GNSS接收机的载波频率快速搜索方法及系统与流程

本发明属于全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)技术领域，特别涉及一种gnss接收机的载波频率快速搜索方法及系统。

背景技术：

全球导航卫星系统(gnss)是一种星基无线电定位系统，主要包括美国的全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)、中国的北斗(bds)、俄罗斯的格洛纳斯(glonass)，以及欧洲的伽利略(galileo)四大系统。目前，gnss在测绘、导航和授时都发挥了很关键的作用。在授时领域，利用gnss接收机进行授时具有精度高、成本低和稳定等特点，授时接收机将在授时领域得到越来越广泛的运用。

传统的gnss接收机在启动时需要对卫星信号进行捕获，卫星信号的捕获的实质是对载波频率和码相位的二维搜索。目前常用的捕获方法包括：1)线性搜索：该方法分别在载波频率和码相位两个维度进行搜索，占用资源多，耗时长。2)并行码相位搜索：利用傅里叶变换实现对码相位的并行搜索，减小了运算量，但仍需搜索所有的频带。因为载波频率的搜索范围一般在±5000hz，搜索步进一般在500hz左右，信号较弱时搜索需要更小的步进，所以最少需进行21次的载波频率搜索。搜索完全部的频带耗时较长，直接导致传统的gnss接收机在启动时需要较长的时间，传统gnss接收机在冷启动时一般需要超过40s才能完成首次定位。

gnss接收机在运行过程中，经常会遇到有新卫星升起时，为保持一直有充足的可见卫星用来定位，需要捕获新的可见卫星。当有卫星因为电离层闪烁或者遮挡失锁时，也需要重新捕获。传统的gnss接收机一般需要2s左右的时间来完成捕获一颗卫星，并且额外占用了一些资源。若能减少卫星捕获过程中任意一维的搜索范围，都将加快捕获速度。

技术实现要素：

针对传统gnss接收机启动时捕获慢，以及运行过程中重捕慢的不足，本发明提供了一种gnss接收机的载波频率快速搜索方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一、gnss接收机的载波频率快速搜索方法，用于gnss接收机启动时，包括：

s1计算可见卫星当前时刻的理论多普勒频率；

s2根据本地时钟的频率偏差特性，计算本地时钟频率偏差对gnss接收机下变频和采样所造成的载波频率偏差范围，将载波频率偏差范围作为可见卫星的理论多普勒频率与实际多普勒频率的偏差范围；

s3根据步骤1所得理论多普勒频率和步骤2所得载波频率偏差范围，计算可见卫星的实际多普勒频率范围；

s4在实际多普勒频率范围内进行载波频率搜索。

本技术方案中，在实际多普勒频率范围内搜索载波频率，减小了载波频率搜索范围，从而可加快载波频率的搜索速度。

进一步的，步骤1进一步包括：

1.1从本地或外部获取实时的卫星星历或卫星历书，读取本地天线相位中心坐标以及本地时间，计算有哪些可见卫星及可见卫星的位置、速度；

1.2根据可见卫星的位置和速度，结合本地天线相位中心坐标，计算可见卫星的速度在gnss接收机视距方向的投影量，根据该投影量计算可见卫星的理论多普勒频率。

进一步的，gnss接收机为gnss授时接收机。

二、gnss接收机的载波频率快速搜索方法，用于gnss接收机的运行过程中，包括：

s1计算待捕获卫星当前时刻的理论多普勒频率；

s2采用gnss接收机上一时刻pvt解算所获的钟漂修正理论多普勒频率，获得待捕获卫星的实际多普勒频率；

s3采用实际多普勒频率直接进行载波跟踪。

本技术方案中，gnss接收机在在运行过程中，每秒都在进行位置速度时间(pvt)解算，正好可利用pvt解算所获的钟漂对理论多普勒频率进行修正，获得较精准的实际多普勒频率。所获得的实际多普勒频率的精度与钟漂精度相关，当pvt模块得到的钟漂具有较高精度时，计算的实际多普勒频率也具有较高精度，此时无需进行载波频率搜索，可直接使用该实际多普勒频率进行载波跟踪。

进一步的，步骤1进一步包括：

1.1根据本地时间和实时卫星星历，计算待捕获卫星的位置和速度；

1.2根据待捕获卫星的位置和速度，结合本地天线相位中心坐标，计算待捕获卫星的速度在gnss接收机视距方向的投影量，根据该投影量计算待捕获卫星的理论多普勒频率。

进一步的，若本地时钟的频率偏差小于预设值时，例如本地时钟为原子钟，将可见卫星当前时刻的理论多普勒频率作为实际多普勒频率，不执行步骤s2～4，直接采用实际多普勒频率直接进行载波跟踪。

进一步的，gnss接收机为gnss授时接收机。

三、gnss接收机的载波频率快速搜索系统，用于gnss接收机启动时，包括：

第一模块，用来计算可见卫星当前时刻的理论多普勒频率；

第二模块，用来根据本地时钟的频率偏差特性，计算本地时钟频率偏差对gnss接收机下变频和采样所造成的载波频率偏差范围，将载波频率偏差范围作为可见卫星的理论多普勒频率与实际多普勒频率的偏差范围；

第三模块，用来根据第一模块所得理论多普勒频率和第二模块所得载波频率偏差范围，计算可见卫星的实际多普勒频率范围；

第四模块，用来在实际多普勒频率范围内进行载波频率搜索。

进一步的，第一模块进一步包括子模块：

第一子模块，用来从本地或外部获取实时的卫星星历或卫星历书，读取本地天线相位中心坐标以及本地时间，计算可见卫星及可见卫星的位置、速度；

第二子模块，用来根据可见卫星的位置和速度，结合本地天线相位中心坐标，计算可见卫星的速度在gnss接收机视距方向的投影量，根据该投影量计算可见卫星的理论多普勒频率。

