一种导航信号快速捕获方法与流程

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种导航信号快速捕获方法的设计。

背景技术：

在卫星导航信号处理过程中，接收机在开始信号跟踪之前，首先需要估算出接收信号的载波频率(或者说载波多普勒频移)和码相位这两个参数，然后根据这些信号参数估计值初始化跟踪环路，以帮助接收通道展开对信号的跟踪，而信号捕获的目的正是为了获取所有可见卫星信号的载波频率和码相位的粗略估计值。

为了估算出某个卫星信号的载波频率和码相位这两个参数值，接收机的信号捕获过程一般是通过对该卫星信号的载波频率和码相位这二维进行扫描式搜索来完成的。一旦信号被搜索并得以确认，那么对该信号的捕获过程也就结束。

在对一个卫星信号进行频率和码相位的二维搜索之前，接收机首先要判定这颗卫星有可能可见而值得对其信号进行搜索。这样，卫星信号的捕获实际上是一个关于伪码(卫星号)、频率和码相位的三维搜索过程。

信号捕获的基础是测距码的相关性，所以对于搜索来说，只有当接收机内部复制的载波和测距码信号与接收信号一致时，相关器的输出才会达到最大值。如图1所示，每一个频带对应着一个载波频率搜索值，每一个码相位带对应着一个码相位搜索值，每一个频率带和一个码相位带的交点称为一个基本搜索单元。

卫星信号捕获方法主要有两种，第一种是串行搜索捕获法，串行搜索捕获方法是卫星导航系统为解决捕获问题提出的最早的传统捕获方法。该方法是对码相位和多普勒频移分别进行串行搜索。由于码相位搜索的步长通常为半个码片，而一个码元周期较长，所以串行搜索效率低。多普勒频率搜索步长是根据相干积分时间而定，通常为相干积分时间的倒数，其搜索范围由接收机所在的动态状态决定。

第二种是并行搜索捕获法，并行搜索捕获方法是为了解决串行搜索时间长的问题而提出的。通常实现的是码相位采取并行搜索，而多普勒频移采取串行搜索。该方法利用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)与快速傅立叶反变换(IFFT)将相关运算从时域转换到频域进行，降低了捕获所用时间，也为实时处理的实现奠定了基础。但是上述两种算法在卫星信号的三维搜索过程中仍然需要较大的计算量。关键的原因是对每颗卫星的捕获都需要进行二维搜索，有多少颗卫星就要进行多少次的二维搜索。二维搜索运算量大，复杂度高，给捕获过程带来负担。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的卫星信号捕获方法需要对卫星信号逐个进行二维搜索，从而造成计算量过大的问题，提出了一种导航信号快速捕获方法。

本发明的技术方案为：一种导航信号快速捕获方法，包括以下步骤：

S1、生成导航系统中每颗卫星的C/A码CAk，并以2倍码率对C/A码CAk采样，得到采样C/A码CAsamk；其中k∈{1,2,...,K}，K为导航系统中的卫星数量。

S2、将导航系统中的K颗卫星分成J组，组间卫星不重复，将每组内的采样C/A码相加得到采样C/A码集合CAsamsetj；其中j∈{1,2,...,J}。

S3、对采样C/A码集合CAsamsetj做FFT运算并对FFT结果取共轭，得到FFT共轭结果

S4、接收中频采样信号s。

S5、对中频采样信号s进行下变频得到下变频信号xi；其中i为计数值，初始值为1。

下变频信号xi的计算公式为：

xi＝s·exp[-j2π(fIF+fD-(i-1)Δf)n/fs] (1)

其中fIF为在多普勒频偏为零的情况下中频采样信号的载波频率，fD为对中频采样信号预估的最大多普勒频偏，Δf为对中频采样信号预估的多普勒频移步进，fs为在多普勒频偏为零的情况下中频采样信号的采样率。

S6、以C/A码的2倍码率对下变频信号xi进行打包，即将下变频信号xi中每个采样点累加为1个点，得到序列xpacki，其中fCA为C/A码码率。

S7、对序列xpacki做FFT运算，得到FFT序列XFi。

S8、令计数值i加1。

S9、若i≤I，则返回步骤S5，否则进入步骤S10；其中I为中频采样信号的多普勒频偏估计值个数，计算公式为：

S10、设置计数值i为1，设置j为1。

S11、根据步骤S3所得的FFT共轭结果与步骤S7所得的FFT序列XFi计算得到相关运算结果corri^j，计算公式为：

其中abs[·]为取模运算，ifft(·)为快速傅立叶逆变换。

S12、令计数值i加1。

S13、若i≤I，则返回步骤S11，否则进入步骤S14。

S14、设置计数值i为1，令j加1。

S15、若j≤J，则返回步骤S11，否则进入步骤S16。

S16、设置j为1。

S17、将上标相同的相关运算结果corri^j作为一个相关运算结果集合corr^j，统计相关运算结果集合corr^j中峰均比大于预定门限的所有峰值点rt，并记录下所有的峰值点rt对应的码相位和多普勒频偏组合(pt,dplt)；其中t∈{1,2,...,Tj}，Tj为峰值点总数。

