CN102608626B - 一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法及***，其中该***包括：实现卫星数字中频信号数字下变频操作的数字下变频模块；平均采样卫星数据及完成块累加功能的平均采样及块累加模块；实现码相位频域搜索的FFT模块；利用多普勒圆周移位搜索进行频率补偿的圆周移位模块；存储本地PRN码FFT共轭结果的本地PRN码FFT共轭存储器；实现信号解扩的复数乘法器模块；计算不同码相位相关结果的IFFT模块；对解扩后的卫星信号进行差分相关能量累加的差分相干积分模块；实现信号捕获输出的峰值检测模块；对***各模块时序进行控制的时序控制模块。本发明提高了卫星导航接收机捕获弱信号的速度和灵敏度，且各参数可以灵活配置。

Description

一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法及***

技术领域

本发明涉及卫星导航信号捕获研究领域，特别涉及一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法及***。

背景技术

全球定位***（Global Positioning System，GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军在海军卫星导航***的基础上联合研制的全球卫星导航定位***，它由空间段、地面控制段和用户段三部分构成。GPS***在民用领域也获得广泛应用，已经发展为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。美国GPS***是全球广泛应用的卫星导航与定位***。目前，能与GPS***进入竞争领域的分别有俄罗斯的GLONASS***、欧洲的“伽利略”***和中国的北斗（COMPASS）***。

卫星导航接收机的工作过程是：卫星发射的射频信号(RF)通过天线接收下来，通过一个无源的带通滤波器滤波，以减小带外射频干扰，接着预放大，射频信号下变频到中频(IF)，再用模数(A/D)变换器对(IF)信号采样和数字化，得到数字中频信号(或数字基带信号)，再送入数字基带处理器(Digital Base-bandProcessor)进行处理，主要是对信号进行捕获、跟踪、解调，再作导航解算，伪距计算等，数字基带处理器是卫星信号接收机的核心。

其中对数字基带信号进行处理，首先要进行信号的捕获，其目的是确定一个卫星是否在接收机的可见范围内，如果卫星可见，捕获过程要完成两个参数的捕获：码相位和载波频率，这其实是一个二维搜索过程。卫星信号捕获就是在频率和PRN码方向上进行二维搜索得到粗略的载波频率和码相位的过程。捕获是卫星信号接收机中的一个关键组成部分。

目前常用的伪码捕获方法主要有发射参考信号法、序贯相关法、匹配滤波器法、滑动相关法等。发射参考信号法就是把调制了数据的扩频信号和没有数据调制的数据信号发射出去，在接收端直接用这两部分进行解扩，该方法对多普勒频移的影响不敏感，但***的抗干扰性和对噪声抑制能力很差。序贯相关法是一种能减少长码捕获时间的快速捕获方法，但它先要对外来的PRN码进行检测后才能注入移位寄存器，这点比较困难。匹配滤波器法优点在于实时性，可以实现快速同步。但是对于长码快速捕获的匹配滤波器在现有工艺条件下硬件实现比较困难。

在各种扩频***中，滑动相关法使用最为广泛。因为该方法实现简单，而且不需要任何先验信息。滑动相关法主要包括时域滑动相关法和频域滑动相关法。时域滑动相关法采用接收信号和本地信号在时间域进行多级相关积分，经过多级的相关积分，信号强度得到大幅提升，从而得到相关峰值。该算法实现比较简单，但是捕获过程耗时较长。频域滑动相关法的典型代表是Vanne等提出基于快速傅立叶变换(FFT)的PRN码捕获方法。该算法利用两次FFT和一次逆傅立叶变换(IFFT)运算计算接收信号和参考信号的相关峰值，从而确定多普勒频偏和PRN码相位。这种算法要进行大点数的FFT运算，尤其是点数不为2的幂次方时，运算量比较大，对***硬件资源要求较高。

导航信号接收技术如今在室内、高楼林立的城市街道和多层停车场等严重信号衰落环境下的应用需求越来越多。绝大多数使用手持定位设备的用户分布在高楼密集的城市地区，需要在室内、高楼之间、地下停车场、高架道路等微弱信号环境中完成定位，在城市郊区和列车定位的控制应用中，由于存在山体、建筑、树木、隧道等障碍物，卫星导航信号受遮挡、多径效应等影响，信号非常微弱，衰减严重。这些都给卫星信号接收技术带来了挑战。在这些条件下普通接收机由于灵敏度的限制已无法使用。为了在微弱信号条件下正常接收卫星导航信号，接收机需要增加信号能量累加时间，提高信噪比。提高相关器输出的信噪比，是实现微弱信号同步的唯一途径。这意味着，不仅需要长时间积分和更为准确的频偏估计，而且也需要增加硬件相关器的规模。现行的许多积分方法均可统一为相干积分与非相干积分两种方法的结合，区别在于相干积分的时间长度和非相干积分的次数。

