一种基于sft的ins辅助bds信号快速捕获方法
【专利摘要】本发明是一种基于稀疏傅里叶变换的INS辅助BDS信号快速捕获方法，属于卫星导航领域。本方法包括：通过天线接收北斗卫星信号，经过射频模块处理后得到中频信号；利用INS的惯性信息和卫星星历计算多普勒频率，并引入到本地载波NCO中，调整本地载波NCO的搜索频率范围，输出本地载波正余弦两路信号；将中频信号与本地载波混频，得到的同相I支路和正交Q支路信号构成复数序列，对复数序列和本地伪码求快速傅里叶变换，将结果进行复数相乘；将相乘结果进行稀疏傅里叶变换得到的信号峰值，判断是否成功捕获。本发明可以大幅缩小BDS信号的频率预估范围，简化IFFT运算的同时，保证了捕获性能，大幅降低运算量，减少硬件消耗。
【专利说明】
_种基于SFT的I NS辅助BDS信号快速捕获方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于稀疏傅里叶变换(SFT)的惯性导航系统（INS)辅助BDS信号快 速捕获方法，尤其适用于高动态环境下的捕获，属于卫星导航领域。
【背景技术】
[0002] 目前，卫星导航技术已成为世界各国在现代化战争中的重要武器组成部分。北斗 卫星导航系统(BDS)是中国自行研制、自主控制的卫星定位导航系统，已经实现亚太地区的 定位、导航、授时、短报文等服务;BDS将在我国经济军事社会的发展中发挥重大作用。
[0003] 卫星导航系统导航技术应用十分广泛，具有高精度、低成本、定位误差不随时间积 累等诸多优点，但是在尚动态环境下存在先天的局限性 不易捕获和跟踪卫星载波?目 号，甚至出现所谓的"周跳"现象。然而，在航空、航天、精确武器打击等应用领域，所研究的 飞行器大都属于高动态，如何满足高动态环境的需要，对导弹等进行精确的导航，成为全球 卫星导航系统(GNSS)在高动态领域研究的重点。
[0004] 随着导航技术的发展和日益成熟，GNSS/INS组合导航可以很好的改善系统的动态 性能，基于INS辅助的GNSS捕获技术可以快速地完成卫星信号的捕获。尤其，在卫星接收机 冷启动以及高动态环境下卫星失锁后的快速重捕获方面，有非常好的优势。利用INS的惯性 信息得到高速运动载体相对卫星的多普勒频移，可以大幅缩小捕获过程中频率搜索范围， 从而缩短卫星信号的捕获时间。
[0005] 卫星捕获方法的选择直接影响着捕获的时间和性能，目前常用的捕获方法有:滑 动相关法、匹配滤波法、并行频率法、并行码相位法等。前两种为时域法，捕获时间较长;后 两种为频域法，捕获时间短，但复杂度高运算量大。
【发明内容】
[0006] 针对现有捕获方法存在的问题，本发明提出了 一种基于稀疏傅里叶变换的INS辅 助BDS信号快捕获方法。本发明方法在运用并行码相位法捕获时利用SFT简化离散傅里叶逆 变换（IFFT)运算，将运算的复杂度大大降低，结合INS惯性信息，可以实现高动态环境下BDS 信号的快速捕获。
[0007] 本发明的一种基于稀疏傅里叶变换的INS辅助BDS信号快速捕获方法，具体实现步 骤为：
[0008] 步骤一:通过天线接收北斗卫星信号，经过射频模块处理后得到中频信号SIF(t)。
[0009]
)
[0010] 其中，t表示时间，？3表示信号功率;C(t)表示测距码，其值为土 1;τ表示在传输过 程中的时间延时;D(t)表示导航电文，比特率是50bps; coIF表示中频载波频率；φ (t)表示初 始载波相位;n (t)表示白噪声。
[0011]步骤二:利用INS的惯性信息和卫星星历计算多普勒频率，将得到的多普勒频率引 入到本地载波数字控制振荡器(NCO)中，调整本地载波N⑶的搜索频率范围为[_fmax，fmax]， fmax表示最大搜索频率。
[0012] 输出本地载波的正余弦两路信号分别表示为：
[0013]
[0014] 其中，Ica(t)为正弦信号，Qca(t)为余弦信号，&为本地复制码初始载波相位，Δ?为 本地搜索频移，+ Δ&)为本地载波频率。
