CN101718874A - 高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法及装置。本发明通过匹配滤波器进行相关运算，可以在一个扩频码周期后将所有可能的码片偏差位置下的相关结果全部计算出来，极大的提高了捕获的搜索速度。在匹配滤波进行相关运算后，本发明采用差分相干积分提升信噪比，减少了导航电文对积分的影响，也能避免长时间非相干积分所带来的平方损失。本发明中的控制器能对积分次数以及检测器中的检测门限进行设置，可以适应多种情况。本发明所能捕获的导航卫星信号强度下限为-145dbm，而且对GPS和北斗2***均适用。

Description

高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法及装置。

背景技术

全球导航卫星***除较为成熟的美国GPS与俄罗斯的GLONASS外，还包括正在发展中的欧洲伽利略***与我国北斗***，它是一种无线电定位***，通过估计无线电波从导航卫星到接收机的传播延时，得到接收机到卫星的直线距离，这是一种利用到达时间(TOA)的测距方式；通过卫星星座的空间计算，可以得到卫星的位置；在已知接收机到多颗卫星的距离以及相应卫星的基础上可以得到接收机的位置。所以接收机的主要目的是估计信号的传播延时，并通过导航电文获取卫星的坐标，进行无线电测距。而接收机想要完成这些任务，首先需要进行的是与卫星信号的粗略同步，即捕获。导航卫星信号捕获是对接收信号载波频率和伪码相位的一个二维搜索过程，当本地参考序列与卫星信号达到粗同步时并且频率也近似相等时，会产生相关峰值，可以此来判定是否完成了捕获。

当位于室外空旷环境时，导航卫星信号的信噪比很高(功率谱密度一般在45dB/Hz以上)，在这种情况，一个扩频码周期的数据的相关结果就能实现捕获。但在室内、森林、城市等复杂环境下，导航卫星信号会受到10-30dB左右的衰减，信号功率将远远低于一般的导航卫星接收机的接收灵敏度。在这些环境下，仅仅一个扩频码周期的数据已经不能实现捕获，必须进行积分从而提升信噪比。目前常用的相干积分、非相干积分以及相干-非相干积分方式都不能很好的解决这个问题，导致在复杂环境下导航卫星接收机不能捕获导航卫星信号，从而无法进行后续的跟踪、解算定位，这极大的限制了全球导航卫星***的应用范围。因此，高灵敏度导航卫星接收机中的捕获成为了当前研究的热点，国内外很多研究机构都在进行这方面的研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供了一种高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法及装置。

高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法包括如下步骤：

1)数字下变频器输出的同相和正交两路基带卫星信号与本地扩频码产生器产生的参考扩频码在匹配滤波器中进行相关运算，将当前相关运算结果与存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果同时输出，并用当前相关运算结果将存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果覆盖；

2)对匹配滤波器输出的当前运算结果和一个扩频码周期前的相关运算结果做差分相干积分，当相干积分次数达到控制器设定的次数时，将积分结果取模后输出；

3)检测器对差分相干积分器在一个扩频码周期内的输出结果进行综合分析，根据控制器设定的检测门限判断当前频点的信号状态，信号存在或者信号不存在。

所述的数字下变频器输出的同相和正交两路基带卫星信号与本地扩频码产生器产生的参考扩频码在匹配滤波器中进行相关运算，将当前相关运算结果与存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果同时输出，并用当前相关运算结果将存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果覆盖步骤包括：

1)匹配滤波器内置存储器，存储在一个扩频码周期T内的同相和正交两路基带信号，两个信号各有M个值，存储器中采用从地址1到地址M的顺序存储方式，当存储器存满后，下一个接收的信号继续从地址1开始存储，如此循环；

2)本地扩频码产生器产生的参考扩频码作为匹配滤波器的抽头系数，抽头系数的长度为匹配滤波器的点数M，当接收到新的扩频码时，将第1至M-1位置的抽头系数用2至M位置的抽头系数覆盖，位置M位置的抽头系数用最新产生的扩频码覆盖，抽头系数的值为-1或+1；

