CN102087361A - 一种卫星导航信号的捕获方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航信号的捕获方法和装置，属于通信技术领域。所述方法包括：获得包含C/A码的同相分量及正交分量；将获得的C/A码同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算；对相关运算的结果进行FFT变换；对FFT变换的结果进行差分相干累加；根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则捕获卫星信号成功；否则捕获卫星信号失败。本发明提供的方法解决了对于符号跳变率非常高的导航信号，不能进行长时间的积分累加的问题，并采用了差分相干累加的方法，提高了信噪比，实现了卫星信号的成功捕获。

Description

一种卫星导航信号的捕获方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种卫星导航信号的捕获方法和装置。

背景技术

捕获技术是GPS(Global Positioning System，全球定位***)接收机信号处理中的关键部分。其捕获方法的好坏是评定接收机的主要标准之一。

常用的两种高灵敏度GPS信号捕获方法是相干积分和非相干积分。其中，相干积分是指对不同周期的接收C/A码信号和本地C/A码信号的相关值进行对应叠加，可以更多地抵消噪声、增强信号，提高信噪比。但相干积分的长度受到多普勒频移和导航数据位跳变的限制。对于GPS信号，每20ms就可能会有一次数据位跳变，因此如果相干积分时间超过20ms能量就会有损失，反而会降低信噪比。而非相干积分是将每周期的相关结果取模之后再进行累加，这样信号强度叠加的同时噪声强度也相应的进行了累加，使得信噪比的提高不明显。

因此为了提高接收机的灵敏度首选的方案是尽可能增加相干累加时间，但是由于导航信号调制导航数据，相干累加时间受到数据比特跳变的限制，因此如何在无任何辅助信息的条件下避免数据位跳变对相干累加产生影响，成为高灵敏度接收机研究的热点，目前广泛使用的是多重数据位循环相关(CircularCorrelation with Multiple Data Bits，CCMDB)捕获算法(如图1所示)。其中，在每个相干积分间隔中，估计最可靠的数据位组合；然后，在将相干累加合并为非相干累加之前，利用它来去掉数据位的符号影响。假定每种数据位的组合是概率相等，最坏情况下的平均等效积分时间如公式(1)所示：

$T_{I_{\mathrm{Nb}}}=\underset{\mathrm{\ϵ}=0}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2^{N_t}}\frac{N_t!}{\mathrm{\ϵ}!(N_t-\mathrm{\ϵ})!}(T_I-2\mathrm{\ϵ}{S}_{N_b})---\left(1\right)$

其中，

为等效积分时间、N_t为积分的次数、ε为发生跳变的次数、T_I为总的积分时间，由于仅搜索N_b个边沿引起的积分损失如公式(2)所示：

${\mathrm{Loss}}_{N_b}=[100(T_I-T_{I_{\mathrm{Bb}}})/T_I]\%---\left(2\right)$

因此就GPS的C/A码而言，当N_b为4时，将其带入公式(1)和公式(2)，最终能计算出积分损失为10％。但是对于符号跳变率非常高的导航信号，N_b的选择会受到一定的限制，因此上述方法的积分损失就会变大。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在以下缺点：对于符号跳变率非常高的导航信号，不能进行长时间的积分累加，无法较好的提高信噪比，不能较好的实现对弱信号的捕获。

发明内容

为了延长积分累加的时间，提高接收信号的信噪比，实现对弱信号的成功捕获，本发明实施例提供了一种卫星导航信号的捕获方法，所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种卫星导航信号的捕获方法，所述方法包括：

获得包含C/A码的同相分量及正交分量；

将获得的C/A码同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算；

对相关运算的结果进行FFT变换；

对FFT变换的结果进行差分相干累加；

根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则捕获卫星信号成功；否则捕获卫星信号失败。

所述将获得的C/A码同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算的步骤具体包括：

步骤A：将2L毫秒的接收数据以2毫秒为单位进行分段；

步骤B：获得本地产生的L毫秒的复制码，在每一毫秒的复制码后添加1毫秒零；

步骤C：将步骤A中的接收数据和步骤B中获得的数据进行相关运算，获取相关运算后每一段的第1毫秒对应的数据；

步骤D：判断所述每一段的第1毫秒对应的数据中绝对值最大的数据是否小于0，若小于0则进行符号反相修正；否则执行步骤E；

步骤E：将L段1毫秒数据对应相加，将相加后得到的1毫秒数据输出。

所述判断所述每一段的第1毫秒对应的数据中绝对值最大的数据是否小于0，若小于0则进行符号反相修正的步骤具体包括：将该段数据中的每一个数值乘-1。

所述对FFT变换的结果进行差分相干累加的步骤具体包括：

将第n次的正交分量、同相分量分别和第n-1次的正交分量、同相分量进行差分相干累加。

所述根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则捕获卫星信号成功；否则捕获卫星信号失败的步骤之后还包括：