[0015] 步骤三:将中频信号与本地载波混频，得到的同相I支路和正交Q支路信号构成复 数序列信号，对其求快速傅里叶变换(FFT);对本地伪码求FFT，并将两个FFT结果进行复数 相乘。
[0016] 将本地载波正弦信号Wt)、余弦信号Qra(t)分别与中频信号SIF(t)相乘，得到信 号I(t)和Q(t)，再经过积分器低通滤波后，I(t)和Q(t)简化为：
[0017]
[0018]
[0019]得到复数序列信号H( t) = I (t)+jQ( t)，对H( t)进行FFT得到频域值H(k)。
[0020] 设本地伪码为Q/-i)，f为本地伪码相位，经FFT获得Ot-f).的频域值C(k)。
[0021 ]将两个FFT结果进行复数相乘，得到信号Z(k) =H(k)C(k)。
[0022] 步骤四：将相乘结果Z(k)进行稀疏傅里叶变换(SFT)。
[0023] 对Z(k)进行频域重排，得到结果ZP(k)。然后通过SFT估计得到Z(k)的信号峰值。
[0024] 步骤五:根据步骤四得到的信号峰值判断是否成功捕获。
[0025] 将步骤四中得到的信号峰值，与已设定的捕获阈值进行比较，大于阈值则信号捕 获成功，转入信号跟踪环路，小于阈值则调整载波频率和码频率重新捕获，直到信号捕获成 功为止。
[0026] 本发明的优点和积极效果在于:本发明利用INS惯性信息和历书信息获得载体高 速运动产生的多普勒频移和卫星运动产生的多普勒频移，可以大幅缩小BDS信号的频率预 估范围。根据捕获相关峰的稀疏特性，在运用并行码相位法时利用SFT简化IFFT运算，可以 大幅降低运算量，减少硬件消耗，同时又保证了捕获性能，从而实现了高动态环境下BDS信 号的快速捕获。
【附图说明】
[0027]图1是本发明基于SFT的INS辅助BDS信号快速捕获结构示意图；
[0028]图2是本发明基于SFT的INS辅助BDS信号快速捕获方法的流程示意图；
[0029]图3是导航卫星信号软件接收机结构图；
[0030] 图4是SFT运算过程不意图。
【具体实施方式】
[0031] 下面将结合附图及【具体实施方式】对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述 的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。
[0032] 本发明基于稀疏傅里叶变换的INS辅助BDS信号快速捕获方法的一个实施例的实 现结构，如图1所示，实现流程如图2所示。本发明方法可基于卫星信号软件接收机很方便的 实现，图3是软件接收机的结构图。如图3所示，除了射频前端与数字采样模块外，在通用的 基础硬件平台上，将接收机的基带信号处理(捕获、跟踪)与导航信息处理(解码、导航解算） 部分都用软件进行，软件接收机具有低价格、小型化、方便灵活、便于扩展等优点。
[0033]下面说明本发明方法的各个步骤的具体实现。
[0034]步骤一:天线接收北斗卫星信号，经过射频模块处理后得到中频信号。
[0035] 通过天线接收北斗卫星导航信号，经过射频前端的滤波器、放大器、下变频器、数 模转换器等处理，输出中频信号SIF (t)表示为：
[0036]
(1)
[0037]式中，Ps表示信号功率;C(t)表示测距码，其值为土 1;τ表示在传输过程中的时间 延时;D(t)表示导航电文，比特率是50bps ; ω IF表示中频载波频率，由射频前端和多普勒频 移决定；Φ (t)表示初始载波相位;n(t)表示白噪声。
[0038]步骤二:利用INS的惯性和星历、历书信息计算多普勒频率，并根据其调整搜索环 路的本地载波数字控制振荡器(NCO)的载波频率。
[0039]卫星与载体的相对运动是北斗卫星信号产生多普勒频移的主要因素，利用卫星星 历、历书和INS的惯性信息可以计算出其产生的多普勒频移为：
[0040]
