CN105301610A - 一种抗符号跳变的新型gps l5信号快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗符号跳变的新型GPS？L5信号快速捕获方法，该方法在GPS？L5信号的伪码全相位并行搜索过程中，对接收信号和伪码进行补零处理后再进行循环分组，将循环相关操作过程分解为两个小规模的循环次相关过程，从而在消除符号跳变沿对捕获结果影响的同时，降低了计算复杂度，提升了算法效率。该方法可以用于卫星测控终端以及导航接收机在无辅助措施情况下对GPS？L5信号以及类似信号进行快速捕获，解决基码符号跳变而导致捕获性能损失的问题。相对传统的快捕方法，本发明有效降低了计算复杂度，提升了算法效率，而且不会造成相关积分后信噪比的恶化。

Description

一种抗符号跳变的新型GPS L5信号快速捕获方法

技术领域

本发明涉及卫星测控、导航信号捕获技术领域，特别涉及一种抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，用于测控、导航技术领域实现GPSL5信号快捕。

背景技术

在GPS现代化进程，在L5频点上新增发的民用信号，该信号与传统的GPSL1C/A信号相比，具备以下新特征：(1)、发射功率更高，且采用更长的伪码(码长为10230)，得到更好的互相关特性；(2)、采用QPSK调制，增加辅助通道(无调制数据信息)，能够实现长时间积分以提高接收机灵敏度；(3)、增加基码调制(周期为10、20的NH码)，利于数据同步。基码的码元长度等于一个伪码周期，速率远低于伪码速率，与伪码模2相加后，产生一个更长的伪码。基码调制在带来导航性能改善的同时，也增加了信号的捕获难度，搜索空间由二维(频率、伪码相位)变为三维(多普勒频率、伪码相位、基码相位)。其中，基码主要用于捕获弱信号的应用环境(例如室内、森林)，它与多普勒频率共同限制了积分时间长度。在灵敏度要求不高的情况下，GNSS接收机仅利用载波多普勒和伪码相位信息，就能完成信号捕获，同时实现基码的同步。

如果接收机在整个捕获过程中不利用基码信息，在伪码全相位并行搜索(ParallelCode-phaseSearch(PCS))时，由于基码跳变(跳变沿位于相邻周期的伪码中间，也可称之为符号跳变沿)的客观存在，可能使相干积分结果急剧减小，导致算法失效。目前，存在几种不同类型的方法能够克服符号跳变沿影响。

现有技术中一种简单有效的克服符号跳变沿影响的方法：双倍补零+PCS算法；该方法连续采集两个伪码周期的接收信号与等长度的本地信号(由一个周期的本地复制码与一个周期的补零组成)进行循环相关(伪码全相位并行搜索：PCS)，能够有效避免符号跳变沿的影响。该方法的缺点是计算复杂度成倍增加，且效率较低，在循环相关过程中的一半计算量是无用的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，该方法用于卫星测控终端以及导航接收机在无辅助措施情况下对GPSL5信号以及类似信号进行快速捕获，解决了在GPSL5信号的伪码全相位并行搜索中，由基码跳变(跳变沿位于相邻周期的伪码中间，也可称之为符号跳变沿)导致捕获性能损失，相对传统的快捕方法，本发明有效降低了计算复杂度，提升了算法效率。

本发明的上述目的通过以下方案实现：

一种抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，包括如下步骤：

(1)、根据设定的多普勒仓，顺序选择多普勒频率，并根据所述多普勒频率对接收到的GPSL5信号进行下变频，得到GPSL5基带信号；

(2)、采用设定的降采样时钟f_down对步骤(1)得到的GPSL5基带信号进行降采样，得到降采样信号x_d；并利用所述降采样时钟f_down生成本地伪码信号h_c；