相干积分时间越长，相干增益越大，但相干积分长度也不是无限度的，它会受到多普勒频移、导航数据比特宽度和计算量等的限制。长时间相干积分的另一个问题是积分累加处理过程可能存在跨越导航电文数据位的问题。如果积分时间内数据位发生跳变，将导致所处理数据信息的抵消，相干积分值反而降低。非相干积分不受符号跳变和载波多普勒的影响，可以在多个导航电文数据位上进行能量累加。但是非相干积分的长度受码多普勒的限制，而且随着非相干累加次数增加，能量增加的效果不明显。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有卫星信号接收与处理技术的缺点与不足，提供了一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法，该方法针对美国的GPS及我国的“北斗”（COMPASS）两个***，可以实现不同场景下微弱卫星信号的快速捕获。

本发明的一个目的通过以下的技术方案实现：一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法，包括以下步骤：

（1）根据当前捕获状态，请求输入对应不同时间长度和起始点的卫星数字中频信号；

（2）对输入的信号进行数字下变频、平均采样和FFT操作，获得零中频、低采样率的卫星频域信号，另外在平均采样时还进行了块叠加；

（3）进入频率搜索状态，对于输入的第1起始点部分数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，并通过读取首个数据的地址不同实现基于圆周移位搜索的频率补偿，检测并记录最大峰值和对应的圆周移位点数n，并调整本地载波频率为考虑多普勒频移的频率；

（4）进入起始点搜索状态，对于除第1起始点外的其他起始点部分数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，检测并记录所有起始点数据组得到的峰值，最大峰值对应着最佳起始点序号k；

（5）进入正常捕获状态，输入第k起始点的全部数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，得到的峰值与检测门限比较，如果大于检测门限，说明捕获成功，输出最大峰值及其对应的码相位和载波频率；否则捕获失败。

本发明还提供了一种基于上述高灵敏度卫星导航信号捕获方法的捕获***。该***包括：

数字下变频模块，用于对输入的卫星中频信号采样数据进行数字下变频操作，获得零中频的卫星采样数据；

平均采样及块累加模块，与所述的数字下变频模块相连，用于对下变频后的零中频卫星信号进行平均采样和块累加操作，获得低采样率的零中频卫星信号数据；

FFT模块，与所述的平均采样及块累加模块相连，对卫星信号执行快速傅里叶变换，进行码相位频域相关搜索；

圆周移位模块，与所述的FFT模块相连，对卫星信号的FFT输出结果进行多普勒圆周移位，实现对多普勒频移的搜索；

复数乘法器模块，与所述的圆周移位模块相连，用于对卫星信号进行相乘解扩；

本地PRN码FFT共轭存储器，与所述的复数乘法器模块相连，用于存储本地PRN码FFT后取共轭的结果；

IFFT模块，与所述的复数乘法器模块相连，用于对复乘结果执行逆向快速傅里叶变换，得到不同码相位的相关结果；

差分相干积分模块，与所述的IFFT模块相连，用于对不同码相位的相关结果进行差分相关能量累加；

峰值检测模块，与所述的差分相干积分模块相连，用于对累加的相关能量峰值进行检测，实现卫星信号捕获及多普勒频移和码相位的输出；

时序控制模块，与所述的数字下变频模块、平均采样及块累加模块、FFT模块、圆周移位模块、本地PRN码FFT共轭存储器、复数乘法器模块、IFFT模块、差分相干积分模块和峰值检测模块相连，时序控制模块是基于捕获流程利用状态机实现，在不同的状态输出不同模块的控制参数，实现对整个***的工作流程以及各个模块的工作状态控制。

所述数字下变频模块包括：直接数字频率合成器，与圆周移位模块相连，用于根据频率控制产生一定频率的正弦和余弦载波信号作为本地载波；数字混频器，与所述直接数字频率合成器相连，用于实现本地产生的中频载波和输入的卫星中频采样数据混频。

