CN103605141A - 一种用于gnss码的快速捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其主要是预先设置码相位偏移门限和载频偏移门限，将卫星信号中的GNSS长码与具有不同码相位偏移的本地伪码信号进行相关处理，接收机对相关结果进行一维搜索，并与码相位偏移门限进行比较，得到码相位偏移，确定卫星的存在性；然后再进行一维的载波频率搜索，并与载频偏于门限进行比较，得到载频偏移，完成信号的快速捕获。本发明的用于GNSS长码的快速捕获算法，克服了长码捕获时本地晶振带来的频率偏移累计，兼顾灵敏度和速度来完成长码信号的快速捕获，而且不需要大量的硬件资源。

Description

一种用于GNSS码的快速捕获方法
技术领域
本发明涉及卫星信号的快速捕获方法，尤其涉及一种针对GNSS（GlobalNavigation Satellite System）信号中长周期伪码的快速捕获方法。
背景技术
目前围绕着GPS现代化进程的焦点，就是新增加的导航信号。L2C是GPS现代化后首个新结构的民用导航信号，目前已经有9颗在轨卫星，并且到2016年，会实现全网运行。
L2C与L1信号有着不同的信号结构，它由两个信号由两种长码CL和短码CM组成，其中CL码是导航通道码，上面没有调制导航电文，CM码是数据通道码，上有调制导航电文，受到电文bit跳变的限制。
CM码由10230个码片组成，而CL码由10230*75个码片组成，CM码周期为20ms,而CL码周期为1.5s，因此相关时间的增加，使得跟踪灵敏度有很大的提高；CL/CM的码率为511.5KHz,是C/A码码速率的一半，由于采用了FEC（前向纠错）技术，带宽也为2.046MHz,而且CM码与CL码的发射功率相同，各占总功率的50%。L2C信号的结构如图1。
尽管L2C信号的功率要比L1C/A信号的功率低1.5dB，但是，L2C信号还是在出现之初就引起研究者的关注。一方面，L2C信号能和L1C/A信号联合使用来克服电离层引起的误差；另一方面，L2C信号具有导频信号信道，适合长时间的相干累积处理，并且数据信道中周期为20ms的CM码和导航数据比特翻转同步。
L2C的长码CL信号是通过时分复用而成，并且没有调制电文，适合进行长时间的相干积分，这些特殊的信号结构，使得L2C能够在室内，以及信号环境较差的条件下实现捕获。在一般条件下，不直接捕获CL信号，而是先通过捕获CM信号，然后利用CM与CL之间的相位关系，再捕获CL信号。但在C/A信号不存在，或者无法辅助捕获的条件下，需要直接捕获L2C信号，由于最短的CM码20ms的码周期，按照普通的C/A码捕获算法，需要大量的计算时间和硬件资源。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于GNSS长码的快速捕获算法，以克服长码在捕获时，本地晶振所带来的频率偏移累计，并且兼顾了灵敏度和速度，而且不需要大量的硬件资源。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，从卫星发出的信号经过非常长的距离达到地面，接收机接收到这种信号，并且解析出其中的数据，得到用于定位的伪距测量值以及时间值。整个过程中，各种伪码减少噪声以及干扰对信号的破坏。每一颗卫星都会对应其独特的伪码序列，以防止彼此卫星间的干扰，这种干扰称为码的互相关干扰。而相同的伪码，只有当码相位与码频率一致时，有最好的相关性，利用这个特性，本发明提供了一种用于GNSS长码的快速捕获方法，使得接收机可以时刻接收到卫星信号，并且在运动过程中，保持与这种信号的同步性。
同时，中频信号经过载波NCO混频，剥离载波，输出的信号中带有多普勒频偏，包括本地晶振不稳定带来的频偏。然后信号与本地码产生器产生的两种伪码进行相关后，进行一段时间的积分累加处理，降低噪声。由于L2C码中最短的CM码是GPS C/A码周期的20倍，因此在进行相关积分的过程中，需要考虑本地晶振带来的频偏的影响。因此，本发明的快速捕获方法在积分累加之后，将两路信号作共轭相乘运算，消除一部分频偏，使得预相干积分的频率搜索槽变大，频域捕获速度加快。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其特征在于，包括：
步骤一，初始化相关数据：设置码相位偏移门限和载波频偏门限；