(3)、分别对降采样信号x_d和本地伪码信号h_c进行数据块采集和补零操作，得到信号数据集合X和伪码数据集合H，具体实现方法如下：

在降采样信号x_d中采集长度为M的数据块，并在所述数据块后补N₀个0形成长度为N＝M+N₀的信号数据集合X；在本地伪码信号h_c中采集长度为的数据块，并在所述数据块后补个0形成长度为N＝M+N₀的伪码数据集合H；其中，f_code为GPSL5信号的伪码频率，P_{n_len}为GPSL5信号在一个伪码周期内的码片个数；N₀＝min(N₁,N₂)，N₁为整数且l₁为满足条件的最小正奇数；N₂为整数且 $N_2=\frac{4}{3}(2^{l_2}-p)-M,$ l₂、p满足条件 $\left(\frac{4}{3}\right(2^{l_2}-p)-M)\≥0$ 且使得 $\left(\frac{4}{3}\right(2^{l_2}-p)-M)$ 取最小值，l₂为正偶数、p为正整数；

(4)、分别对信号数据集合X和伪码数据集合H进行点分解，得到第一信号分量x₁和第二信号分量x₂，以及第一伪码分量h₁和第二伪码分量h₂，其中： $x_1=\[X\left(1\right),X\left(2\right),...X\left(\frac{3N}{4}\right)\];x_2=\[X\left(\frac{N}{4}+1\right),X\left(\frac{N}{4}+2\right),...X\left(N\right)\];$ $h_1=\[H\left(1\right),H\left(2\right),...,H\left(\frac{N}{4}\right),H\left(\frac{N}{2}+1\right),H\left(\frac{N}{2}+2\right),...,H\left(N\right)\];$ $h_2=\[H\left(\frac{N}{4}+1\right),H\left(\frac{N}{4}+2\right),...,h\left(\frac{N}{2}\right),h\left(\frac{N}{2}+1\right),h\left(\frac{N}{2}+2\right),...,h\left(N\right)\];$

(5)、对第一信号分量x₁和第一伪码分量h₁进行循环相关积分运算，并对第二信号分量x₂和第二伪码分量h₂进行循环相关积分运算，然后将两个次级循环相关积分运算结果相加，作为总循环相关运算结果；

(6)、对步骤(5)得到的总循环相关运算结果进行相关峰检测：如果检测到的相关峰值大于或等于设定的捕获门限，则判断捕获成功，进入步骤(7)；如果检测到的相关峰值小于设定的捕获门限，则判断捕获失败，则调整多普勒频率，返回步骤(1)进行重新捕获；

(7)、根据相关峰检测结果得到信号捕获结果。

上述的抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，在步骤(2)中，f_down>2f_code。

上述的抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，在步骤(3)中，如果N₀＝N₁，则如果N₀＝N₂，则然后在步骤(5)中采用L点FFT处理实现次级循环相关积分运算，具体实现方法如下：

(5a)、分别对第一信号分量x₁、第二信号分量x₂，第一伪码分量h₁和第二伪码分量h₂进行L点FFT处理得到第一信号频域分量X_fft,1、第二信号频域分量X_fft,2、第一伪码频域分量H_fft,1和第二伪码频域分量H_fft,2；

(5b)、将第一信号频域分量X_fft,1与第一伪码频域分量H_fft,1的共轭值相乘得到第一个次级相关结果Y_fft,1＝H_fft,1 ^*·X_fft,1；并将第二信号频域分量X_fft,2与第二伪码频域分量H_fft,2的共轭值相乘得到第二个次级相关结果Y_fft,2＝H_fft,2 ^*·X_fft,2；

(5c)、将第一个运算结果Y_fft,1和第二个运算结果Y_fft,2相加，得到Y＝Y_fft,1+Y_fft,2；

(5d)、对频域运算结果Y进行L点IFFT变换，并取前点作为总循环相关运算结果，用于进行相关峰检测。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)、本发明在GPSL5信号的伪码全相位并行搜索过程中，对接收信号和伪码进行补零处理后再进行循环分组，将循环相关操作过程分解为两个小规模的次级循环相关过程，从而在消除符号跳变沿对捕获结果影响的同时，降低了计算复杂度，提升了算法效率；