更进一步的，所述数字混频器按照同相分量（In-phase component，I支路）和正交分量（Quadrature component，Q支路）分为I混频器和Q混频器，I混频器和Q混频器分别与外部输入的卫星中频采样数据混频。

所述平均采样及块累加模块包括：

数据累加器，与所述的数字混频器相连，用于对输入数据的累加；

2^N地址产生器，与所述的数据累加器相连，产生2^N个地址，供采样数据存储器使用；

采样数据存储器，与所述的数据累加器、2^N地址产生器和FFT模块相连，用于存储平均采样及块累加后的卫星数据；

数据输出开关，与所述的数据累加器和采样数据存储器相连，用于在进行块累加操作时，控制将采样数据存储器读出的上一个周期累加的数据输出到数据累加器中与当前的零中频信号数据进行累加。

所述圆周移位模块包括：

FFT实部存储器，与所述的FFT模块相连，用于存储FFT输出的实部数据；

FFT虚部存储器，与所述的FFT模块相连，用于存储FFT输出的虚部数据；

圆周移位地址产生器，与所述的FFT实部存储器和FFT虚部存储器相连，用于根据移位点数产生不同起始点的2^N个地址。

所述差分相干积分模块包括：

差分相干处理模块，与所述IFFT模块相连，用于对相干结果执行差分相干操作；

相干结果实部存储器，与所述差分相干处理模块相连，用于存储相干结果的实部数据，该存储数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的相干结果实部执行相乘；

相干结果虚部存储器，与所述差分相干处理模块相连，用于存储相干结果的虚部数据，该存储数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的相干结果虚部执行相乘；

差分相干结果存储器，与所述差分相干处理模块和峰值检测模块相连，用于存储和发送差分相干结果数据，存储数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的差分相干结果执行累加。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明可以实现不同场景下微弱卫星信号的快速捕获，具有运算时间短、捕获速度快的特点。本发明中块累加次数、差分相干积分次数和捕获阈值可以根据场景或者检测到的信号信噪比进行灵活设置，提高捕获速度和灵敏度，体现了本发明技术方案的配置灵活性。在信号较强或者对于捕获灵敏度要求不高的情况下，可以直接把IFFT得到的不同码相位的相关结果直接输入到峰值检测模块，直接判断出对应的码相位信息及频率信息，这一处理提高了捕获处理效率。

2、本发明中的捕获状态包括频率搜索状态、起始点搜索状态和正常捕获状态。其中，频率搜索状态读入的是较短时间长度的第1起始点数据组，目的是通过圆周移位搜索获得多普勒频移。相比于用完整数据段确定多普勒频移，该方法降低了计算量。起始点搜索状态读入的是较短时间长度的除第1起始点数据组外的其他起始点数据组，目的是选择最合适的起始点，使平均采样后的点能很好地体现真正的信号。相比于用完整数据段确定最合适的起始点，该方法降低了计算量。正常捕获状态读入的是完整长度的第k起始点数据组，在频率搜索状态后，本地载波频率已经调整为考虑多普勒频移后的中频载波频率。此时读入完整长度的数据进行捕获，有利于提高捕获信号的信噪比。

3、本发明中，在平均采样阶段结合了块叠加的思想，将输入的L毫秒（ms）长(L<20)的数据分成L个1ms的数据块并按照周期段对应叠加，再通过FFT模块执行频域相关运算，这样可以令FFT/IFFT计算量减少L倍的次数，提高了运算效率。

4、本发明中，频率及起始点搜索的目标是为了寻找多普勒频移和合适的数据起始点，在峰值检测时仅需要寻找最大峰值并输出对应的圆周移位点数和起始点数据组的序号即可，不存在门限设置问题，简化了操作。

附图说明

图1是本发明***的基本组成框图；

图2是本发明***中数字下变频模块的组成示意图；

图3是本发明***中平均采样及块累加模块的组成示意图；

图4是本发明***中圆周移位模块的组成示意图；

图5是本发明***中差分相干积分模块的组成示意图；

图6是本发明方法的流程示意图；

图7是本发明实施例中信号捕获***在实际应用时的处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种高灵敏度卫星导航信号捕获***，主要包括时序控制模块、数字下变频模块、平均采样及块累加模块、FFT模块、圆周移位模块、本地PRN码FFT共轭存储器、IFFT模块、复数乘法器模块、差分相干积分模块和峰值检测模块，其中：