若大于门限值则捕获卫星信号成功之后，将C/A码的码相位和载波频率输出；相应地，

若小于预设门限值则捕获信号失败之后，调整本地码的相位、载波频率，重新进行搜索。

再一方面，本发明实施例提供了一种卫星导航信号的捕获装置，所述装置包括：

获得模块，所述获得模块用于获得包含C/A码的同相分量及正交分量；

运算模块，所述运算模块用于将所述获得模块获得的C/A码同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算；

FFT变换模块，所述FFT变换模块用于对相关运算的结果进行FFT变换；

差分相干累加模块，所述差分相干累加模块用于对所述FFT变换模块变换后的结果进行差分相干累加；

判决模块，所述判决模块用于根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则捕获卫星信号成功；否则捕获卫星信号失败。

所述运算模块具体包括：

分段单元，所述分段单元用于将2L毫秒的接收数据以2毫秒为单位进行分段；

添加单元，所述添加单元用于获得本地产生的L毫秒的复制码，在每一毫秒的复制码后添加1毫秒零；

获取单元，所述获取单元用于将所述分段单元中的接收数据和所述添加单元中获得的数据进行相关运算，获取相关运算后每一段的第1毫秒对应的数据；

判断单元，所述判断单元用于判断所述获取单元获得的每一段的第1毫秒对应的数据中绝对值最大的数据是否小于0，若小于0则进行符号反相修正；否则执行第一输出单元；

第一输出单元，所述第一输出单元用于将L段1毫秒数据对应相加，将相加后得到的1毫秒数据输出。

所述判断单元还包括：计算子单元，所述计算子单元用于将该段数据中的每一个数值乘-1。

所述差分相干累加模块具体用于将第n次的正交分量、同相分量分别和第n-1次的正交分量、同相分量进行差分相干累加。

所述判决模块具体包括：

判决单元，所述判决单元用于根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则表示捕获卫星信号成功；否则表示捕获卫星信号失败；

第二输出单元，所述第二输出单元用于将C/A码的码相位和载波频率输出；调整单元，所述调整单元用于调整本地码的相位、载波频率。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过增加C/A码的同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算的时间，对相关运算的结果进行FFT变换，对FFT变换的结果进行了差分相干累加，并根据差分相干累加的结果进行判决的方法，解决了对于符号跳变率非常高的导航信号，不能进行长时间的积分累加的问题，并采用了差分相干累加的方法，提高了信噪比，实现了卫星信号的成功捕获。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的一种卫星导航信号的捕获方法的示意图；

图2是本发明实施例1提供的一种卫星导航信号的捕获方法的示意图；

图3是本发明实施例1提供的一种卫星导航信号的捕获方法的流程图；

图4是本发明实施例1提供的相关计算方法的示意图；

图5是本发明实施例1提供的相关计算方法的流程图；

图6是本发明实施例2提供的一种卫星导航信号的捕获装置的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图2和图3，本发明实施例提供了一种卫星导航信号捕获的方法，具体流程详见下文描述：

步骤101：将GPS接收机接收到的模拟信号进行下变频，得到中频信号。

其中，GPS接收机接收到的模拟信号包括：载波信号、电文、C/A码。例如：GPS接收机接收到的模拟信号为16MHz，经下变频处理，得到4MHz的中频信号。

步骤102：将步骤101得到的中频信号经过模/数转换器转化为中频数字信号。

步骤103：以中频数字信号的频率为载波频率，将中频数字信号分别和本地载波的同相分量、正交分量相乘，剥离载波，并获得包含C/A码的I路同相分量和Q路正交分量。

其中，中频数字信号和本地载波的同相分量SIN、正交分量COS相乘的目的是得到电文和C/A码，剥离载波。

步骤104：码NCO产生本地的C/A码。

步骤105：将本地的C/A码和步骤103中获得的C/A码的I路同相分量及Q路正交分量分别进行相关运算。

其中，采用相干累加的方法进行相关运算，例如：进行20毫秒的相干累加，将20毫秒分为20段，每段为1毫秒，在每段中将本地的C/A码分别和步骤103中得到的C/A码的I路同相分量和Q路正交分量对应相位的数据进行相加，即共得到20段1毫秒的数据。其中，本发明实施例以20毫秒为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