(2)
[0041] 其中，fre。表示载体运动产生的多普勒频率;fs表示卫星运动产生的多普勒频率;λ 表示载波的波长，表示载体的速度，P表示卫星的速度，表示卫星到用户连线方向的 单位矢量。户可由卫星历书估算得到，由INS提供。
[0042]将INS和卫星历书估算得到的多普勒频率引入到载波NCO中，缩小频率方向的搜索 范围。设搜索频率范围为[_fmax，f max]，f max表示最大搜索频率。
[0043]捕获环路使用INS数据和卫星星历、历书数据提供的载体相对于卫星运动产生的 多普勒频率来不断的调整复制码和复制的载波频率。
[0044] NCO输出本地载波的正余弦两路信号分别表示为：
[004! 0)
[004< (4)
[0047]式中，Ica⑴表示输出的正弦信号，Qca⑴表示输出的余弦信号，&表示本地复制码 初始载波相位，(+ Δ?)表示本地载波频率，表示本地搜索频移。
[0048]步骤三:将步骤一得到的中频信号与步骤二得到的本地载波混频，得到的同相I支 路和正交Q支路信号构成复数序列，对其求FFT;对本地伪码求FFT，并将两个FFT结果进行复 数相乘。
[0049] 将本地载波的正余弦两路信号分别送给混频器和输入的中频信号相乘，得到：
[0050] (5)
[0051 ] (6):
[0052] 信号I(t)和Q(t)经过积分器(LPF)实现低通滤波，忽略高频成分，简化为：
[0053] (7)
[0054] (8)
[0055] 同相I支路信号I(t)和正交Q支路信号Q(t)构成复数序列H(t) = I(t)+jQ(t)，j为 虚部单位。对H(t)利用FFT计算得到信号H(t)的频域值H(k)，k表示频点。
[0056] 假设本地伪码发生器产生的本地伪码表示为C(i-f)，f表示某一本地伪码相位， 则本地伪码和接收信号的伪码相位相差= 利用FFT计算信号(A-〇的频域值C (k) 〇
[0057]将两个FFT结果进行复数相乘，得到相乘结果Z(k)，如下所示：
[0058] Z(k)=H(k)C(k) (9)
[0059] 步骤四：将相乘结果Z(k)进行稀疏傅里叶变换。
[0060] 根据捕获相关峰的稀疏特性，在计算相关时利用SFT简化IFFT运算。
[0061] 首先对Z(k)进行频域重排得到ZP(k)。然后通过平滑窗函数和随机排列处理，在控 制参量ct与m的辅助下运用SFT算法估计Z(k)的相关峰。对Z(k)进行SFT运算的过程如图4所 不。
[0062] SFT主要包括内循环和外循环两个环节。
[0063]外循环的主要步骤为：
[0064] (1.1)选择参数￡、5、13、(1/、1^，满足下式：
[0065
(10)
[0066」其中，ε规定了阻带起始频率与采样频率的比值，δ规定了阻带和通带共同的起伏 特性，B为频域重排分组数，表示稀疏性因子，Ls表示内循环执行次数，η表示信号长度，K 表示稀疏度。0(.)表示空间复杂度。
[0067] (1.2)对于参数re[l，2, . . .Ls]，以满足supp(G)<V <Ν/Κ的参数执行定位内 循环，得到向量Ir。其中，V是一个在区间[0，η-1 ]上随机选取的奇数，N表示采样点数，G表 示平滑窗函数，supp( ·)表示函数的支集。
[0068] 。 1
[0070] (l·5)对于re[l，2，···Ls]，在I〃上计算信号估计谱i的幅值i?=|f /vω|,得到估计 结果吞。
[0071] 其中，X表示对Z(k)频域重排后得到的zp(k)，t为X的估计谱，為为估计的X在第i个 频点处幅值Λω为X进行降采样后的序列 zW的估计谱。hy(i)为映射函数，参见公式 (⑵。
[0072] 吞= ，i[表示在参数估计谱I在第i个频点处幅值。
[0073] (1.6)对于集合1〃中的所有元素，计算中位值i / e 1。
[0074] (1.7)对于上述中位值构成的集合pi,求出其中所有元素中的最大值?7X <[為1。.