3)每当接收到新的基带卫星信号和扩频码后，将存储器中的数据与抽头系数做相关运算，即存储器中的数据与对应位置的抽头系数做乘累积，在一个扩频码周期内有M个相关运算结果；

4)匹配滤波器内置存储器，存储一个扩频码周期T内的相关运算结果，M个复信号，存储器中采用从地址1到地址M的顺序存储方式，当存储器存满后，下一个相关运算结果继续从地址1开始存储，如此循环，存储器对某地址进行写入操作前，先将存储器该地址中的数据读出，之后再写入。

所述的对匹配滤波器输出的当前运算结果和一个扩频码周期前的相关运算结果做差分相干积分，当相干积分次数达到控制器设定的次数时，将积分结果取模后输出步骤包括：

1)对输入的两个复信号做复数的共轭乘法即差分运算，两个复信号中取共轭的是一个扩频码周期前的匹配滤波器的相关运算结果，共轭乘法即差分运算的结果为一个复信号；

2)一个扩频码周期T内有M个共轭乘法即差分运算的结果，差分相干积分器内置积分存储器，负责存储这M个计算结果；

3)相干积分次数N由控制器预置，因此相关积分时间为N×T，在相干积分时间N×T内，共有N组相关运算结果，每组M点，编号为1到M，每个相关运算结果均为复信号，将编号为1的N组数据相加，将编号为2的N组数据相加，以此类推，一直将编号为M的N组数据相加，其中所用加法为复数加法，这样将N组数据按照同编号相加就得到了1组相干积分结果，也是M个复信号；

4)当相干积分次数达到控制器预制的次数N时，将相干积分后的复信号取模后输出。

所述的检测器对差分积分器在一个扩频码周期内的输出结果进行综合分析，根据控制器设定的检测门限判断当前频点的信号状态，信号存在或者信号不存在步骤包括：

1)一个扩频码周期T内有M个输出结果，在M个输出结果中找出最大值，并记录下该最大值在这M点中的位置序号；

2)将最大值与设定的检测门限做比较，如果大于或等于门限，则判定信号存在，否则判定信号不存在，该门限值可由控制器预置；

3)当信号存在时，产生捕获成功信号，并输出最大值在M点中的位置序号，当信号不存在，产生捕获失败信号，不输出最大值在M点中的位置序号。

高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获的装置包括匹配滤波器、差分相干积分器、检测器和控制器；匹配滤波器、差分相干积分器、检测器依次相连；控制器分别与差分相干积分器和检测器相连。

所述的匹配滤波器包括基带信号存储器、相关运算器和相关结果存储器；基带信号存储器、相关运算器、相关结果存储器依次相连。

所述的差分相干积分器包括复数共轭乘法器和积分存储器；复数共轭乘法器与积分存储器相连。

本发明采用匹配滤波器进行相关运算，可以在一个扩频码周期后将所有可能的码偏位置的相关运算值全部计算出来，之后采用差分相干积分这种新的积分方式来实现信噪比的提升，这种积分方式最大程度的减少了导航电文对积分的影响，也避免了进行长时间非相干积分所带来的平方损失，可以获得很高的处理增益。本发明所能捕获的导航卫星信号强度下限为-145dbm，对GPS和北斗2***均适用。

附图说明

图1是高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获装置电路框图；

图2是本发明的匹配滤波器的电路框图；

图3是本发明的差分相干积分器的电路框图；

图4是本发明的匹配滤波器的时序图；

图5是本发明的检测器的时序图；

图6是本发明的控制器的时序图。

具体实施方式

本发明实现了高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获装置。接收基带卫星信号并与参考扩频码在匹配滤波器中做相关运算，之后利用差分相干积分技术提高信噪比，利用检测器的综合分析结果，判断是否存在所需要的卫星信号并找到该卫星信号与参考扩频码之间码片偏移量。在实施例中，***的采样时钟为4.8MHz，如果捕获GPS信号，扩频码的码率为1.023MHz，北斗2***的码率为2.046MHz，4.8M的采样率对两者都满足奈奎斯特采样定律，两者的扩频码周期为1ms，这样在一个扩频码周期内的采样点数为4800个。