步骤二，确定卫星信号中GNSS长码的码相位偏移：通过对本地伪码信号进行相位滑动，不同码相位偏差下的本地伪码信号与GNSS长码进行处理，对处理后的相关值与所述码相位偏移门限进行比较，大于所述码相位偏移门限的就是所述码相位偏移；
步骤三，确定所述卫星信号的载波频偏：对载波频率进行调整，以不同的载波频率进行相关处理，对处理后的相关值与所述载波频偏门限比较，得到所述载波频偏。
进一步地，所述步骤一中，初始化相关数据还包括：设置伪码卫星号、设置载波频率、设定伪码周期、设置相干积分时间、设置非相关积分的次数和共轭相乘的延时时间。
进一步地，所述步骤二中，包括：
步骤（101）本地伪码相位滑动，得到具有不同码相位偏移的所述本地伪码；
步骤（102）相关运算：包括多个相关运算通道，每一个所述相关运算通道，所述本地伪码的相位都保持固定的偏差；所述卫星信号中GNSS长码在每一个所述相关运算通道中进行相关运算；
步骤（107）相关累加：包括相干积分和非相关积分；
步骤（108）互差分；
步骤（109）非相干积分：与所述步骤（107）相关累加相同；
步骤（110）所述码相位偏移判定：步骤（109）计算得到的相关值与所述码相位偏移门限进行比较，大于所述码相位偏移门限的，当前码相位偏移值是所述码相位偏移值，并跳转至步骤三中；小于所述码相位偏移门限的，则重新跳转回步骤（101）中，重新进行所述码相位偏移的判定。
进一步地，所述步骤（102）中的所述相关运算包括：去载波运算、伪码相关运算和共轭相乘运算。
进一步地，每一个所述相关运算通道是彼此独立，且并行处理的。
进一步地，所述步骤三，确定信号的载波频偏中，包括：
步骤（111）载波频偏调整：在载波内对载波频率进行调整设置；
步骤（116）相关运算：包括多个相关运算通道；每一个所述相关通道，所述载波频率都保持固定的偏差；不同的所述相关运算通道，以不同的所述载波频率进行相关，得到不同频率段内的相关值；
步骤（117）所述载波频偏判定：对所述步骤（116）中得到的相关值与载波频偏门限进行比较：相关值小于所述载波频偏门限，跳转回所述步骤（111）；相关值大于所述载波频偏门限，当前载波频率偏移值就是所述载波频偏。
进一步地，每一个所述相关运算通道是彼此独立，且并行处理的。
进一步地，所述捕获方法还包括对所述卫星信号中GNSS长码先进行折叠处理，然后再按照所述步骤一、所述步骤二和所述步骤三进行快速捕获。
在本发明的一个较佳实施例中，对所述卫星信号中GNSS长码的所述组合处理是折叠处理。
本发明的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，通过对码相位偏移和载频偏移的确定，以完成对长码信号的快速捕获。使用本发明的捕获方法，卫星接收机只要对相关结果进行一维搜索，找到码相位。然后只要确定卫星的存在性后，再进行一维的频率搜索就完成二维搜索过程，相对于传统的二维搜索过程极大的减少了搜索时间。结果中不含导航电文比特，可以进行长时间的相干积分。同时，共轭相乘去除了接收载波与复制载波之间的频差，避免了传统的相关器中引入的3dB损耗。
本发明的一种用于GNSS长码的快速捕获算法，克服了长码捕获时，本地晶振带来的频率偏移累计，兼顾灵敏度和速度来完成长码信号的快速捕获，而且不需要大量的硬件资源。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是GPS L2C信号的结构示意图；
图2是本发明的一种GNSS长码的快速捕获方法的流程图；
图3是本发明的一种GNSS长码的快速捕获方法的确定码相位偏移的结构图；
图4是卫星信号中GNSS长码的折叠码的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的一种GNSS长码的快速捕获算法具体如图2所示，包括：
步骤一初始化100，主要包括：配置伪码卫星号、设置载波频率、设定伪码周期、设置相干积分的时间以及非相关积分的次数、设置码相位频偏门限、载波频偏门限、共轭相乘的延时时间以及各个相关运算通道和通道码的相位偏移量。
步骤二，确定卫星信号中GNSS长码的码相位偏移。其主要包括：
步骤101本地伪码相位滑动：在码相位搜索过程中，不断滑动本地伪码的码相位，保证本地伪码信号与卫星信号中GNSS长码的同步性，从而剥离伪码调制，得到电文数据。