(2)、本发明采用的信号和伪码分组方法，简单易实现，而且不涉及近似计算，因此在降低计算量的同时，不会造成相关积分后信噪比的恶化。

附图说明

图1为本发明的一种抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

在GPSL5信号的伪码全相位并行搜索中，由基码跳变导致捕获性能损失，针对该问题本发明提出了一种抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，该方法对接收信号和伪码进行补零处理后再进行循环分组，将循环相关操作过程分解为两个小规模的次级循环相关过程，从而实现信号快捕。其中：补零处理是为了消除符号跳变沿的影响，而循环相关分解可以有效降低捕获的运算量，从而确保了本发明对对符号跳变沿影响免疫，而且与传统伪码全相位并行搜索算方法(PCS)相比，有效降低了计算复杂度，提升了算法效率。

本发明的快速捕获方法原理阐述如下:

用矩阵形式来表示GPSL5信号的伪码全相位并行搜索方法中的循环相关运算，如下：

$y=\stackrel{\‾}{H}x;---\left(2\right)$

式(1)中，h[n]表示为伪码信号，x[n]为下变频后的数据集合，y[n]为循环相关运算结果，式(2)为式(1)的矩阵表达式。

如果对本地伪码进行补零后，公式(1)可以修正为：

首先，仅使用相关器输出的前半段，删除向量y和矩阵的无用行，得到N/2点的截断向量y_T和N/2×N的截断矩阵

$y_T={\stackrel{\‾}{H}}_{T}x---\left(5\right)$

将式(5)进行分解，分解为分解方法为：将中的元素h[n]置为零，其中N/4<n<N/2-1，其余保持不变，得到将中的元素h[n]置为零，其中0<n<N/4-1，其余保持不变，得到即：

不考虑最后一列，矩阵各包含了N/4列的零。将这些全零列移除后，得到矩阵同时移除x对应的行得到向量x₀、x₁。如式(7)所示，y_T是N/2点的向量，是N/2×3N/4的矩阵，x₀、x₁是3N/4点的向量：

最后，从式(7)可知，矩阵的行向量间具有循环特性。因此，通过扩行可以将矩阵转变为循环矩阵。如式(8)所示，对矩阵新增加N/4行：

扩行后，式(7)可以修正为下面的形式：

其中，y_M为点数3N/4的向量，为3N/4×3N/4的循环矩阵，x₀、x₁为点数3N/4的向量。y_M由初始向量y_T中的N/2点，和向量y_D(需要抛弃)的N/4点组成。将公式(9)中的乘法用FFT来代替，最终得到下面的表达式：

$y_M=IFFT\left(\stackrel{\&OverBar;}{FFT\left(h_0\right)}FFT\left(x_0\right)\right)+IFFT\left(\stackrel{\&OverBar;}{FFT\left(h_1\right)}FFT\left(x_1\right)\right)=IFFT\left(\stackrel{\&OverBar;}{FFT\left(h_0\right)}FFT\left(x_0\right)+\stackrel{\&OverBar;}{FFT\left(h_1\right)}FFT\left(x_1\right)\right)---\left(10\right)$

其中：

从上式可得，新算法抛弃的点数由计算输出的一半((N/2)/N)，降低为三分之一((N/4)/(3N/4))。

回顾公(7)，注意到矩阵的最后一列为全零。则将全零行与向量x₀、x₁中的最后一个元素可以被移除而不会影响计算结果。因此，可将修正为(3N/4-1)×(3N/4-1)的循环矩阵，x₀、x₁、y_M为(3N/4-1)的向量，而不影响有用的计算结果y_T，仅仅影响了无用结果y_D(变为(N/4-1)的向量)。进一步，我们也可以在矩阵的末尾列后添加p全零列全零，同时在向量x₀、x₁的末尾添加p个任意元素，从而使信号的次相关长度变为(3N/4+p)。