高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法包括如下步骤：

1)数字下变频器输出的同相和正交两路基带卫星信号与本地扩频码产生器产生的参考扩频码在匹配滤波器中进行相关运算，将当前相关运算结果与存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果同时输出，并用当前相关运算结果将存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果覆盖；

2)对匹配滤波器输出的当前运算结果和一个扩频码周期前的相关运算结果做差分相干积分，当相干积分次数达到控制器设定的次数时，将积分结果取模后输出；

3)检测器对差分相干积分器在一个扩频码周期内的输出结果进行综合分析，根据控制器设定的检测门限判断当前频点的信号状态，信号存在或者信号不存在。

所述的数字下变频器输出的同相和正交两路基带卫星信号与本地扩频码产生器产生的参考扩频码在匹配滤波器中进行相关运算，将当前相关运算结果与存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果同时输出，并用当前相关运算结果将存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果覆盖步骤包括：

1)匹配滤波器内置存储器，存储在一个扩频码周期T内的同相和正交两路基带信号，两个信号各有M个值，存储器中采用从地址1到地址M的顺序存储方式，当存储器存满后，下一个接收的信号继续从地址1开始存储，如此循环；

在实施例中，一个扩频码周期1ms内两路基带信号各有4800个值，这里的存储器是图3所示的基带信号存储器(201)，基带信号存储器(201)对每路信号使用8bit进行存储，这样存储器的大小2×4800×8bit＝76800bit。基带信号存储器(201)采用双口RAM，读和写操作能够同时进行。

2)本地扩频码产生器产生的参考扩频码作为匹配滤波器的抽头系数，抽头系数的长度为匹配滤波器的点数M，当接收到新的扩频码时，将第1至M-1位置的抽头系数用2至M位置的抽头系数覆盖，位置M位置的抽头系数用最新产生的扩频码覆盖，抽头系数的值为-1或+1；

3)每当接收到新的基带卫星信号和扩频码后，将存储器中的数据与抽头系数做相关运算，即存储器中的数据与对应位置的抽头系数做乘累积，在一个扩频码周期内有M个相关运算结果；

本发明中的匹配滤波器方式与传统的匹配滤波器不同，传统匹配滤波器是在每个采样时钟，数据移动，抽头系数保持固定，而本发明中的匹配滤波器采用的是每个采样时钟，数据覆盖存储，抽头系数倒序移动的方式。每个采样时钟，匹配滤波器都要进行相关运算，具体运算方式如下：

其中correlationI和correlationQ是当前时刻的相关结果，data_inI和data_inQ

$\mathrm{correlationI}=\underset{i=1}{\overset{4800}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{data}\_\mathrm{inI}\left(i\right)\·\mathrm{local}\_\mathrm{prn}\left(i\right)$

$\mathrm{correlationQ}=\underset{i=1}{\overset{4800}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{data}\_\mathrm{inQ}\left(i\right)\·\mathrm{local}\_\mathrm{prn}\left(i\right)$

是基带信号存储器内的数据，local_prn是抽头系数。

在实施例中，经过1ms时间，可以将0-4799个采样点码片偏差下的相关值全部计算出来。

4)匹配滤波器内置存储器，存储一个扩频码周期T内的相关运算结果，M个复信号，存储器中采用从地址1到地址M的顺序存储方式，当存储器存满后，下一个相关运算结果继续从地址1开始存储，如此循环，存储器对某地址进行写入操作前，先将存储器该地址中的数据读出，之后再写入。