步骤102相关运算：在本发明的相关运算中包括了很多个相关运算通道，各个相关运算通道之间彼此独立，并行处理。对于每一个相关通道，本地伪码的相位都保持固定的偏差，使其可以极大的加快码相位的搜索速度。每个相关运算通道的相关运算包括：去载波运算、伪码相关运算、和共轭相乘运算。在本步骤中，对运算的速度要求很高，所以一般考虑使用多进程，或者FPGA（Field－ProgrammableGate Array）、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）来实现。在本实施例中，相关运算通道为4个，分别是：103、104、105和106。
步骤107相关累加：主要是通过信号的相干积分和非相关积分，提高相关增益，在弱信号下，可以增加相干积分时间，来提高弱环境中信号的捕获灵敏度。
步骤108互差分：主要是通过对两路两个积分值进行一次共轭相乘，消除载波频偏。
步骤109非相干积分：步骤107相关累加一样，主要是通过信号的非相关积分，提高相关增益，在弱信号下，可以增加相干积分时间，来提高弱环境中信号的捕获灵敏度。
步骤110码相位偏移判定：将步骤109计算得到的相关值与码相位偏移门限进行比较，如果大于码相位偏移门限，可以认为得到了码相位偏移值，跳转至步骤三中；如果小于码相位偏移门限，则重新跳转回步骤101中，继续滑动本地伪码相位，进行搜索。门限太大或者太小，会导致漏警率以及漏警率提高，需要合理的设置门限大小。
步骤三，确定载波频偏，主要包括如下步骤：
步骤111载波频偏调整：在载波内对载波频率进行调整设置。
步骤116相关运算，得到相关值。其中，相关运算中包括了很多个相关运算通道，各个相关运算通道之间彼此独立，并行处理。对于每一个相关通道，载波频率都保持固定的偏差。在本实施例中，每个相关运算通道112113114115的载波频率都有固定的偏差。不同的相关运算通道，以不同载波频率进行相关，可以很快的得到不同频率段内的相关值。
步骤117载波频偏判定：步骤116中得到的相关值与载波频偏门限进行比较，若相关值小于载波频偏门限，则跳转回步骤111，继续调整载波频率，直到得到频率偏移值；若相关值大于载波频偏门限时，认为当前载波频率偏移值就是载波频偏，完成捕获过程。
图3给出了本发明的快速捕获方法的确定码相位偏移的一个结构图。如图3所示，中频信号IF301，经过载波数字振荡器NCO（numerical controlled oscillator）302混频后，剥离载波；剥离后的信号包含了伪码信号、电文比特、卫星相对接收机移动带来的多普勒频偏、以及接收机本身晶振不稳定带来的频偏。为了进一步得到电文比特，需要与码产生器303产生的伪码信号进行相关处理。为了提高增益，需要进行一段时间的积分累加处理，降低噪声带来影响，捕获过程就是鉴别将本地信号伪码与卫星发射到接收机段时的伪码以及频率之间的偏差，然后同步两个伪码，就可以消除GNSS信号中的伪码调制，得到电文数据。由于GNSS长码的周期是常见的伪码（比如GPS C/A码的码片长度是1023个码片）的几十倍甚至是几百倍。对这种长码信号进行捕获时，会消耗非常多的时间。本发明针对长码信号采用了两路相关信号，在多出的一路信号中，对短码信号也进行了相关处理，可以在后面提供可差分的变量值，同时也充分利用了短码信号的能量，提高了灵敏度。两路相关信号，分别经过延时器304、305延时后与相关信号进行共轭相乘306、307，得到自差分信号，经过自差分后的信号可以认为是一个新的伪码，然后再进行相干积分308、309，相干积分可以提高相关增益值，消除部分差分带来的噪声。相干积分后的信号再一次共轭相乘310，得到新伪码的相关结果，相关结果中已经剥离了载波以及剥离频偏带来的影响。最后进行非相关积分后311，就可以得到码相位域内的相关结果，滑动码相位，得到相关值的最大值，就可以确定码相位偏移。
为了捕获卫星的信号，只需要确定卫星的存在性后，再对频域内进行搜索就可以确定频偏值。