S18、若Tj<1，则进入步骤S19，否则进入步骤S21。

S19、令j加1。

S20、若j≤J，则返回步骤S17，否则捕获阶段结束。

S21、判断采样C/A码集合CAsamsetj是否只由单颗卫星的C/A码组成，若是则说明捕获到了对应的单颗导航卫星的信号多普勒频偏和码相位，返回步骤S19，否则进入步骤S22。

S22、设置t为1。

S23、设有L个集合的存储空间，将采样C/A码集合CAsamsetj中的卫星分成L组，组内的C/A码按步骤S2的方法进行相加，存入上述L个集合的存储空间(若采样C/A码集合CAsamsetj组内卫星数量小于L，则将空出的存储空间复位为零)，得到采样C/A码分组集合其中l∈{1,2,...,L}。

S24、设置l为1。

S25、按(pt,dplt)中的码相位对采样C/A码分组集合进行循环移位，使之与峰值点rt对应的码相位对齐，得到C/A码循环移位集合

S26、将C/A码循环移位集合与进行相关运算，得到相关运算结果corrval；其中it为峰值点rt的多普勒频移对应计数值。

S27、比较关系数corrval与峰值点rt的模值大小，若|corrval|<|rt|，则进入步骤S28，否则进入步骤S34。

S28、令l加1。

S29、若l≤L，则返回步骤S25，否则输出错误信息，进入步骤S30。

S30、令t加1。

S31、若t≤Tj，则返回步骤S25，否则输出错误信息。

S32、令j加1。

S33、若j≤J，则返回步骤S17，否则捕获阶段结束。

S34、判断采样C/A码分组集合是否只由单颗卫星的C/A码组成，若是则说明捕获到了对应的单颗导航卫星的信号多普勒频偏和码相位，进入步骤S36，否则进入步骤S35。

S35、将采样C/A码分组集合的卫星继续分成L组并把组内的C/A码按步骤S2的方法进行相加，存入步骤S23所述的L个集合的存储空间(若采样C/A码分组集合组内卫星数量小于L，则将空出的存储空间复位为零)，返回步骤S24。

S36、令t加1。

S37、若t≤Tj，则返回步骤S25，否则进入步骤S38。

S38、令j加1。

S39、若j≤J，则返回步骤S17，否则捕获阶段结束。

本发明的有益效果是：本发明的核心是减少二维搜索次数，首先通过组合多颗卫星的扩频码，获得各个卫星大致的码相位和多普勒信息(此时码相位和多普勒信息还未与卫星号一一对应)，然后再利用一维搜索进一步确定可见卫星号。本发明实现了混合的一次多颗卫星搜索的方法，简化了传统的对卫星信号逐个进行二维搜索的卫星信号捕获方法，能够进一步减少卫星捕获方法的运算复杂度以及捕获时间。

附图说明

图1所示为卫星信号的三维搜索示意图。

图2所示为本发明实施例提供的一种导航信号快速捕获方法流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种导航信号快速捕获方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、生成导航系统中每颗卫星的C/A码CAk，并以2倍码率对C/A码CAk采样，得到采样C/A码CAsamk；其中k∈{1,2,...,K}，K为导航系统中的卫星数量。本发明实施例中，设置K＝32。

S2、将导航系统中的K颗卫星分成J组，组间卫星不重复，将每组内的采样C/A码相加得到采样C/A码集合CAsamsetj；其中j∈{1,2,...,J}。本发明实施例中，设置J＝8。

S3、对采样C/A码集合CAsamsetj做FFT运算并对FFT结果取共轭，得到FFT共轭结果

S4、接收中频采样信号s。

S5、对中频采样信号s进行下变频得到下变频信号xi；其中i为计数值，初始值为1。

下变频信号xi的计算公式为：

xi＝s·exp[-j2π(fIF+fD-(i-1)Δf)n/fs] (1)

其中fIF为在多普勒频偏为零的情况下中频采样信号的载波频率，fD为对中频采样信号预估的最大多普勒频偏，Δf为对中频采样信号预估的多普勒频移步进，fs为在多普勒频偏为零的情况下中频采样信号的采样率。