数字下变频模块，用于对输入的卫星中频信号采样数据进行数字下变频操作，获得零中频的卫星采样数据，该数据输入到平均采样及块累加模块中进行处理；

平均采样及块累加模块，与所述的数字下变频模块相连，用于对下变频后的零中频卫星信号进行平均采样和块累加操作，获得低采样率的零中频卫星信号数据；

FFT模块，与平均采样及块累加模块相连，用于对卫星信号执行快速傅里叶变换，用于对卫星信号进行码相位频域相关搜索，相比于传统的时域串行搜索方式大大提高了搜索的速度；

圆周移位模块，与FFT模块相连，对卫星信号的FFT输出结果进行多普勒圆周移位，实现对多普勒频移的搜索；

复数乘法器模块，与圆周移位模块相连，用于对卫星信号进行相乘解扩；

本地PRN码FFT共轭存储器，与所述的复数乘法器模块相连，用于存储本地PRN码FFT后取共轭的结果；

IFFT模块，与复数乘法器模块相连，用于对复乘结果执行逆向快速傅里叶运算，得到不同码相位的相关结果；

差分相干积分模块，与IFFT模块相连，用于对不同码相位的相关结果进行差分相关能量累加；

峰值检测模块，与差分相干积分模块相连，用于对累加的相关能量峰值进行检测，实现卫星信号捕获及多普勒频移和码相位的输出；

时序控制模块，与数字下变频模块、平均采样及块累加模块、FFT模块、圆周移位模块、本地PRN码FFT共轭存储器、复数乘法器模块、IFFT模块、差分相干积分模块和峰值检测模块相连，基于捕获流程利用状态机实现，在不同的状态输出不同模块的控制参数，实现对整个***的工作流程以及各个模块的工作状态控制。其中控制参数包括各个模块使能信号，复位信号，地址控制信号，圆周移位参数信号等。

如图2所示，该数字下变频模块主要包括直接数字频率合成器和数字混频器，其中：

直接数字频率合成器，与圆周移位模块相连，用于根据频率控制产生一定频率的正弦和余弦载波信号作为本地载波，本实施样例中输出的中频载波频率为4.092MHz，频率分辨率为0.1Hz，输出位宽为4bit；当然，其他实施例中也可以采用不同的中频频率；

数字混频器，与直接数字频率合成器相连，用于实现本地产生的中频载波和输入卫星中频采样数据混频。数字混频器按照同相分量和正交分量分为I混频器和Q混频器，I混频器和Q混频器分别与外部输入的卫星中频采样数据混频。在本实施样例中，外部输入的卫星数字中频信号为2bit采样，与本地载波信号的混频可以利用加法和取反等简单的操作实现，避免使用乘法器的额外硬件开销；

如图3所示，该平均采样及块累加模块主要包括数据累加器、2^N地址产生器、采样数据存储器和数据输出开关，其中：

数据累加器，与数字混频器相连，用于对输入数据的累加，实现平均采样和块累加的功能；在本实施样例中，采样频率为6.144MHz，采用的平均采样的累加次数为6次，平均采样的次数可由外部参数输入确定；

2^N地址产生器，与数据累加器相连，产生2^N个地址，供采样数据存储器使用；

采样数据存储器，本实施例中为RAM，与数据累加器、2^N地址产生器和FFT模块相连，用于存储平均采样及块累加后的卫星数据；

数据输出开关，与数据累加器和采样数据存储器相连，在进行块累加处理时，控制将采样数据存储器读出的上一个周期累加的数据输出到数据累加器中与当前的零中频信号数据进行累加。

如图4所示，圆周移位模块主要包括FFT实部存储器、FFT虚部存储器和圆周移位地址产生器，其中：

FFT实部存储器，与FFT模块相连，本实施例中为单口RAM，且设置为readfirst的模式。该模式在向RAM写入新数据时，数据输出端口输出对应地址的旧数据，节约了时钟周期，用于存储FFT输出的实部数据；

FFT虚部存储器，与FFT模块相连，本实施例中为单口RAM，且设置为readfirst的模式。该模式在向RAM写入新数据时，数据输出端口输出对应地址的旧数据，节约了时钟周期，用于存储FFT输出的虚部数据；

