计短突发信号的频率和频率变化率。
上述高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法中，对卫星导航定位系统高动态条件下的短突发信号进行粗捕获后，采用多相关器的方式，采用
Figure 437806DEST_PATH_IMAGE038
码片间隔的相关器，共2N组，搜索范围-1~+1码片，对码相位进行估计；对载波频率相位采用FFT算法，根据最大峰和两个次大峰位置利用二次插值拟合方法估计频率，再根据不同时间下的估计频率线性拟合频率变化率，提高了运算效率，这种方法可以在信号持续时间较短时就能实现信号频率和码相位的估计，可用于高动态短突发信号的精确引导，完成信号数据频率和码相位的进一步精估计，压缩频率和码相位的范围，为下一步跟踪做准备。
在一个具体实施例中，如图2所示，提供了一种高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法，包括以下步骤：
步骤S1：多相关器估计码相位
用1/16码片间隔的相关器，共32组，搜索范围-1~+1码片。采用相干积分时间为1ms，非相干积分次数为28，生成28组相关值，并将相关值进行累加，得到最终的32组相关器的包络结果，找到最大值和相邻两个次大值，估计码相位。
本地扩频码为cl(t),本地32组多相关器扩频码为ci(t)，表达式为：
Figure 372264DEST_PATH_IMAGE039
Figure 37731DEST_PATH_IMAGE040
为1码片的时间长度，则信号与本地扩频码相关值为：
Figure 323219DEST_PATH_IMAGE041
其中l为相关积分的段数，
Figure 981602DEST_PATH_IMAGE042
为时间。
多相关器输出的码相关函数示意图如图3所示，通过32相关器组，可生成28*32相关值矩阵，将28组相关值数据进行后积累，得到-1~1码片的自相关函数曲线，分辨率为1/16chips，表达式为：
Figure 36146DEST_PATH_IMAGE043
32组相关值数据后积累的结果示意图如图4所示，两个次大值非相干积分值分别为
Figure 200411DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 582982DEST_PATH_IMAGE045
表示最大值对应的相关器通道的前一个相关器通道，
Figure 654843DEST_PATH_IMAGE046
表示最大值对应的相关器通道的后一个相关器通道，可通过非相干超前减滞后幅值算法的方法拟合估计码相位，表达式为：
Figure 455571DEST_PATH_IMAGE047
d为相关器组的码片间隔，对信号精引导后码相位拟合结果如图5所示，码相位差异为0.00075码片，精度为0.00059码片。
步骤S2：FFT估计载波频率相位
得到准时通道后，将I和Q支路信号进行组合，得到复相关值：
Figure 587475DEST_PATH_IMAGE048
其中
Figure 722922DEST_PATH_IMAGE049
表示待估计的信号载频与粗捕获频率的差值，
Figure 332895DEST_PATH_IMAGE050
表示相干积分起始时刻，
Figure 565293DEST_PATH_IMAGE051
表示信号与本地载波的初相相位差。
采用
Figure 727153DEST_PATH_IMAGE052
点FFT运算，得到频域各频率分量的强度，对FFT结果求取包络值，寻找最大峰位置，根据最大峰和两个次大峰位置利用二次插值的算法估计频率和频率变化率，估计频率表达式为：
Figure 474529DEST_PATH_IMAGE053
其中，
Figure 763559DEST_PATH_IMAGE054
为包络最大值对应的频率值，
Figure 912780DEST_PATH_IMAGE055
为引导FFT的频率分辨率，
Figure 12586DEST_PATH_IMAGE056
为最大包络值，
Figure 184941DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 136717DEST_PATH_IMAGE058
则最大包络值左右两边的次大包络值。当相关最大值为第一次或者最后一次频率搜索时，其替换公式为：
第一次最大：
Figure 15811DEST_PATH_IMAGE059
最后一次最大：
Figure 660419DEST_PATH_IMAGE060
对时域复相关值进行FFT后，其频率分辨率
Figure 241442DEST_PATH_IMAGE061
满足：
Figure 996908DEST_PATH_IMAGE062
其中，
Figure 730509DEST_PATH_IMAGE063
为采样频率，
Figure 546018DEST_PATH_IMAGE064
为FFT的点长。从式中可看出FFT点数的增加，对FFT的曲线进行了放大，提高了计算分辨率。根据不同时间下的估计频率线性拟合频率变化率。最后利用最大峰和次峰对应的FFT结果，计算相位差结果。
应该理解的是，虽然图1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。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例中的步骤。
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，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
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 (10)

1.一种高动态短突发信号的多相关器组高精度引导方法，其特征在于，所述方法包括：
对卫星导航定位系统高动态条件下的短突发信号进行粗捕获后，通过多相关器组将本地扩频码与所述短突发信号进行相干积分，得到所述本地扩频码与所述短突发信号的相关值信号；所述多相关器组以
Figure 127987DEST_PATH_IMAGE002
码片为间隔，共2N组，搜索范围为-1~+1码片；
根据预设的非相干积分次数对所述相关值信号进行后积累，得到所述多相关器组在-1~1码片的自相关函数曲线；
根据所述自相关函数曲线确定非相干积分值的最大值和相邻两个次大值，通过非相干超前减滞后幅值法拟合估计码相位，并确定准时通道；
将所述准时通道对应的多组相关值信号的I支路信号和Q支路信号进行组合，结合粗捕获频率，得到复相关值表达式；