本发明实施例中，设置fD＝±4kHz，Δf＝500Hz。

S6、以C/A码的2倍码率对下变频信号xi进行打包，即将下变频信号xi中每个采样点累加为1个点，得到序列xpacki，其中fCA为C/A码码率。

本发明实施例中，设置fCA＝1.023MHz。

S7、对序列xpacki做FFT运算，得到FFT序列XFi。

S8、令计数值i加1。

S9、若i≤I，则返回步骤S5，否则进入步骤S10；其中I为中频采样信号的多普勒频偏估计值个数，计算公式为：

本发明实施例中，

S10、设置计数值i为1，设置j为1。

S11、根据步骤S3所得的FFT共轭结果与步骤S7所得的FFT序列XFi计算得到相关运算结果corri^j，计算公式为：

其中abs[·]为取模运算，ifft(·)为快速傅立叶逆变换。

S12、令计数值i加1。

S13、若i≤I，则返回步骤S11，否则进入步骤S14。

S14、设置计数值i为1，令j加1。

S15、若j≤J，则返回步骤S11，否则进入步骤S16。

S16、设置j为1。

S17、将上标相同的相关运算结果corri^j作为一个相关运算结果集合corr^j，统计相关运算结果集合corr^j中峰均比大于预定门限的所有峰值点rt，并记录下所有的峰值点rt对应的码相位和多普勒频偏组合(pt,dplt)；其中t∈{1,2,...,Tj}，Tj为峰值点总数。

S18、若Tj<1，则进入步骤S19，否则进入步骤S21。

S19、令j加1。

S20、若j≤J，则返回步骤S17，否则捕获阶段结束。

S21、判断采样C/A码集合CAsamsetj是否只由单颗卫星的C/A码组成，若是则说明捕获到了对应的单颗导航卫星的信号多普勒频偏和码相位，返回步骤S19，否则进入步骤S22。

本发明实施例中，采样C/A码集合CAsamsetj由4颗卫星的C/A码组成，则直接进入步骤S22。

S22、设置t为1。

S23、设有L个集合的存储空间，将采样C/A码集合CAsamsetj中的卫星分成L组，组内的C/A码按步骤S2的方法进行相加，存入上述L个集合的存储空间(若采样C/A码集合CAsamsetj组内卫星数量小于L，则将空出的存储空间复位为零)，得到采样C/A码分组集合其中l∈{1,2,...,L}。

本发明实施例中，设置L＝2.

S24、设置l为1。

S25、按(pt,dplt)中的码相位对采样C/A码分组集合进行循环移位，使之与峰值点rt对应的码相位对齐，得到C/A码循环移位集合

S26、将C/A码循环移位集合与进行相关运算，得到相关运算结果corrval；其中it为峰值点rt的多普勒频移对应计数值。

S27、比较关系数corrval与峰值点rt的模值大小，若|corrval|<|rt|，则进入步骤S28，否则进入步骤S34。

S28、令l加1。

S29、若l≤L，则返回步骤S25，否则输出错误信息，进入步骤S30。

S30、令t加1。

S31、若t≤Tj，则返回步骤S25，否则输出错误信息。

S32、令j加1。

S33、若j≤J，则返回步骤S17，否则捕获阶段结束。

S34、判断采样C/A码分组集合是否只由单颗卫星的C/A码组成，若是则说明捕获到了对应的单颗导航卫星的信号多普勒频偏和码相位，进入步骤S36，否则进入步骤S35。

S35、将采样C/A码分组集合的卫星继续分成L＝2组并把组内的C/A码按步骤S2的方法进行相加，存入步骤S23所述的L个集合的存储空间(若采样C/A码分组集合组内卫星数量小于L，则将空出的存储空间复位为零)，返回步骤S24。

S36、令t加1。

S37、若t≤Tj，则返回步骤S25，否则进入步骤S38。

S38、令j加1。

S39、若j≤J，则返回步骤S17，否则捕获阶段结束。

下面将本发明实施例提供的导航信号快速捕获方法与现有的两种卫星信号捕获方法进行算法复杂度对比。

假设某一卫星导航系统共有K颗卫星，捕获阶段有I个多普勒频偏估计，有P个码相位估计，比较捕获一颗卫星需要的最大运算量如下：

传统的串行码相位搜索捕获方法的运算量量级是KIP²。

传统的并行码相位搜索捕获方法的运算量量级是KIPlog2P。

采用本发明实施例提供的导航信号快速捕获方法，在二维搜索时分成J组，在卫星PRN确认时分成L组，运算量量级是IJPlog2P。由于J<K(例如GPS中，K＝32,J＝4)，所以本发明的算法复杂度是比传统的两种算法复杂度要低的。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。