CN108061909A - 一种gnss卫星信号的捕获方法、装置及卫星导航接收机 - Google Patents

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CN108061909A CN201711182343.4A CN201711182343A CN108061909A CN 108061909 A CN108061909 A CN 108061909A CN 201711182343 A CN201711182343 A CN 201711182343A CN 108061909 A CN108061909 A CN 108061909A
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Abstract

本发明适用于卫星定位与导航领域，提供了一种GNSS卫星信号的捕获方法、装置及卫星导航接收机。所述方法包括：控制输出存储了进行2N点FFT的结果的第一存储单元的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元的数据。即通过控制地址从而控制读取数据的移动，进而实现搜索频点的移动。因此本发明避免了大量FFT运算，提高了捕获效率，缩短捕获时间。

Description

一种GNSS卫星信号的捕获方法、装置及卫星导航接收机
技术领域
本发明属于卫星定位与导航领域，尤其涉及一种GNSS卫星信号的捕获方法、装置及卫星导航接收机。
背景技术
目前，全球导航卫星***(Global Navigation Satellite System，GNSS)包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo***、中国的北斗导航***(BDS)，GNSS旨在全天候地为用户提供卫星导航定位服务。
以GPS***为例，该***的基本组成包括：空间段、地面控制段和用户段，首先空间段的各颗卫星向地面控制段发射导航信号；然后，地面控制段通过接收、测量各个卫星信号，进而确定卫星的运行轨道，并将卫星的运行轨道信息上传给卫星，让其在所发射的信号上播发这些卫星的轨道信息，最后用户段通过卫星导航接收机测量各颗可见卫星的信号，最后解算卫星导航接收机所处的位置、速度和时间等信息。
由于频段资源有限，GNSS卫星信号利用具有高度自相关性的伪随机码(PRN)实现码分复用(CMDA)，从而达到不同卫星在同一频点发送导航信息的目的，另外通过PRN携带的时间信息可以计算出卫星与卫星导航接收机之间的几何距离，这是实现卫星单点定位的必要条件，故此类伪随机码也被称为测距码(后文称测距码)。测距码1毫秒重复一次，卫星信号的捕获过程就是卫星导航接收机通过本地复制的测距码与接收到的卫星信号进行相关处理，即遍历各种码相位直至找出相关峰值所在处的过程。
同时由于卫星和卫星导航接收机的相对运动，在卫星导航接收机接收到的载波频率与卫星发射的频率之间有偏差，即多普勒频偏。如果频偏过大，会给测距码的相关计算带来与频率误差呈正相关的损耗，进而导致无法获得相关运算峰值，即无法确定正确的码相位。
综上所述，在卫星信号捕获阶段确定多普勒频偏和码相位是卫星定位导航的关键。然而，现有技术在卫星信号捕获过程中FFT操作耗费大量硬件资源和时间资源，卫星捕获的效率低，捕获时间长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GNSS卫星信号的捕获方法、装置、可读存储介质及卫星导航接收机，旨在解决现有技术在卫星信号捕获过程中FFT操作耗费大量硬件资源和时间资源，卫星捕获的效率低，捕获时间长的问题。
第一方面，本发明提供了一种GNSS卫星信号的捕获方法，所述方法包括：
S101、根据本地中频对中频离散数据进行混频，所述中频离散数据是以采样频率对下变频后的导航信号进行采样得到的，所述本地中频是叠加上多普勒频偏后的中频频率；
S102、将混频后得到的数据进行降采样；
S103、对经降采样后的数据进行2N进行4096点FFT，结果存储在第一存储单元中，其中，N是大于或等于12的自然数；
S104、根据从第一存储单元读取的数据进行并行码相位搜索；
S105、判断是否捕获成功，如果是，则结束对当前卫星的搜索，并通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位，否则执行S106；
S106、判断读取地址是否左循环移位预设次数和/或右循环移位预设次数，如果是，则执行S107，否则执行S108；
S107、判断是否已经遍历多普勒所有步进，是则结束对当前卫星的搜索，否则增加多普勒步进，然后返回S101；
S108、控制输出第一存储单元的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元的数据，然后返回S104。