基于上述方法原理，本发明的抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法流程图如图1所示，该方法的具体实现步骤如下：

(1)、根据设定的多普勒仓，顺序选择多普勒频率，并根据所述多普勒频率对接收到的GPSL5信号进行下变频，得到GPSL5基带信号；

(2)、采用设定的降采样时钟f_down对步骤(1)得到的GPSL5基带信号进行降采样，得到降采样信号x_d；并利用所述降采样时钟f_down生成本地伪码信号h_c。其中，设定f_down>2f_code，在设定该降采样时钟频率是既要满足采样定律，也要充分考虑降低计算资源。

(3)、分别对降采样信号x_d和本地伪码信号h_c进行数据块采集和补零操作，得到信号数据集合X和伪码数据集合H，具体实现方法如下：

在降采样信号x_d中采集长度为M的数据块，并在所述数据块后补N₀个0形成长度为N＝M+N₀的信号数据集合X；在本地伪码信号h_c中采集长度为的数据块，并在所述数据块后补个0形成长度为N＝M+N₀的伪码数据集合H；其中，其中，f_code为GPSL5信号的伪码频率，GPSL5信号在一个伪码周期内的码片个数P_{n_len}＝10230；N₀＝min(N₁,N₂)，N₁为整数且l₁为满足条件的最小正奇数；N₂为整数且 $N_2=\frac{4}{3}(2^{l_2}-p)-M,$ l₂、p满足条件 $\left(\frac{4}{3}\right(2^{l_2}-p)-M)\&GreaterEqual;0$ 且使得 $\left(\frac{4}{3}\right(2^{l_2}-p)-M)$ 取最小值，l₂为正偶数、p为正整数；

(4)、分别对信号数据集合X和伪码数据集合H进行点循环分解，得到第一信号分量x₁和第二信号分量x₂，以及第一伪码分量h₁和第二伪码分量h₂，其中： $x_1=\&lsqb;X\left(1\right),X\left(2\right),...X\left(\frac{3N}{4}\right)\&rsqb;;x_2=\&lsqb;X\left(\frac{N}{4}+1\right),X\left(\frac{N}{4}+2\right),...X\left(N\right)\&rsqb;;$ $h_1=\&lsqb;H\left(1\right),H\left(2\right),...,H\left(\frac{N}{4}\right),H\left(\frac{N}{2}+1\right),H\left(\frac{N}{2}+2\right),...,H\left(N\right)\&rsqb;;$ $h_2=\&lsqb;H\left(\frac{N}{4}+1\right),H\left(\frac{N}{4}+2\right),...,h\left(\frac{N}{2}\right),h\left(\frac{N}{2}+1\right),h\left(\frac{N}{2}+2\right),...,h\left(N\right)\&rsqb;;$

其中， $H(\frac{N}{2}+1)=H(\frac{N}{2}+2)=...=H\left(N\right)=0$

(5)、对第一信号分量x₁和第一伪码分量h₁进行相关积分运算，并对第二信号分量x₂和第二伪码分量h₂进行相关积分运算，然后将两个相关积分运算结果相加，作为总相关运算结果；具体实现方法如下：

(5a)、分别对第一信号分量x₁、第二信号分量x₂，第一伪码分量h₁和第二伪码分量h₂进行L点FFT处理得到第一信号频域分量X_fft,1、第二信号频域分量X_fft,2、第一伪码频域分量H_fft,1和第二伪码频域分量H_fft,2；其中：如果在步骤(3)中N₀＝N₁，则如果在步骤(3)中N₀＝N₂，则

(5b)、将第一信号频域分量X_fft,1与第一伪码频域分量H_fft,1的共轭值相乘得到第一个次级相关运算结果Y_fft,1＝H_fft,1 ^*·X_fft,1；并将第二信号频域分量X_fft,2与第二伪码频域分量H_fft,2的共轭值相乘得到第二个次级相关运算结果Y_fft,2＝H_fft,2 ^*·X_fft,2；