[0075] (1.8)设集合中不小于& Waxpj共有m个，其中ct是算法选择的一个比例系 数，其数值根据实际需要确定。
[0076] (1.9)4
对于re[l，2, · · .Ls]，在f上运行估计循 环，得到估计结果i;…?;:=丨尤l·· e
[0077] (1.10)对于集合]^中的所有元素，计算中位值劣=Zwetittsg
[0078] 内循环的主要步骤为：
[0079] (2.1)随机选取参数(/ e [n]与[n]，使得(/是奇数。n表示信号长度，[n]表示 一个数集[0，η-1]。
[0080] (2.2)记1经过窗函数滤波和随机排列的结果为7，即少=(^心，.^,满足条件：
[0081]
(11)
[0082] 其中乂V,表示随机排列方式，ω表示滤波器长度，[ω ]表示一个数集[0，ω -I ]，i ￡[8]，8为频域重排分组数，[8]表示一个数集[03-1]。心^表示1在第(^+^个频点处信 号，yi表示y的第i个频点处信号,G 1为第i个频点对应的平滑窗函数。
[0083] (2.3)对于旧叫，定义序歹
对序列Z1进行傅里叶变换得到爲。
[0084] (2.4)设映射函数h/ (i)和ο/ (i)满足下面条件：
[0085]
(12)
[0086] 其中round( ·)表示取整操作。
[0087] (2.5)定位内循环:将Ii中幅值最大的(TK个谱峰表示为集合J，对于J中的每个元 素，令集合H满足条件:H= {i e [n] I h/ (i) E J}。
[0088] (2.6)估计内循环:对于iEH，对输入信号谱矣进行估计，按下式计算
[0089]
(13)
[0090] 其中，在映射ο。'⑴下平滑窗函数<^νω的谱。
[0091] 為就是最后得到的?目号峰值。
[0092] 外循环是为了检验内循环的结果。由于重排具备随机性，且整个过程受能量泄漏 与降采样的影响，为了使计算的峰值位置与峰值幅值结果具有较高的置信度，增加了外循 环过程。
[0093]步骤五:根据步骤四中结果判断是否成功捕获。
[0094]将步骤四中得到的信号峰值，与已设定的捕获阈值进行比较，大于阈值则信号捕 获成功，得到码相位估计和粗略的载波频率，进行码环跟踪。根据码相位估计调整本地伪码 发生器，同输入的中频信号调制将Bl码剥离;然后根据粗略的载波频率调整本地载波NC0， 在粗略的载波频率附近窄带频率范围利用Zoom-FFT频率细化方法进行频率细化处理，得到 精细的载波频率，转入信号跟踪环路。若小于阈值，则转步骤二继续执行，调整本地载波频 率和码频率重新进行信号捕获，直到信号捕获成功为止。
[0095] 本发明在高动态环境下，利用INS惯性信息可以计算出载体高速运动产生的多普 勒频移，利用历书信息可以得到卫星运动产生的多普勒频移，利用以上信息可以大幅缩小 BDS信号的频率预估范围，运用并行码相位捕获可以实现2046个码相位的并行搜索，因此本 发明方法可以明显减少捕获时间。经过计算，本发明提出的方法相较于传统的基于FFT的方 法可以把运算复杂度降低1个数量级以上。综述，本发明即实现了高动态环境下的快速捕获 有可以大幅降低运算复杂度，具有很好的工程应用价值。
[0096] 以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发 明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
【主权项】
1. 一种基于稀疏傅里叶变换的INS辅助抓S信号快速捕获方法，其特征在于，包括如下 步骤： 步骤一，天线接收北斗卫星信号，经过射频模块处理后得到中频信号SlF( t )，如下：其中，t表示时间，Ps表示信号功率;C(t)表示测距码，其值为±1;τ表示在传输过程中的 时间延时;D(t)表示导航电文，比特率是50bps; ωιρ表示中频载波频率；Φ (t)表示初始载波 相位;n(t)表示白噪声； 步骤二:利用INS的惯性信息和卫星历书计算多普勒频率，将得到的多普勒频率引入到 本地载波NCO中，调整本地载波NCO的捜索频率范围;NCO表示数字控制振荡器； 输出本地载波正余弦两路信号分别表示为：其中，Ica(t)为正弦信号，Qca(t)为余弦信号，^为本地复制码初始载波相位，Δ凉为本地 捜索频移，(巧f +Δ蹲为本地载波频率； 步骤Ξ:将中频信号与本地载波混频，得到的同相I支路和正交Q支路信号构成复数序 列，对其求FFT;对本地伪码求FFT，将两个FFT结果进行复数相乘;FFT表示快速傅里叶变换； 将本地载波正弦信号、余弦信号分别与中频信号相乘，得到同相I支路信号I(t)和正交 Q支路信号Q( t )，经过积分器低通滤波后，简化为：得到的复数序列H(t) = I(t)+jQ(t)，对H(t)进行FFT得到频域值Η化）； 设本地伪码为Ο?