第二方面，本发明提供了一种GNSS卫星信号的捕获装置，所述装置包括：
混频模块，用于根据本地中频对中频离散数据进行混频，所述中频离散数据是以采样频率对下变频后的导航信号进行采样得到的，所述本地中频是叠加上多普勒频偏后的中频频率；
降采样模块，用于将混频后得到的数据进行降采样；
FFT模块，用于对经降采样后的数据进行2N点FFT，结果存储在第一存储单元中，其中，N是大于或等于12的自然数；
搜索模块，用于根据从第一存储单元读取的数据进行并行码相位搜索；
捕获判断模块，用于判断是否捕获成功，如果是，则结束对当前卫星的搜索，并通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位，否则由移位判断模块执行步骤；
移位判断模块，用于判断读取地址是否左循环移位预设次数和/或右循环移位预设次数，如果是，则遍历判断模块执行步骤，否则由输出模块执行步骤；
遍历判断模块，用于判断是否已经遍历多普勒所有步进，是则结束对当前卫星的搜索，否则增加多普勒步进，然后返回混频模块执行步骤；
输出模块，用于控制输出第一存储单元的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元的数据，然后返回搜索模块执行步骤。
第三方面，本发明提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的GNSS卫星信号的捕获方法的步骤。
第四方面，本发明提供了一种卫星导航接收机，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的GNSS卫星信号的捕获方法的步骤。
在本发明中，由于控制输出存储了进行2N点FFT的结果的第一存储单元的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元的数据。即通过控制地址从而控制读取数据的移动，进而实现搜索频点的移动。从而避免大量FFT运算，提高了捕获效率，缩短捕获时间。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的GNSS卫星信号的捕获方法流程图。
图2示出了当多普勒步长设置为0.2KHz，频率搜索范围为[-2KHz,3KHz)时的频率覆盖情况。
图3是本发明实施例二提供的GNSS卫星信号的捕获装置的功能模块框图。
图4是本发明实施例四提供的卫星导航接收机的具体结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
请参阅图1，本发明实施例一提供的GNSS卫星信号的捕获方法，所述方法包括以下步骤：需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的GNSS卫星信号的捕获方法并不以图1所示的流程顺序为限。
S101、根据本地中频对中频离散数据进行混频，所述中频离散数据是以采样频率对下变频后的导航信号进行采样得到的，所述本地中频是叠加上多普勒频偏后的中频频率fIF。
其中，多普勒频偏为n*fstep，n是整数，首次搜索时n＝0，fstep是多普勒频率步长，多普勒频率步长由卫星类型和启动方式决定。对于GPS卫星，fstep为0.2KHz。
S102、将根据本地中频对中频离散数据进行混频后得到的数据进行降采样。
当N等于12时，所述S102具体是：将根据本地中频对中频离散数据进行混频后得到的数据以半码片或整码片为单位进行累加。
当N等于13时，所述S102具体是：
将根据本地中频对中频离散数据进行混频后得到的数据以1/4码片或半码片为单位进行累加。
在本发明实施例一中，为了提高信噪比，增加捕获灵敏度，S102之后，所述方法还可以包括：
对经降采样后的数据进行相干积分。具体是：经过10毫秒相干积分得到1毫秒的码片数据。
对于GPS信号，因为GPS信号的码速率为1023码片/毫秒，故1毫秒的码片数据是2046个半码片数据。
对于BDS-NGEO(北斗非地球同步轨道卫星)信号，因为BDS-NGEO信号的码速率为2046码片/毫秒，故1毫秒的码片数据是是2046个整码片数据。且在所述对经降采样后的数据进行相干积分之前还包括剥离NH码的步骤。
S103、对经降采样后的数据进行2N点FFT，结果存储在第一存储单元M0中，其中，N是大于或等于12的自然数。
在本发明实施例一中，对于GPS信号，S103具体为：
将对经降采样后的数据进行相干积分得到的2046个半码片数据补2050个零，然后进行4096点FFT，结果存储在第一存储单元M0中。
对于BDS-NGEO信号，S103具体为：
将对经降采样且剥离NH码之后的数据进行相干积分得到的4092个整码片数据补4个零，然后进行4096点FFT，结果存储在第一存储单元M0中。