(5c)、将第一个次级相关运算结果Y_fft,1和第二个次级相关运算结果Y_fft,2相加，得到总的频域相关结果Y＝Y_fft,1+Y_fft,2；

(5d)、对频域相关结果Y进行L点IFFT变换，并取前点作为总循环相关运算结果，用于进行相关峰检测。

(6)、对步骤(5)得到的总相关运算结果进行相关峰检测：如果检测到的相关峰值大于或等于设定的捕获门限，则判断捕获成功，进入步骤(7)；如果检测到的相关峰值小于设定的捕获门限，则判断捕获失败，则调整多普勒频率的取值，返回步骤(1)进行重新捕获；

(7)、根据相关峰检测结果得到捕获结果。

本发明可以在消除符号跳变沿影响的同时，降低了计算复杂度，提升算法效率。本实施例在同一降采样频率下，将传统抗符号跳变PCS方法与本发明方法进行计算量对比，对比结果如表1所示。有对比结果可以看出，当降采样频率在20.46MHz～21MHz之间时，本发明方法的FFT点数为传统的PCS算法的一半。考虑到N点FFT需要大约(N/2)log₂(N)次乘法，则传统的PCS算法需要大约为3(N/2)log₂(N)+N次乘法，然而本发明方法仅需要5(N/2)log₂(N)+2N次乘法。例如，当降采样频率为21MHz时，传统PCS的FFT点数为65536，而本发明的FFT点数仅为32768点。由于两个伪码周期长度的采样数据点数为42000，则传统算法需要补零至65536点，而本发明仅仅需要补零至43692点。在这种情况下，本发明的计算量降低至少20％。本发明FFT输出点的后半段数量为16384点，而传统算法FFT输出点的后半段数量为32768点，后半段由于受到符号跳变的影响是无用的，需要抛弃。

因此本发明的无用计算量更少，资源浪费较少。

表1传统PCS算法与本发明的计算量对比结果

(降采样频率＝20.46MHz～21MHz，多普勒搜索频率范围0.54MHz)

本发明方法与传统PCS算法通过FPGA实现后，其资源消耗统计结果如表2所示，其中统计结果参考了XILINXVirtex-4XC4VSX55，统计结果仅为循环相关计算部分。从表2的统计结果可以看出：本发明方法需要更多的资源，但是，由于本发明方法使用的FFT长度减半，FFT处理时间减半，且数据采集时间也相应减少，导致接收机捕获时间低于传统算法的一半。因此，本发明消耗的硬件资源总量约为传统PCS算法的一般(RAM消耗资源减少)，因此本发明方法的效率更高。

表2传统PCS算法与本发明方法的资源消耗统计结果

	Xtreme DSP slices	Block RAM(18Kb Blocks)	Latency(μs)
				传统PCS算法	6	18	2622.488
本发明方法	9	14	1246.168

其中，一个XtremeDSPslices包含有一个18×18乘法器，一个加法器，一个积分累加器。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、根据设定的多普勒仓，顺序选择多普勒频率，并根据所述多普勒频率对接收到的GPSL5信号进行下变频，得到GPSL5基带信号；

(2)、采用设定的降采样时钟f_down对步骤(1)得到的GPSL5基带信号进行降采样，得到降采样信号x_d；并利用所述降采样时钟f_down生成本地伪码信号h_c；