在实施例中，一个扩频码周期1ms内的相关运算结果有4800个，这里的存储器是图3所示的相关运算结果存储器(203)，相关运算结果存储器(203)对每个复信号的I(同相)、Q(正交)两路各用8bit表示，这样存储器的大小为2×4800×8bit＝76800bit。该存储器采用双口RAM，读和写操作能够同时进行。

匹配的滤波器的输出为4路信号，分别是data_outI、data_outQ、data_outI_pre和data_outQ_pre，其中data_outI和data_outQ是当前时刻的相关结果，data_outI_pre和data_outQ_pre是一个扩频码周期前的相关结果。在实施例中，一个扩频码周期1ms内有4800个相关运算结果，输出的时序图如图4所示。

所述的对匹配滤波器输出的当前运算结果和一个扩频码周期前的相关运算结果做差分相干积分，当相干积分次数达到控制器设定的次数时，将积分结果取模后输出步骤包括：

1)对输入的两个复信号做复数的共轭乘法即差分运算，两个复信号中取共轭的是一个扩频码周期前的匹配滤波器的相关运算结果，共轭乘法即差分运算的结果为一个复信号；

差分相干积分器(102)的输入是data_inI、data_inQ、data_inI_pre和data_inQ_pre，分别于匹配滤波器(101)的输出data_outI、data_outQ、data_outI_pre和data_outQ_pre相连。共轭乘法的运算结果为

dataI＝real[(data_inI+j*data_inQ)(data_inI_pre-j*data_inQ_pre)]

＝data_inI*data_inI_pre+data_inQ*data_inQ_pre

dataQ＝imag[(data_inI+j*data_inQ)(data_inI_pre-j*data_inQ_pre)]

＝data_inQ*data_inI_pre-data_inI*data_inQ_pre

复数共轭乘法器由4个乘法器构成，分别计算data_inI*data_inI_pre、data_inQ*data_inQ_pre、data_inQ*data_inI_pre和data_inI*data_inQ_pre，之后再按上述结果进行组合。

2)一个扩频码周期T内有M个共轭乘法即差分运算的结果，差分相干积分器内置积分存储器，负责存储这M个计算结果；

在实施例中，一个扩频码周期1ms内有4800个计算结果，每个结果采用28bit存储，因此存储器的大小为4800×28bit＝13440bit，存储器采用双端口RAM，读写操作可以同时进行。

3)相干积分次数N由控制器预置，因此相关积分时间为N×T，在相干积分时间N×T内，共有N组相关运算结果，每组M点，编号为1到M，每个相关运算结果均为复信号，将编号为1的N组数据相加，将编号为2的N组数据相加，以此类推，一直将编号为M的N组数据相加，其中所用加法为复数加法，这样将N组数据按照同编号相加就得到了1组相干积分结果，也是M个复信号；

4)当相干积分次数达到控制器预制的次数N时，将相干积分后的复信号取模后输出。

差分相干积分器内部变量num负责记录当前的积分次数，还有另一变量address从1到M循环计数。当积分次数为1时，每一个共轭乘法器的结果都被存入积分存储器中，写入地址为当前address值；当积分次数大于1小于N时，将积分存储器中地址为address的值读出，与共轭乘法器的结果做复数加法，将结果再下一个采样时钟写入address地址中，而在下一个采样时钟，积分存储器同时要读出address+1地址中的值，两者不会干扰；当积分次数等于N时，将积分存储器中地址为address的值读出，与共轭乘法器的结果做复数加法，将结果取模后输出，输出信号为data_out，同时将输出使能ena_out置高。实施例中，积分次数N为1000，一个扩频码周期内的相关结果M为4800，data_out用14bit表示。