S104、根据从第一存储单元读取的数据进行并行码相位搜索。
在本发明实施例一中，当N等于12时，对于GPS信号，S104具体包括以下步骤：
本地测距码生成器根据当前卫星编号生成2毫秒以半码片为单位的4092个数据，并补4个零，然后进行4096点FFT，结果存储在第二存储单元M1中；
分别将从第一存储单元M0读取并取共轭的数据和从第二存储单元M1中读取的数据做乘法，然后进行4096点IFFT，并取模值；
对取模值获得的结果进行峰值检测，当峰值检测成功，则得到码相位。
当N等于12时，对于BDS-NGEO信号，S104具体包括以下步骤：
本地测距码生成器根据当前卫星编号生成2毫秒以整码片为单位的4092个数据，并补4个零，然后进行4096点FFT，结果存储在第二存储单元M1中；
分别将从第一存储单元M0读取并取共轭的数据和从第二存储单元M1中读取的数据做乘法，然后进行4096点IFFT，并取模值；
对取模值获得的结果进行峰值检测，当峰值检测成功，则得到码相位。
S105、判断是否捕获成功，如果是，则结束对当前卫星的搜索，并通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位，否则执行S106。
在本发明实施例一中，所述判断是否捕获成功具体是：判断是否通过峰值检测，是则得到码相位以及相应的频点，并认为捕获成功。
当N等于12时，对于GPS信号，所述通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到的是精度为半码片的码相位。
对于BDS-NGEO信号，所述通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到的是精度为整码片的码相位为P1。
通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到精度为整码片的码相位P1之后，所述方法还可以包括：
重复执行S102至S105，且在对同一组数据进行降采样时，先对根据本地中频对中频离散数据进行混频后得到的数据整体左移半码片尾部补零后进行整码片相加，得到1毫秒整码片数据，然后再对同一组数据进行降采样；
执行S105后得到整码片精度的码相位P2，将P1和P2相加，将相加的结果作为最终的半码片精度码相位P。
当N等于13时，
对于GPS信号，所述通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到的是精度为1/4码片的码相位；
对于BDS-NGEO信号，所述通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到的是精度为半码片的码相位。
S106、判断读取地址是否左循环移位预设次数和/或右循环移位预设次数(M次)，如果是，则执行S107，否则执行S108。
左移次数和右移次数决定频率捕获范围，如左移、右移各M次，则频率搜索范围为[-M，M+1)KHZ。
对于GPS信号，M等于2。
S107、判断是否已经遍历多普勒所有步进，是则结束对当前卫星的搜索，否则增加多普勒步进，然后返回S101。
所述增加多普勒步进具体为：设置n＝n+1。
所述判断是否已经遍历多普勒所有步进具体是：
判断n是否大于1Khz/fstep-1。对于GPS信号，判断n是否大于4。
S108、控制输出第一存储单元M0的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元M0中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元M0的数据，然后返回S104。
对于GPS信号，左移两个数据等效于搜索频率整体向左搬移1KHz，左移四个数据等效于搜索频率整体向左搬移2KHz，以此类推，右移同理可得。
请参阅图2，示出了当多普勒步长设置为0.2KHz，频率搜索范围为[-2KHz,3KHz)时的频率覆盖情况。由图可知，第一次搜索频点设置为0，通过对频域内数据左右各移动两次，总共完成对-2KHz、-1KHz、0KHz、1KHz和2KHz频点的搜索；第二次搜索频点设置为0.2KHz，通过对频域内数据左右各移动两次，总共完成对-1.8KHz、-0.8KHz、0.2KHz、1.2KHz和2.2KHz频点的搜索；第三次搜索频点设置为0.4KHZ，通过对频域内数据左右各移动两次，总共完成对-1.6KHz、-0.6KHz、0.4KHz、1.4KHz和2.4KHz频点的搜索；第四次搜索频点设置为0.6KHz，通过对频域内数据左右各移动两次，总共完成对-1.4KHz、-0.4KHz、0.6KHz、1.6KHz和2.6KHz频点的搜索；第五次搜索频点设置为0.8KHz，通过对频域内数据左右各移动两次，总共完成对-1.2KHz、-0.2KHz、0.8KHz、1.8KHz和2.8Khz频点的搜索。通过上述的方法，对剥离载波后的数据总共进行5次4096FFT操作。如果采用传统的方式一个频点做一次FFT，同样的搜索范围需要完成20次4096FFT操作。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种GNSS卫星信号的捕获装置，所述装置包括：