四、gnss接收机的载波频率快速搜索单元，用于gnss接收机的运行过程，包括：

第五模块，用来计算待捕获卫星当前时刻的理论多普勒频率；

第六模块，用来采用gnss接收机上一时刻pvt解算所获的钟漂修正理论多普勒频率，获得待捕获卫星的实际多普勒频率；

第七模块，用来采用实际多普勒频率直接进行载波跟踪。

进一步的，第五模块进一步包括子模块：

第三子模块，用来根据本地时间和实时卫星星历，计算待捕获卫星的位置和速度；

第四子模块，用来根据待捕获卫星的位置和速度，结合本地天线相位中心坐标，计算待捕获卫星的速度在gnss接收机视距方向的投影量，根据该投影量计算待捕获卫星的理论多普勒频率。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、无需额外设备，仅通过网络获得星历等信息即可减少gnss授时接收机频率搜索范围，在gnss授时接收机冷启动、暖启动或者热启动时均能减少捕获所花费的时间，从而减少gnss授时接收机开始授时所需的时间。

2、在gnss授时接收机开始授时之后，需要捕获新卫星，可以根据卫星钟漂来得到高精度的实际多普勒频率，无需载波频率搜索，可直接进行载波跟踪。

3、可用于gnss授时接收机但不局限于此，也可以在传统gnss接收机中使用，只需要启动时从外部获得时间以及粗略位置即可。

4、由于是通过理论多普勒频率来完成频率搜索，相比传统接收机，抗干扰能力更强。

附图说明

图1是本发明第一个技术方案的具体流程图；

图2是本发明第二个技术方案的具体流程图。

具体实施方式

本发明通过在gnss接收机的基带处理单元增加载波频率估计单元来实现频率的快速搜索，该载波频率估计单元可通过本地或外部获得的星历等信息，并结合本地时钟频率偏差估计实际多普勒频率范围，在此范围内进行载波频率搜索。

根据载波频率估计单元应用场景，载波频率估计单元可以为用于启动时的载波频率估计单元和用于重捕时的载波频率估计单元。其中，用于启动时的载波频率估计单元包括第一模块、第二模块和第三模块；用于重捕时的载波频率估计单元包括第五模块和第六模块。

下面将以gnss授时接收机为例，对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1所示为用于启动时的载波频率估计单元的具体工作流程：

1.1gnss授时接收机启动时，输入本地天线相位中心坐标，读取本地的星历或者历书。读取本地时间，根据本地时间判断本地的星历和历书是否可用，即是否为实时的星历或历书；若可用，执行步骤1.2；否则，通过外部网络获取实时的星历或者历书。

1.2根据实时的星历或者历书以及本地时间计算各卫星的位置和速度，结合本地天线相位中心坐标计算各卫星的高度角，并选出可见卫星。

1.3计算可见卫星的速度在gnss授时接收机与可见卫星的连线方向上的投影量，根据投影量计算可见卫星的理论多普勒频率。这里，gnss授时接收机与可见卫星的连线方向即gnss接收的视距方向。

1.4根据本地时钟的频率偏差特性，计算本地时钟频率偏差对下变频和采样所造成的载波频率偏差范围，即可见卫星的实际多普勒频率与理论多普勒频率的偏差范围。

公式如下：

式(1)中：

δfdoppler代表实际多普勒频率与理论多普勒频率的差值；

f1代表信号的载波频率；

f0代表本地时钟的标称频率；

δf代表本地时钟的频率漂移量；

fl0代表混频时本地产生的正弦或余弦信号频率。

1.5根据可见卫星的理论多普勒频率和载波频率偏差范围，计算可见卫星的实际多普勒频率范围，在实际多普勒频率范围内进行载波频率搜索，从而达到快速捕获的目的。

该载波频率估计单元可用于gnss授时接收机热启动、暖启动和热启动时的卫星信号捕获。当使用温补晶体振荡器(tcxo)作为本地时钟，其频率偏差约1ppm，此时，gnss授时接收机捕获时的载波频率搜索范围可缩小到±3000hz。当使用控晶体振荡器(tcxo)作为本地时钟时，其频率偏差约0.1ppm，载波频率搜索范围可缩小到±300hz，此时可以在锁频环的牵引下直接进行载波跟踪。当本地时钟采用原子钟，其频率偏差导致的多普勒频率偏差很小，可直接使用理论多普勒频率作为实际多普勒频率，直接使用锁相环进行载波跟踪。

图2中所示为用于重捕时的载波频率估计单元的具体工作流程：

2.1根据本地时间和实时卫星星历，计算待捕获卫星的位置和速度。

2.2根据待捕获卫星的位置和速度，并结合本地天线相位中心坐标，计算待捕获卫星的速度在gnss授时接收机与待捕获卫星的连线方向上的投影量，根据投影量计算待捕获卫星的理论多普勒频率。

2.3采用上一时刻pvt解算得到的钟漂修正理论多普勒频率，获得待捕获卫星的实际多普勒频率。

2.4采用待捕获卫星的实际多普勒频率直接进行载波跟踪。

用于重捕时的载波频率估计单元可应用于有新可见卫星升起时的捕获和有卫星失锁时的重捕。对于传统gnss接收机，需要对接收到的信号进行载波频率和码相位的二维搜索，用于重捕时的载波频率估计单元可直接计算出精确的实际多普勒频率，省去了对载波频率的搜索，从而大大减少了捕获所需时间。