所述的检测器对差分积分器在一个扩频码周期内的输出结果进行综合分析，根据控制器设定的检测门限判断当前频点的信号状态，信号存在或者信号不存在步骤包括：

1)一个扩频码周期T内有M个输出结果，在M个输出结果中找出最大值，并记录下该最大值在这M点中的位置序号；

2)将最大值与设定的检测门限做比较，如果大于或等于门限，则判定信号存在，否则判定信号不存在，该门限值可由控制器预置；

3)当信号存在时，产生捕获成功信号，并输出最大值在M点中的位置序号，当信号不存在，产生捕获失败信号，不输出最大值在M点中的位置序号。

检测器103的输入信号有ena_in，data_in，分别与差分相干积分器102的ena_out，data_out相连接。检测器在一个扩频码周期1ms内有4800个数据，检测器103的第一个任务是找到这4800个数据中的最大值以及最大值的序号，具体实施方式如下：检测器103内部有一个计数变量num，当检测到ena_in信号的上升沿时，num信号从0开始计数，检测器103有两个寄存器，value和position，分别存储当前出现的最大值以及最大值位置，每个采样时钟，比较当前data_in与value的值，如果data_in的值比value的值大，则将value的值更新为data_in的值，并将position的值更新为当前num的值，否则，value和position保持不变，value和position初始值设为0。检测器103的第二个任务是将最大值与门限threshold比较，从而判断信号是否存在，然后根据信号的状态进行输出，输出信号有finish，state和position_out，具体实施方式如下：检测到ena_in信号的下降沿表明4800点数据都已经被检测，此时的value为4800点中的最大值，在这一时刻将value与threshold比较，如果value大于threshold，则认为信号存在，于是将finish与state置高，将position赋值给position_out输出，如果value小于threshold，则认为信号不存在，于是将finish信号置高，state信号置低，position_out置为0，输出信号finish为高电平表示检测完成，state为高电平表示信号存在。在实施例中，采样时钟为4.8MHz，信号最大值出现在序号为4500的位置，最大值为2000，门限为1200，这种情况，信号存在，最后的输出应该为finish为高电平，state为高电平，position_out为4500，时序图如图5所示。

控制器104控制信号有使能信号和数据信号，包括time_ena，time，threshold_ena，threshold，time_ena为time为threshold_ena为threshold为。使能信号是宽度为一个采样时钟的高电平脉冲，当检测到高电平时，将这时的time值和threshold作为当前的积分次数和检测门限，直到下次更改，时序图如图6所示。在实施例中，差分相干积分器预置的累积次数为1000，检测器中预置的检测门限为1200；

如图1所示，高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获的装置，包括如下模块：匹配滤波器101，差分相干积分器102，检测器103，控制器104；匹配滤波器101，差分相干积分器102，检测器103依次相连；控制器104分别与差分相干积分器102和检测器103相连。

如图2所示，匹配滤波器101包括如下模块：基带信号存储器201，相关运算器202，相关结果存储器203；基带信号存储器201，相关运算器202，相关结果存储器(203)依次相连。

如图3所示，差分相干积分器103包括如下模块：复数共轭乘法器301，积分存储器302；复数共轭乘法器301与积分存储器302相连。

本发明实现了高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获装置。这里所述的方法与设备，彼此分离的单体部件可以完全是传统的，我们要求将它们的组合也就是***方案作为发明进行保护。以上所述实例仅仅是高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法与装置在特定应用场合的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改单体部件的算法，实现其他场合的应用。本发明仅由后附权利要求书及其等效技术方案来限定，我们要求将这些作为本发明来保护。

Claims (7)

1.一种高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于包括如下步骤：

1)数字下变频器输出的同相和正交两路基带卫星信号与本地扩频码产生器产生的参考扩频码在匹配滤波器中进行相关运算，将当前相关运算结果与存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果同时输出，并用当前相关运算结果将存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果覆盖；

2)对匹配滤波器输出的当前运算结果和一个扩频码周期前的相关运算结果做差分相干积分，当相干积分次数达到控制器设定的次数时，将积分结果取模后输出；

3)检测器对差分相干积分器在一个扩频码周期内的输出结果进行综合分析，根据控制器设定的检测门限判断当前频点的信号状态，信号存在或者信号不存在。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度导航接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于，所述的数字下变频器输出的同相和正交两路基带卫星信号与本地扩频码产生器产生的参考扩频码在匹配滤波器中进行相关运算，将当前相关运算结果与存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果同时输出，并用当前相关运算结果将存储器中存储的一个扩频码周期前的相关运算结果覆盖步骤包括：