-巧，#为本地伪码相位，经FFT获得-讶的频域值(Xk); 将两个FFT结果进行复数相乘，得到信号Z(k) =H(k)C(k); 步骤四：将信号Z(k)进行频域重排得到信号Zp(k)，再进行SFT，获得Z(k)的信号峰值； SFT表示稀疏傅里叶变换； 步骤五:将步骤四中得到的信号峰值，与已设定的捕获阔值进行比较，大于阔值则信号 捕获成功，转入信号跟踪环路，小于阔值则转步骤二执行，调整本地载波频率和码频率重新 捕获，直到信号捕获成功为止。2. 根据权利要求1所述的基于稀疏傅里叶变换的INS辅助抓S信号快速捕获方法，其特 征在于，所述的步骤二中，利用卫星历书和INS的惯性信息计算得到的多普勒频移为：其中，fre。表示载体运动产生的多普勒频率;fs表示卫星运动产生的多普勒频率;λ表示 载波的波长，f'Ee表示载体的速度，r表示卫星的速度，表示卫星到用户连线方向的单位 矢量。3. 根据权利要求1所述的基于稀疏傅里叶变换的INS辅助抓S信号快速捕获方法，其特 征在于，所述的步骤四中，进行SFT，包括内循环和外循环两个环节； 实现外循环的步骤包括(1.1)~（1.10); (1.1) 选择参数6、8、8、(1/、1^3，满足下式：其中，ε规定了阻带起始频率与采样频率的比值，δ规定了阻带和通带共同的起伏特性， Β为频域重排分组数，cT表示稀疏性因子，Ls表示内循环执行次数，η表示信号长度，Κ表示稀 疏度，〇(.)表示空间复杂度； (1.2) 对于参数re[l，2,…Ls]，W满足supp(G)<〇'<N/K的参数0'执行定位内循环， 得到向量Ir;其中，〇/是一个在区间[〇，n-U上随机选取的奇数，N表示采样点数，G表示平滑 窗函数，supp( ·)表示函数的支集； (1.3) 令集合I = IiUI如...Ulr，对于参数iei，令参数si= I {r| ieir} I ; (1.4) 计莫(1.5) 对于re [1，2，..丄s]，在I"上计算信号X的估计谱i的幅值，得到估计结果荐，其 中，x = Zp(k)，.砖={.引ζ·Ε_Τ}，《表示在参数r下估计谱克在第i个频点处幅值； (1.6) 对于集合I"中的所有元素，计算中位值?； = "??妃m托！ / e /"}; (1.7) 对于中位值构成的集合{;,'}，求出其中的最大值胃片}; (1.8) 设集合料中不小于巧.《0小;}共有m个，其中ct为设定的比例系数； (1.9) 令/'二[/ E /" I丰'> ? . "w.Y'<| y.，对于r e [ 1，2，…Ls]，在1'上运行估计循环，得到 估计结果；;Ι'·ε4; (1.10) 对于集合1'中的所有元素，计算中位值考=/ Ε/'}; 实现内循环的步骤包括(2.1)~(2.6); (2.1) 随机选取参数(/ e [η]与TsE [η]，且〇/是奇数； (2.2) 记础行随机排列和频域滤波的结果为y，y二满足条件：其中，表示随机排列方式，ω表示滤波器长度，ie[B]，yi表示y的第i个频点处信 号，心心，表示X在第c/i + Ts个频点处信号，Gi为第i个频点对应的平滑窗函数； (2.3闲巧￡[8]，定义序列，对序列Z进行傅里叶变换得到信号与.; (2.4) 设映射函数W (i)和ο。'（ i)满足下面条件：其中rouncK ·)表示取整操作； (2.5) 定位内循环:将写中幅值最大的cTK个谱峰表示为集合J，对于J中的每个元素，令 集合Η满足条件:Η=αΕ[η]|?να)Ε"; (2.6) 估计内循环:对于iEH，按下式计算信号峰值.?,'，如下：其中，嗦示在传输过程中的时间延时，为X在映射〇。<。)下平滑窗函数G。。,,職谱。
【文档编号】G01S19/25GK105842713SQ201610370220
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】孟照魁, 高爽, 王文杰, 李慧鹏, 李先慕, 张晓娇, 李胜臣, 张维睿
【申请人】北京航空航天大学