圆周移位地址产生器，与FFT实部存储器和FFT虚部存储器相连，用于根据移位点数产生不同起始点的2^N个地址。该地址根据圆周移位点数产生，用于读写FFT实部存储器和FFT虚部存储器的数据。读写地址产生规则如下：设n为移位的点数，n∈[-10,10]。当n>0时，起始地址start_address=2^N-n+1，当n<0时，起始地址start_address=-n。该方法相比于一般的移位方法节约了硬件资源，同时利用多普勒圆周移位搜索进行频率补偿，减少了FFT的运算量。

如图5所示，差分相干积分模块主要包括差分相干处理模块、相干结果实部存储器、相干结果虚部存储器和差分相干结果存储器，其中：

差分相干处理模块，与IFFT相连，用于对相干结果执行差分相干积分操作，得到的差分相干积分结果存储于差分相干结果存储器中；差分相干处理次数可以根据卫星信号的强弱，由外部输入灵活进行控制；

相干结果实部存储器，与差分相干处理模块相连，用于存储相干结果的实部数据，该存储数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的相干结果实部执行相乘；

相干结果虚部存储器，与差分相干处理模块相连，用于存储相干结果的虚部数据，该存储数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的相干结果虚部执行相乘；

差分相干结果存储器，与差分相干处理模块相连，用于存储和发送差分相干结果数据，存储数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的差分相干结果执行累加。

峰值检测模块与所述的差分相干积分模块相连，用于对差分相干积分的能量峰值进行检测，实现卫星信号捕获及多普勒频移和码相位的输出。峰值检测的门限可以预设经验值，同时该模块留有外部接口，可以由微处理器判断不同场景并设置合理的峰值检测门限。

一般的卫星数字中频信号经过FFT模块后与本地PRN码FFT共轭存储器的数据相乘，再经过IFFT模块后得到不同码相位的相关结果，再依次经过差分相干积分模块和峰值检测模块处理后可以被捕获到多普勒频移和码相位。块累加次数，差分相干积分次数和捕获阈值可以根据场景或者检测到的信号信噪比进行灵活设置，提高捕获速度和灵敏度，体现了本发明技术方案的配置灵活性。在信号较强或者对于捕获灵敏度要求不高的情况下，可以直接把IFFT得到不同码相位的相关结果直接输入到峰值检测模块，直接判断出对应的码相位信息及频率信息，这一处理提高了捕获处理效率。

图6为本发明卫星数字中频信号捕获方法流程示意图。结合图1至图5的***实施例，图6所示的方法实施例主要包括以下几个步骤：

步骤601，根据当前捕获状态，请求输入对应不同时间长度和起始点的卫星数字中频信号；

步骤602，对输入的信号进行数字下变频、平均采样和FFT操作，获得零中频、低采样率的卫星频域信号；

步骤603，进入频率搜索状态，对于输入的第1起始点部分数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，并通过圆周移位搜索进行频率补偿，检测并记录最大峰值和对应的圆周移位点数n，并调整本地载波频率为考虑多普勒频移的频率；

步骤604，进入起始点搜索状态，对于除第1起始点外的其他起始点部分数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，检测并记录所有起始点数据组得到的峰值，最大峰值对应着最佳起始点序号k；

步骤605，进入正常捕获状态，输入第k起始点的全部数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，得到的峰值与检测门限比较，如果大于检测门限，说明捕获成功，输出最大峰值及其对应的码相位和载波频率；否则捕获失败。