步骤106：对步骤105中相关运算的结果进行FFT变换，从时域变换到频域。

步骤107：根据FFT变换的结果将第n次的正交分量、同相分量分别和第n-1次的正交分量、同相分量进行差分相干累加。

其中，即将第n次的M段20毫秒的正交分量和第n-1次的M段20毫秒的正交分量进行差分相干累加，将第n次的M段20毫秒的同相分量和第n-1次M段的20毫秒的同相分量进行差分相干累加，目的是为了消除噪声，增强信号，以提高信噪比，其中，n为捕获的次数。本发明实施例以M段20毫秒的数据为例进行说明，若M取值为5，则进行100毫秒的差分相干累加，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

步骤108：将差分相干累加后的结果和预设门限值进行判决。

其中，具体包括：根据差分相干累加后的同相分量和正交分量得到|I|+|Q|或

根据计算结果找到幅值最大的点I₁、Q₁和幅值次大的点I₂、Q₂，找到后计算(|I₁|+|Q₁|)/(|I₂|+|Q₂|)或

将计算结果和预设门限值进行判决，若计算结果大于预设门限值则表示捕获卫星信号成功，执行步骤109；否则捕获信号失败，执行步骤110。

其中，本发明实施例设置的预设门限值为2.5，具体实现时，根据固定经验值或噪声大小的不同，预设门限值也不同，本发明实施例对此不做限制。

步骤109：将C/A码的码相位和载波频率输出。

步骤110：调整本地码的相位，重新执行步骤103-步骤108，直到捕获成功。

其中，移动0.5个码相位，重新进行捕获，若还没有捕获成功再移动0.5个相位，可以移动1023/0.5＝2046次，(其中，1023为C/A码的码长)当搜索2046次后都没有捕获到信号，则，换一个载波频率即将本地载波频率移动±500Hz，可以正负加减10次，即共可以移动21次，重复执行上述过程，直到信号捕获成功。如果所有的码相位和载波频率全部搜索完毕仍然没有捕获到信号，则这个周期捕获信号失败。

其中，步骤105中的相关运算还可以采取其他的运算方式，参见图4和图5，详见下文描述：

步骤201：将2L毫秒的接收数据以2毫秒为单位进行分段，分成L段。

其中，以20毫秒的接收数据为例，即将其分成10段。

步骤202：获得本地产生的L毫秒的复制码。

步骤203：在每一毫秒的复制码后添加1毫秒零。

其中，通过补零器来添加1毫秒零，每一毫秒的复制码通过补零器补零后，即变成2毫秒数据，本地总共得到L段的2毫秒数据。

步骤204：将L段的2毫秒的接收数据和步骤203中得到的L段的2毫秒补零后的数据一一对应进行相关运算。

例如：L的取值为4，即1、2、3、4，第1段的2毫秒的接收数据和第1段的2毫秒补零后的数据进行相关运算；第2段的2毫秒的接收数据和第2段的2毫秒补零后的数据进行相关运算；第3段的2毫秒的接收数据和第3段的2毫秒补零后的数据进行相关运算；第4段的2毫秒的接收数据和第4段的2毫秒补零后的数据进行相关运算

步骤205：获取相关运算后每一段的第1毫秒对应的数据。

即可以得到L段的第一毫秒对应的数据。

步骤206：判断每段数据中绝对值最大的数据是否小于0，若小于0执行步骤207，进行符号反相修正；否则执行步骤208。

其中，每段数据中若绝对值最大的数据为负，则表示该段数据的符号为负；每段数据中若绝对值最大的数据为正，则表示该段数据的符号为正。例如第3段对应的数据为3、-4，则绝对值最大的数据为-4，由于-4＜0，则执行步骤207。