混频模块11，用于根据本地中频对中频离散数据进行混频，所述中频离散数据是以采样频率对下变频后的导航信号进行采样得到的，所述本地中频是叠加上多普勒频偏后的中频频率；
降采样模块12，用于将混频后得到的数据进行降采样；
FFT模块13，用于对经降采样后的数据进行2N点FFT，结果存储在第一存储单元中，其中，N是大于或等于12的自然数；
搜索模块14，用于根据从第一存储单元读取的数据进行并行码相位搜索；
捕获判断模块15，用于判断是否捕获成功，如果是，则结束对当前卫星的搜索，并由码相位确定模块执行步骤，否则由移位判断模块执行步骤；
码相位确定模块16，用于通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位；
移位判断模块17，用于判断读取地址是否左循环移位预设次数和/或右循环移位预设次数，如果是，则遍历判断模块执行步骤，否则由输出模块执行步骤；
遍历判断模块18，用于判断是否已经遍历多普勒所有步进，是则结束对当前卫星的搜索，否则增加多普勒步进，然后返回混频模块执行步骤；
输出模块19，用于控制输出第一存储单元的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元的数据，然后返回搜索模块执行步骤。
本发明实施例一提供的GNSS卫星信号的捕获方法跟本发明实施例二提供了一种GNSS卫星信号的捕获装置属于同一构思，其具体实现过程详见说明书全文，此处不再赘述。
实施例三：
本发明实施例三还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例一提供的GNSS卫星信号的捕获方法的步骤。
实施例四：
图3示出了本发明实施例四提供的卫星导航接收机的具体结构框图，一种卫星导航接收机100，包括：一个或多个处理器101；存储器102；以及一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器102中，并且被配置成由所述一个或多个处理器101执行，所述处理器101执行所述计算机程序时实现如本发明实施例一提供的GNSS卫星信号的捕获方法的步骤。
在本发明实施例中，由于控制输出存储了进行2N点FFT的结果的第一存储单元的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元的数据。即通过控制地址从而控制读取数据的移动，进而实现搜索频点的移动。从而避免大量FFT运算，提高了捕获效率，缩短捕获时间。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GNSS卫星信号的捕获方法，其特征在于，所述方法包括：
S101、根据本地中频对中频离散数据进行混频，所述中频离散数据是以采样频率对下变频后的导航信号进行采样得到的，所述本地中频是叠加上多普勒频偏后的中频频率；
S102、将混频后得到的数据进行降采样；
S103、对经降采样后的数据进行2N点FFT，结果存储在第一存储单元中，其中，N是大于或等于12的自然数；
S104、根据从第一存储单元读取的数据进行并行码相位搜索；
S105、判断是否捕获成功，如果是，则结束对当前卫星的搜索，并通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位，否则执行S106；
S106、判断读取地址是否左循环移位预设次数和/或右循环移位预设次数，如果是，则执行S107，否则执行S108；
S107、判断是否已经遍历多普勒所有步进，是则结束对当前卫星的搜索，否则增加多普勒步进，然后返回S101；
S108、控制输出第一存储单元的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元的数据，然后返回S104。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多普勒频偏为n*fstep，其中，n是整数，首次搜索时n＝0，fstep是多普勒频率步长，多普勒频率步长由卫星类型和启动方式决定。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当N等于12时，所述S102具体是：
将根据本地中频对中频离散数据进行混频后得到的数据以半码片或整码片为单位进行累加；