根据所述复相关值表达式进行FFT运算，并对FFT结果求取包络值，确定最大峰和两个次大峰位置，利用二次插值算法估计所述短突发信号的频率和频率变化率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过多相关器组将本地扩频码与所述短突发信号进行相干积分，得到所述本地扩频码与所述短突发信号的相关值信号，包括：
获取所述多相关器组的本地扩频码为：
Figure 435341DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 683919DEST_PATH_IMAGE006
为多相关器组中多相器的序号，
Figure 797238DEST_PATH_IMAGE008
表示时间，
Figure 877189DEST_PATH_IMAGE010
为光速，
Figure 168493DEST_PATH_IMAGE012
为1码片的时间长度；
通过多相关器组将所述本地扩频码与所述短突发信号进行相干积分，得到所述本地扩频码与所述短突发信号的相关值信号为：
Figure 638789DEST_PATH_IMAGE014
其中，l为相干积分的段数，
Figure 306530DEST_PATH_IMAGE016
为时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据预设的非相干积分次数对所述相关值信号进行后积累，得到所述多相关器组在-1~1码片的自相关函数曲线，包括：
获取预设的非相干积分次数N nc ；
根据所述预设的非相干积分次数N nc 对所述相关值信号进行后积累，得到所述多相关器组在-1~1码片的自相关函数曲线为：
Figure 959098DEST_PATH_IMAGE018
。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述自相关函数曲线确定非相干积分值的最大值和相邻两个次大值，通过非相干超前减滞后幅值法拟合估计码相位，包括：
根据所述自相关函数曲线确定非相干积分值的最大值，进而确定相邻两个次大值分别为
Figure 624565DEST_PATH_IMAGE020
；
通过非相干超前减滞后幅值法拟合估计码相位为：
Figure 644474DEST_PATH_IMAGE022
其中，d为所述多相关器组的码片间隔。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述准时通道对应的多组相关值信号的I支路信号和Q支路信号进行组合，结合粗捕获频率，得到复相关值表达式，包括：
将所述准时通道对应的多组相关值信号的I支路信号和Q支路信号进行组合，结合粗捕获频率，得到复相关值表达式为：
Figure 584748DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 826242DEST_PATH_IMAGE026
为估计的码相位所对应的准时通道，
Figure 724928DEST_PATH_IMAGE028
表示准时通道
Figure 232133DEST_PATH_IMAGE026
所对应的自相关函数值，
Figure 710519DEST_PATH_IMAGE030
表示相干积分时间，
Figure 822831DEST_PATH_IMAGE032
表示待估计的信号载频与所述粗捕获频率的差值，
Figure 423577DEST_PATH_IMAGE034
表示相干积分起始时刻，
Figure 605028DEST_PATH_IMAGE036
表示所述短突发信号与本地载波的初相相位差，
Figure 152684DEST_PATH_IMAGE038
为正弦积分函数，
Figure 916241DEST_PATH_IMAGE040
为自然常数，
Figure 156730DEST_PATH_IMAGE042
为虚数符号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述复相关值表达式进行FFT运算，并对FFT结果求取包络值，确定最大峰和两个次大峰位置，利用二次插值算法估计所述短突发信号的频率和频率变化率，包括：
根据所述复相关值表达式进行FFT运算，并对FFT结果求取包络值，确定最大峰和两个次大峰位置，根据所述最大峰和两个次大峰位置利用二次插值拟合方法得到估计频率为：
Figure 310630DEST_PATH_IMAGE044
其中，
Figure 911245DEST_PATH_IMAGE046
为包络最大值对应的频率值，
Figure 529308DEST_PATH_IMAGE048
为引导FFT的频率分辨率，
Figure 675119DEST_PATH_IMAGE050
为最大包络值，
Figure 581895DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 268091DEST_PATH_IMAGE054
为最大包络值左右两边的次大包络值；
根据不同时间下的估计频率线性拟合得到频率变化率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述最大峰对应第一次频率搜索时，所述短突发信号的估计频率为：
Figure 943923DEST_PATH_IMAGE056
。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述最大峰对应最后一次频率搜索时，所述短突发信号的估计频率为：
Figure 787200DEST_PATH_IMAGE058
。
9.根据权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于，所述引导FFT的频率分辨率
Figure 978010DEST_PATH_IMAGE060
满足：
Figure 671160DEST_PATH_IMAGE062
其中，
Figure 935919DEST_PATH_IMAGE064
为采样频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
为FFT的点长。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述复相关值表达式进行FFT运算，并对FFT结果求取包络值，确定最大峰和两个次大峰位置之后，还包括：
根据所述最大峰和所述次大峰对应的FFT结果，估计所述短突发信号载波和本地载波的相位差。
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