1)匹配滤波器内置存储器，存储在一个扩频码周期T内的同相和正交两路基带信号，两个信号各有M个值，存储器中采用从地址1到地址M的顺序存储方式，当存储器存满后，下一个接收的信号继续从地址1开始存储，如此循环；

2)本地扩频码产生器产生的参考扩频码作为匹配滤波器的抽头系数，抽头系数的长度为匹配滤波器的点数M，当接收到新的扩频码时，将第1至M-1位置的抽头系数用2至M位置的抽头系数覆盖，位置M位置的抽头系数用最新产生的扩频码覆盖，抽头系数的值为-1或+1；

3)每当接收到新的基带卫星信号和扩频码后，将存储器中的数据与抽头系数做相关运算，即存储器中的数据与对应位置的抽头系数做乘累积，在一个扩频码周期内有M个相关运算结果；

4)匹配滤波器内置存储器，存储一个扩频码周期T内的相关运算结果，M个复信号，存储器中采用从地址1到地址M的顺序存储方式，当存储器存满后，下一个相关运算结果继续从地址1开始存储，如此循环，存储器对某地址进行写入操作前，先将存储器该地址中的数据读出，之后再写入。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度导航接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于，所述的对匹配滤波器输出的当前运算结果和一个扩频码周期前的相关运算结果做差分相干积分，当相干积分次数达到控制器设定的次数时，将积分结果取模后输出步骤包括：

1)对输入的两个复信号做复数的共轭乘法即差分运算，两个复信号中取共轭的是一个扩频码周期前的匹配滤波器的相关运算结果，共轭乘法即差分运算的结果为一个复信号；

2)一个扩频码周期T内有M个共轭乘法即差分运算的结果，差分相干积分器内置积分存储器，负责存储这M个计算结果；

3)相干积分次数N由控制器预置，因此相关积分时间为N×T，在相干积分时间N×T内，共有N组相关运算结果，每组M点，编号为1到M，每个相关运算结果均为复信号，将编号为1的N组数据相加，将编号为2的N组数据相加，以此类推，一直将编号为M的N组数据相加，其中所用加法为复数加法，这样将N组数据按照同编号相加就得到了1组相干积分结果，也是M个复信号；

4)当相干积分次数达到控制器预制的次数N时，将相干积分后的复信号取模后输出。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度导航接收机中的信号快速捕获方法，其特征在于，所述的检测器对差分积分器在一个扩频码周期内的输出结果进行综合分析，根据控制器设定的检测门限判断当前频点的信号状态，信号存在或者信号不存在步骤包括：

1)一个扩频码周期T内有M个输出结果，在M个输出结果中找出最大值，并记录下该最大值在这M点中的位置序号；

2)将最大值与设定的检测门限做比较，如果大于或等于门限，则判定信号存在，否则判定信号不存在，该门限值可由控制器预置；

3)当信号存在时，产生捕获成功信号，并输出最大值在M点中的位置序号，当信号不存在，产生捕获失败信号，不输出最大值在M点中的位置序号。

5.一种如权利要求1所述方法设计的高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获的装置，其特征在于包括匹配滤波器、差分相干积分器、检测器和控制器；匹配滤波器、差分相干积分器、检测器依次相连；控制器分别与差分相干积分器和检测器相连。

6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获的装置，其特征在于，所述的匹配滤波器包括基带信号存储器、相关运算器和相关结果存储器；基带信号存储器、相关运算器、相关结果存储器依次相连。

7.根据权利要求5所述的一种高灵敏度导航卫星接收机中的信号快速捕获的装置，其特征在于，所述的差分相干积分器包括复数共轭乘法器和积分存储器；复数共轭乘法器与积分存储器相连。

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