当N等于13时，所述S102具体是：
将根据本地中频对中频离散数据进行混频后得到的数据以1/4码片或半码片为单位进行累加。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S102之后，所述方法还包括：对经降采样后的数据进行相干积分。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对于BDS-NGEO信号，在所述对经降采样后的数据进行相干积分之前还包括剥离NH码的步骤。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当N等于12时，对于GPS信号，S104具体包括以下步骤：
本地测距码生成器根据当前卫星编号生成2毫秒以半码片为单位的4092个数据，并补4个零，然后进行4096点FFT，结果存储在第二存储单元中；
分别将从第一存储单元读取并取共轭的数据和从第二存储单元中读取的数据做乘法，然后进行4096点IFFT，并取模值；
对取模值获得的结果进行峰值检测，当峰值检测成功，则得到码相位；
当N等于12时，对于BDS-NGEO信号，S104具体包括以下步骤：
本地测距码生成器根据当前卫星编号生成2毫秒以整码片为单位的4092个数据，并补4个零，然后进行4096点FFT，结果存储在第二存储单元中；
分别将从第一存储单元读取并取共轭的数据和从第二存储单元中读取的数据做乘法，然后进行4096点IFFT，并取模值；
对取模值获得的结果进行峰值检测，当峰值检测成功，则得到码相位。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当N等于12时，
对于GPS信号，所述通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到的是精度为半码片的码相位；
对于BDS-NGEO信号，所述通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到的是精度为整码片的码相位为P1；
对于BDS-NGEO信号，通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到精度为整码片的码相位P1之后，所述方法还包括：
重复执行S102至S105，且在对同一组数据进行降采样时，先对根据本地中频对中频离散数据进行混频后得到的数据整体左移半码片，尾部补零后进行整码片相加，得到1毫秒整码片数据，然后再对同一组数据进行降采样；
执行S105后得到整码片精度的码相位P2，将P1和P2相加，将相加的结果作为最终的半码片精度码相位P；
当N等于13时，
对于GPS信号，所述通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到的是精度为1/4码片的码相位；
对于BDS-NGEO信号，所述通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位得到的是精度为半码片的码相位。
8.一种GNSS卫星信号的捕获装置，其特征在于，所述装置包括：
混频模块，用于根据本地中频对中频离散数据进行混频，所述中频离散数据是以采样频率对下变频后的导航信号进行采样得到的，所述本地中频是叠加上多普勒频偏后的中频频率；
降采样模块，用于将混频后得到的数据进行降采样；
FFT模块，用于对经降采样后的数据进行2N点FFT，结果存储在第一存储单元中，其中，N是大于或等于12的自然数；
搜索模块，用于根据从第一存储单元读取的数据进行并行码相位搜索；
捕获判断模块，用于判断是否捕获成功，如果是，则结束对当前卫星的搜索，并通过峰值与码相位的对应关系确定当前数据的码相位，否则由移位判断模块执行步骤；
移位判断模块，用于判断读取地址是否左循环移位预设次数和/或右循环移位预设次数，如果是，则遍历判断模块执行步骤，否则由输出模块执行步骤；
遍历判断模块，用于判断是否已经遍历多普勒所有步进，是则结束对当前卫星的搜索，否则增加多普勒步进，然后返回混频模块执行步骤；
输出模块，用于控制输出第一存储单元的读信号和地址信息，通过控制地址信息实现将第一存储单元中的数据循环左移读出或者循环右移读出，根据读信号和地址信息读取第一存储单元的数据，然后返回搜索模块执行步骤。
9.一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的GNSS卫星信号的捕获方法的步骤。
10.一种卫星导航接收机，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的GNSS卫星信号的捕获方法的步骤。
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