步骤207：进行符号反相修正，将该段数据中的每一个数值乘-1。

将该段数据中的每一个数值乘-1的主要目的是消除符号跳变，例如：共有四段数据，每一段中有3个数据，第1段为1、2、3、10即符号为正，第2段为1、-2、3、20即符号为正，第3段为4、5、6、15即符号为正，第4段为4、-5、-6、-25即符号为负，即第1段数据、第2段数据和第3段数据之间不存在符号跳变，第3段和第4段数据之间存在符号跳变。即只需要将第4段数据中的每一个值乘-1，这样第4段数据的符号为正，因此消除了第3段和第4段数据之间的符号跳变。

步骤208：将L段1毫秒数据对应相加。

即将第1段数据中的第1位数据、第2段数据中的第1位数据、第3段数据中的第1位数据、第4段数据中的第1位数据相加；同理将第1段数据中的第2位数据、第2段数据中的第2位数据、第3段数据中的第2位数据、第4段数据中的第2位数据相加，即增加了每一位的信号增益。

步骤209：将相加后得到的1毫秒数据输出。

上述步骤相当于将相关积分时间延长至L毫秒，将L毫秒时间长的数据对应相位进行累加，变成了1毫秒的数据，这样增大了信号的增益，信号的增益为101gL。

其中，接收机的各种损耗估计如下：***噪声系数约2dB、数据边界未对齐约0.9dB、PN码未完全对齐约2.5dB、多普勒频移带来的衰减为1dB、若进行2毫秒的相干累加，则信噪比变为2dB，减掉损耗，信噪比变为SNR_L＝-4.4dB(即，2-2-0.9-2.5-1＝-4.4)。

其中，若采用步骤201-步骤209中的方法，先进行L段1毫秒相干累加，则信噪比变为101gL，减掉上述列出的损耗6.4dB，这时的信噪比变为SNR_L＝101gL-6.4dB。

其中，若在进行L段1毫秒相干累加的基础上再进行N段L毫秒差分相干累加，则总的信噪比变为：SNR_total＝-6.4+10lgL+10lgN+Loss(-6.4+10lgL)，其中，Loss(-6.4+10lgL)为差分相干累加的损耗，合理设置N和L的值，例如将L设置为20毫秒，N设置为4或5，就可以使信噪比提高至15dB左右，可以成功捕获卫星信号。

综上所述，通过上述方法解决了符号跳变率非常高的导航信号，由于其积分时间受到限制，不能进行长时间的积分累加的问题，该方案实现了对上述信号进行长时间积分累加，从而提高接收信号的信噪比，实现了对弱信号的成功捕获。

实施例2

参见图6，本发明实施例提供了一种卫星导航信号捕获的装置，该捕获装置主要包括：

获得模块201，用于获得包含C/A码的同相分量及正交分量；

运算模块202，用于将获得模块201获得的C/A码同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算；

FFT变换模块203，用于对相关运算的结果进行FFT变换；

差分相干累加模块204，用于对FFT变换模块203变换后的结果进行差分相干累加；具体用于将第n次的正交分量、同相分量分别和第n-1次的正交分量、同相分量进行差分相干累加。

判决模块205，用于根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则捕获卫星信号成功；否则捕获卫星信号失败。

其中，获得模块201具体包括：

转化单元201A，用于将GPS接收机接收到的模拟信号转化为中频数字信号；

获得单元201B，用于根据中频数字信号、本地载波的同相分量及正交分量获得包含C/A码的同相分量及正交分量。

其中，运算模块202具体包括：

分段单元202A，用于将2L毫秒的接收数据以2毫秒为单位进行分段；

添加单元202B，用于获得本地产生的L毫秒的复制码，在每一毫秒的复制码后添加1毫秒零；

获取单元202C，用于将分段单元202A中的接收数据和添加单元202B中获得的数据进行相关运算，获取相关运算后每一段的第1毫秒对应的数据；

判断单元202D，用于判断获取单元202C获得的每一段的第1毫秒对应的数据中绝对值最大的数据是否小于0，若小于0则进行符号反相修正；否则执行第一输出单元202E；

第一输出单元202E，用于将L段1毫秒数据对应相加，将相加后得到的1毫秒数据输出。

其中，判断单元202D还包括：

计算子单元，用于将该段数据中的每一个数值乘-1。

其中，判决模块205还包括：

判断单元205A，用于根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则表示捕获卫星信号成功；否则表示捕获卫星信号失败；