图7为本发明实施例中的信号捕获***在实际应用时的处理流程示意图。如图7所示，该信号捕获***的实际处理流程主要包括如下步骤：

步骤701，根据捕获状态，读取对应时间长度和起始点的卫星数字中频信号；

步骤702，对卫星数字中频信号进行数字下变频、平均采样及块累加，获得零中频和低采样率的数字中频信号，再经过FFT变换，得到该信号的频域信号；

步骤703，判断是否完成频率和起始点搜索，是则转步骤713，否则转步骤704；

步骤704，利用多普勒圆周移位进行频率补偿操作；

步骤705，对频率补偿的结果执行复数乘法和IFFT；

步骤706，执行差分相干和峰值检测；

步骤707，判断现在输入的是否为第1起始点数据组，是则转步骤708，否则转步骤711；

步骤708，判断频率搜索是否完成，是则转步骤709，否则转步骤704；

步骤709，输出峰值对应的多普勒圆周移位点数n；

步骤710，根据多普勒圆周移位点数改变本地载波频率；

步骤711，比较所有起始点数据组的峰值，输出最大峰值所对应的起始点数据组序号k；

步骤712，对第k起始点的完整长度数据组执行复数乘法和IFFT；

步骤713，对第k起始点的完整长度数据组执行差分相干积分和峰值检测；

步骤714，判断峰值是否大于门限，是则转步骤715，否则转步骤717；

步骤715，输出最大峰值及其对应的码相位和载波频率；

步骤716，捕获成功，置捕获成功标志位为1，操作结束；

步骤717，捕获失败，置捕获成功标志位为0，操作结束。

其中，捕获状态包括频率搜索状态、起始点搜索状态和正常捕获状态。

其中，频率搜索状态读入的是较短时间长度的第1起始点数据组，目的是通过圆周移位搜索获得多普勒频移。相比于用完整数据段确定多普勒频移，该方法降低了计算量。

其中，起始点搜索状态读入的是较短时间长度的除第1起始点数据组外的其他起始点数据组，目的是选择最合适的起始点，使平均采样后的点能很好地体现真正的信号。相比于用完整数据段确定最合适的起始点，该方法降低了计算量。本实施样例中，完整数据段长度为100ms，频率搜索和起始点搜索状态采用的数据段均为10ms。

其中，正常捕获状态读入的是完整长度的第k起始点数据组，在频率搜索状态后，本地载波频率已经调整为考虑多普勒频移后的中频载波频率。此时读入完整长度的数据进行捕获，有利于提高捕获信号的信噪比。

其中，在平均采样阶段结合了块叠加的思想，将输入的L毫秒（ms）长(L<20)的数据分成L个1ms的数据块并按照周期段对应叠加，再通过FFT模块执行频域相关运算，这样可以令FFT/IFFT计算量减少L倍的次数，提高了运算效率。

其中，多普勒圆移点数由时序控制模块输出，本实施样例中，搜索范围确定在[-10KHz，10KHz]的范围内，可以覆盖一般情况下的多普勒频移情况。

其中，频率及起始点搜索的目标是为了寻找多普勒频移和合适的数据起始点，在峰值检测时仅需要寻找最大峰值并输出对应的圆周移位点数和起始点数据组的序号即可，不存在门限设置问题，简化了操作。

其中，峰值检测的门限可以预设经验值，也可以由外部设备（如微处理器）判断不同场景和信噪比情况，通过外部接口设置合理的峰值检测门限。

其中，在本实施样例中，数据块的分块数L和差分相干次数均预设了初始值10，实际应用中可以根据当前接受信号的信噪比情况或者对捕获的灵敏度及速度的要求灵活设置。

上述发明的各模块或各步骤可用在通用计算平台上实现。它们可用在通用计算平台上用可执行的程序代码实现，或者做成集成电路IP核来实现，本发明不限制于任何特点的软件和硬件的组合，具有较大的可适用性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是卫星导航接收机的高灵敏度信号捕获***设计及方法在特定场合的具体实施方式，并非用以限定本发明。在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的具体方式和细节上作一定的修改变化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据当前捕获状态，请求输入对应不同时间长度和起始点的卫星数字中频信号；

（2）对输入的信号进行数字下变频、平均采样和FFT操作，获得零中频、低采样率的卫星频域信号；平均采样时还进行了块叠加，具体是：将输入的L毫秒长的数据分成L个1ms的数据块并按照周期段对应叠加；

（3）进入频率搜索状态，对于输入的第1起始点部分数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，并通过圆周移位搜索进行频率补偿，检测并记录最大峰值和对应的圆周移位点数n，并调整本地载波频率为考虑多普勒频移的频率；采用了圆周移位搜索进行频率补偿，通过读取首个数据的地址不同实现圆周移位搜索，读写地址产生规则如下：n∈[-10,10]，当n>0时，读写FFT实部存储器和FFT虚部存储器的数据的起始地址start_address=2^N-n+1，当n<0时，起始地址start_address=-n；

（4）进入起始点搜索状态，对于除第1起始点外的其他起始点部分数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，检测并记录所有起始点数据组得到的峰值，最大峰值对应着最佳起始点序号k；

（5）进入正常捕获状态，输入第k起始点的全部数据段进行频域相关运算、差分相干积分和峰值检测，得到的峰值与检测门限比较，如果大于检测门限，说明捕获成功，输出最大峰值及其对应的码相位和载波频率；否则捕获失败。