(3)、分别对降采样信号x_d和本地伪码信号h_c进行数据块采集和补零操作，得到信号数据集合X和伪码数据集合H，具体实现方法如下：

在降采样信号x_d中采集长度为M的数据块，并在所述数据块后补N₀个0形成长度为N＝M+N₀的信号数据集合X；在本地伪码信号h_c中采集长度为的数据块，并在所述数据块后补+N₀个0形成长度为N＝M+N₀的伪码数据集合H；其中，f_code为GPSL5信号的伪码频率，P_{n_len}为GPSL5信号在一个伪码周期内的码片个数；N₀＝min(N₁,N₂)，N₁为整数且 $N_1=\frac{4}{3}(2^{l_1}+1)-M,$ l₁为满足条件 $\left(\frac{4}{3}\right(2^{l_1}+1)-M)\&GreaterEqual;0$ 的最小正奇数；N₂为整数且 $N_2=\frac{4}{3}(2^{l_2}-p)-M,$ l₂、p满足条件 $\left(\frac{4}{3}\right(2^{l_2}-p)-M)\&GreaterEqual;0$ 且使得取最小值，l₂为正偶数、p为正整数；

(4)、分别对信号数据集合X和伪码数据集合H进行点分解，得到第一信号分量x₁和第二信号分量x₂，以及第一伪码分量h₁和第二伪码分量h₂，其中： $\begin{array}{cc}{x}_1=\&lsqb;X\left(1\right),X\left(2\right),...X\left(\frac{3N}{4}\right)\&rsqb;;& x_2=\&lsqb;X(\frac{N}{4}+1),X(\frac{N}{4}+2),...X\left(N\right)\&rsqb;\end{array};$

$h_1=\&lsqb;H\left(1\right),H\left(2\right),...,H\left(\frac{N}{4}\right),H(\frac{N}{2}+1),H(\frac{N}{2}+2),...,H\left(N\right)\&rsqb;;$

$h_2=\&lsqb;H(\frac{N}{4}+1),H(\frac{N}{4}+2),...,h\left(\frac{N}{2}\right),h(\frac{N}{2}+1),h(\frac{N}{2}+2),...,h\left(N\right)\&rsqb;;$

(5)、对第一信号分量x₁和第一伪码分量h₁进行循环相关积分运算，并对第二信号分量x₂和第二伪码分量h₂进行循环相关积分运算，然后将两个次级循环相关积分运算结果相加，作为总循环相关运算结果；

(6)、对步骤(5)得到的总循环相关运算结果进行相关峰检测：如果检测到的相关峰值大于或等于设定的捕获门限，则判断捕获成功，进入步骤(7)；如果检测到的相关峰值小于设定的捕获门限，则判断捕获失败，则调整多普勒频率，返回步骤(1)进行重新捕获；

(7)、根据相关峰检测结果得到信号捕获结果。

2.根据权利要求1所述的一种抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，其特征在于：在步骤(2)中，f_down>2f_code。

3.根据权利要求1所述的一种抗符号跳变的新型GPSL5信号快速捕获方法，其特征在于：在步骤(3)中，如果N₀＝N₁，则如果N₀＝N₂，则然后在步骤(5)中采用L点FFT处理实现次级循环相关积分运算，具体实现方法如下：

(5a)、分别对第一信号分量x₁、第二信号分量x₂，第一伪码分量h₁和第二伪码分量h₂进行L点FFT处理得到第一信号频域分量X_fft,1、第二信号频域分量X_fft,2、第一伪码频域分量H_fft,1和第二伪码频域分量H_fft,2；

(5b)、将第一信号频域分量X_fft,1与第一伪码频域分量H_fft,1的共轭值相乘得到第一个次级相关结果Y_fft,1＝H_fft,1 ^*·X_fft,1；并将第二信号频域分量X_fft,2与第二伪码频域分量H_fft,2的共轭值相乘得到第二个次级相关结果Y_fft,2＝H_fft,2 ^*·X_fft,2；

(5c)、将第一个运算结果Y_fft,1和第二个运算结果Y_fft,2相加，得到Y＝Y_fft,1+Y_fft,2；

(5d)、对频域运算结果Y进行L点IFFT变换，并取前点作为总循环相关运算结果，用于进行相关峰检测。