第二输出单元205B，用于当捕获卫星信号成功之后将C/A码的码相位和载波频率输出；

调整单元205C，用于当捕获卫星信号失败之后调整本地码的相位、载波频率，重新进行搜索。

其中，移动0.5个码相位，重新进行捕获，若还没有捕获成功再移动0.5个相位，可以移动1023/0.5＝2046次，(其中，1023为C/A码的码长)当搜索2046次后都没有捕获到信号，则，换一个载波频率即将本地载波频率移动±500Hz，可以正负加减10次，即共可以移动21次，重复执行上述过程，直到信号捕获成功。如果所有的码相位和载波频率全部搜索完毕仍然没有捕获到信号，则这个周期捕获信号失败。

综上所述，通过上述装置解决了符号跳变率非常高的导航信号，由于其积分时间受到限制，不能进行长时间的积分累加的问题，该装置实现了对上述信号进行长时间积分累加，从而提高接收信号的信噪比，实现了对弱信号的成功捕获。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星导航信号的捕获方法，其特征在于，所述方法包括：

获得包含C/A码的同相分量及正交分量；

将获得的C/A码同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算；

对相关运算的结果进行FFT变换；

对FFT变换的结果进行差分相干累加；

根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则捕获卫星信号成功；否则捕获卫星信号失败。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将获得的C/A码同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算的步骤具体包括：

步骤A：将2L毫秒的接收数据以2毫秒为单位进行分段；

步骤B：获得本地产生的L毫秒的复制码，在每一毫秒的复制码后添加1毫秒零；

步骤C：将步骤A中的接收数据和步骤B中获得的数据进行相关运算，获取相关运算后每一段的第1毫秒对应的数据；

步骤D：判断所述每一段的第1毫秒对应的数据中绝对值最大的数据是否小于0，若小于0则进行符号反相修正；否则执行步骤E；

步骤E：将L段1毫秒数据对应相加，将相加后得到的1毫秒数据输出。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判断所述每一段的第1毫秒对应的数据中绝对值最大的数据是否小于0，若小于0则进行符号反相修正的步骤具体包括：将该段数据中的每一个数值乘-1。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对FFT变换的结果进行差分相干累加的步骤具体包括：

将第n次的正交分量、同相分量分别和第n-1次的正交分量、同相分量进行差分相干累加。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则捕获卫星信号成功；否则捕获卫星信号失败的步骤之后还包括：

若大于门限值则捕获卫星信号成功之后，将C/A码的码相位和载波频率输出；相应地，

若小于预设门限值则捕获信号失败之后，调整本地码的相位、载波频率，重新进行搜索。

6.一种卫星导航信号的捕获装置，其特征在于，所述装置包括：

获得模块，所述获得模块用于获得包含C/A码的同相分量及正交分量；

运算模块，所述运算模块用于将所述获得模块获得的C/A码同相分量及正交分量分别和本地C/A码进行相关运算；

FFT变换模块，所述FFT变换模块用于对相关运算的结果进行FFT变换；

差分相干累加模块，所述差分相干累加模块用于对所述FFT变换模块变换后的结果进行差分相干累加；

判决模块，所述判决模块用于根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则捕获卫星信号成功；否则捕获卫星信号失败。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述运算模块具体包括：

分段单元，所述分段单元用于将2L毫秒的接收数据以2毫秒为单位进行分段；

添加单元，所述添加单元用于获得本地产生的L毫秒的复制码，在每一毫秒的复制码后添加1毫秒零；

获取单元，所述获取单元用于将所述分段单元中的接收数据和所述添加单元中获得的数据进行相关运算，获取相关运算后每一段的第1毫秒对应的数据；

判断单元，所述判断单元用于判断所述获取单元获得的每一段的第1毫秒对应的数据中绝对值最大的数据是否小于0，若小于0则进行符号反相修正；否则执行第一输出单元；

第一输出单元，所述第一输出单元用于将L段1毫秒数据对应相加，将相加后得到的1毫秒数据输出。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述判断单元还包括：

计算子单元，所述计算子单元用于将该段数据中的每一个数值乘-1。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述差分相干累加模块具体用于将第n次的正交分量、同相分量分别和第n-1次的正交分量、同相分量进行差分相干累加。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述判决模块具体包括：

判决单元，所述判决单元用于根据差分相干累加的结果进行判决，若大于门限值则表示捕获卫星信号成功；否则表示捕获卫星信号失败；

第二输出单元，所述第二输出单元用于将C/A码的码相位和载波频率输出；

调整单元，所述调整单元用于调整本地码的相位、载波频率。

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