2.一种基于权利要求1所述高灵敏度卫星导航信号捕获方法的捕获***，其特征在于，包括：

数字下变频模块，用于对输入的卫星中频信号采样数据进行数字下变频操作，获得零中频的卫星采样数据；

平均采样及块累加模块，与所述的数字下变频模块相连，用于对下变频后的零中频卫星信号进行平均采样和块累加操作，获得低采样率的零中频卫星信号数据；具体是：将输入的L毫秒长的数据分成L个1ms的数据块并按照周期段对应叠加；

FFT模块，与所述的平均采样及块累加模块相连，对卫星信号执行快速傅里叶变换，进行码相位频域相关搜索；

圆周移位模块，与所述的FFT模块相连，对卫星信号的FFT输出结果进行多普勒圆周移位，实现对多普勒频移的搜索；所述该模块包括用于根据移位点数产生不同起始点的2^N个地址的圆周移位地址产生器，该圆周移位地址产生器的读写地址产生规则如下：设n为移位的点数，n∈[-10,10]，当n>0时，起始地址start_address=2^N-n+1，当n<0时，起始地址start_address=-n；

复数乘法器模块，与所述的圆周移位模块相连，用于对卫星信号进行相乘解扩；

本地PRN码FFT共轭存储器，与所述的复数乘法器模块相连，用于存储本地PRN码FFT后取共轭的结果；

IFFT模块，与所述的复数乘法器模块相连，用于对复乘结果执行逆向快速傅里叶变换，得到不同码相位的相关结果；

差分相干积分模块，与所述的IFFT模块相连，用于对不同码相位的相关结果进行差分相关能量累加；

峰值检测模块，与所述的差分相干积分模块相连，用于对累加的相关能量峰值进行检测，实现卫星信号捕获及多普勒频移和码相位的输出；

时序控制模块，与所述的数字下变频模块、平均采样及块累加模块、FFT模块、圆周移位模块、本地PRN码FFT共轭存储器、复数乘法器模块、IFFT模块、差分相干积分模块和峰值检测模块相连，时序控制模块是基于捕获流程利用状态机实现，在不同的状态输出不同模块的控制参数，实现对整个***的工作流程以及各个模块的工作状态控制。

3.根据权利要求2所述的一种捕获***，其特征在于，所述数字下变频模块包括：直接数字频率合成器，与圆周移位模块相连，用于根据频率控制产生一定频率的正弦和余弦载波信号作为本地载波；数字混频器，与所述直接数字频率合成器相连，用于实现本地产生的中频载波和输入的卫星中频采样数据混频。

4.根据权利要求3所述的一种捕获***，其特征在于，所述数字混频器按照同相分量和正交分量分为I混频器和Q混频器，I混频器和Q混频器分别与外部输入的卫星中频采样数据混频。

5.根据权利要求3所述的一种捕获***，其特征在于，所述平均采样及块累加模块包括：

数据累加器，与所述的数字混频器相连，用于对输入数据的累加；

2^N地址产生器，与所述的数据累加器相连，产生2^N个地址，供采样数据存储器使用；

采样数据存储器，与所述的数据累加器、2^N地址产生器和FFT模块相连，用于存储平均采样及块累加后的卫星数据；

数据输出开关，与所述的数据累加器和采样数据存储器相连，用于在进行块累加操作时，控制将采样数据存储器读出的上一个周期累加的数据输出到数据累加器中与当前的零中频信号数据进行累加。

6.根据权利要求2所述的一种捕获***，其特征在于，所述圆周移位模块包括：

FFT实部存储器，与所述的FFT模块相连，用于存储FFT输出的实部数据；

FFT虚部存储器，与所述的FFT模块相连，用于存储FFT输出的虚部数据；

圆周移位地址产生器，与所述的FFT实部存储器和FFT虚部存储器相连，用于根据移位点数产生不同起始点的2^N个地址。

7.根据权利要求2所述的一种捕获***，其特征在于，所述差分相干积分模块包括：

差分相干处理模块，与所述IFFT相连，用于对相干结果执行差分相干操作；

相干结果实部存储器，与所述差分相干处理模块相连，用于存储相干结果的实部数据，该实部数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的相干结果实部执行相乘；

相干结果虚部存储器，与所述差分相干处理模块相连，用于存储相干结果的虚部数据，该虚部数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的相干结果虚部执行相乘；

差分相干结果存储器，与所述差分相干处理模块和峰值检测模块相连，用于存储和发送差分相干结果数据，存储数据在下一个差分相干积分周期被读出到差分相干处理模块中和下一个周期的差分相干结果执行累加。

Images