图1给出了GNSS信号中，伪码长度较长的L2C码的码结构图。它的电文数据，调制在短码CM上，短码CM有10230个码片，长码CL码有10230*75个码片，两种码通过时分复用的方式交织在一起，交织完后，每个码片的长度缩小为一半，功率也减少一半，相当于下降了3dBm,它与其他的GNSS信号的区别只在于它的伪码长度增加了，因此，捕获速度变慢主要出现在码域内，通过组合两种码，然后再按照前面提到的步骤一、步骤二和步骤三来进行卫星信号中GNSS长码的快速捕获，这样既可以加快捕获时间，又可以充分利用信号功率，提高捕获灵敏度。在本实施例中，为了加快码相位的搜索速度，利用了折叠码来减少搜索时间。折叠码的形式如图4所示，图中以L2C的CM码为例，将码对折后形成新的码信号，新的码信号，长度只有原来的一半，可以加快一倍的捕获速度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其特征在于，包括：
步骤一，初始化相关数据：设置码相位偏移门限和载波频偏门限；
步骤二，确定卫星信号中GNSS长码的码相位偏移：通过对本地伪码信号进行相位滑动，不同码相位偏差下的本地伪码信号与所述GNSS长码进行处理，对处理后的相关值与所述码相位偏移门限进行比较，大于所述码相位偏移门限的就是所述码相位偏移；
步骤三，确定所述卫星信号的载波频偏：对载波频率进行调整，以不同的载波频率进行相关处理，对处理后的相关值与所述载波频偏门限比较，得到所述载波频偏。
2.如权利要求1所述的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其中，所述步骤一中，初始化相关数据还包括：设置伪码卫星号、设置载波频率、设定伪码周期、设置相干积分时间、设置非相关积分的次数和共轭相乘的延时时间。
3.如权利要求1所述的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其中，所述步骤二中，包括：
步骤（101）本地伪码相位滑动，得到具有不同码相位偏移的所述本地伪码；
步骤（102）相关运算：包括多个相关运算通道，每一个所述相关运算通道，所述本地伪码的相位都保持固定的偏差；所述卫星信号中GNSS长码在每一个所述相关运算通道中进行相关运算；
步骤（107）相关累加：包括相干积分和非相关积分；
步骤（108）互差分；
步骤（109）非相干积分：与所述步骤（107）相关累加相同；
步骤（110）所述码相位偏移判定：步骤（109）计算得到的相关值与所述码相位偏移门限进行比较，大于所述码相位偏移门限的，当前码相位偏移值是所述码相位偏移值，并跳转至步骤三中；小于所述码相位偏移门限的，则重新跳转回步骤（101）中，重新进行所述码相位偏移的判定。
4.如权利要求3所述的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其中，所述步骤（102）中的所述相关运算包括：去载波运算、伪码相关运算和共轭相乘运算。
5.如权利要求3所述的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其中，每一个所述相关运算通道是彼此独立，且并行处理的。
6.如权利要求1所述的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其中，所述步骤三，确定信号的载波频偏，包括：
步骤（111）载波频偏调整：在载波内对载波频率进行调整设置；
步骤（116）相关运算：包括多个相关运算通道；每一个所述相关通道，所述载波频率都保持固定的偏差；不同的所述相关运算通道，以不同的所述载波频率进行相关，得到不同频率段内的相关值；
步骤（117）所述载波频偏判定：对所述步骤（116）中得到的相关值与载波频偏门限进行比较：相关值小于所述载波频偏门限，跳转回所述步骤（111）；相关值大于所述载波频偏门限，当前载波频率偏移值就是所述载波频偏。
7.如权利要求6所述的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其中，每一个所述相关运算通道是彼此独立，且并行处理的。
8.如权利要求1所述的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其中，所述捕获方法还包括对所述卫星信号中GNSS长码先进行组合处理，然后再按照所述步骤一、所述步骤二和所述步骤三进行快速捕获。
9.如权利要求8所述的一种用于GNSS长码的快速捕获方法，其中，对所述卫星信号中GNSS长码的所述组合处理是折叠处理。
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