CN115441900A - 一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法及装置 - Google Patents

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CN115441900A CN202211400692.XA CN202211400692A CN115441900A CN 115441900 A CN115441900 A CN 115441900A CN 202211400692 A CN202211400692 A CN 202211400692A CN 115441900 A CN115441900 A CN 115441900A
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Abstract

本申请涉及一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法及装置。所述方法包括：根据空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，对位置信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度；根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移；根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频；实际接收信号中频为接收信号在频域内的搜索结果；根据多普勒频移、载波频率和伪码速率估计码多普勒，进而调整本地生成伪码速率；对接收信号时域搜索采用并行方式，得到接收信号在时域内的搜索结果。采用本方法能够实现对空间站扩频信号进行快速捕获。

Description

一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法及装置
技术领域
本申请涉及空间时频传递技术领域，特别是涉及一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法及装置。
背景技术
随着我国载人空间站技术的发展，对于卫星扩频信号的捕获，最典型的是卫星导航***播发的卫星导航信号，地面接收机通过接收卫星导航信号，实现伪距与载波相位测量值解算，根据至少四颗卫星的测量结果，可以求解出接收机的位置。卫星导航***卫星主要由地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星和中轨道（Medium EarthOrbit，MEO)卫星组成，对于卫星导航信号的捕获，其本质是对接收信号完成时域与频域的二维搜索，分别得到其多普勒频移和伪码相位。空间站上搭载的微波链路时频传递***中的扩频信号，相较于导航卫星信号，其卫星轨道高度更低，由此带来的高动态特征更加突出，地面接收机与空间站之间的速度和加速度变化范围更大，进而多普勒频偏变化范围更大、多普勒频偏变化率也更大，以目前广泛应用在卫星通信***中的Ka频段为例，工作在该频段的微波链路，其星地链路多普勒频移将达到数百kHz量级，导致本地信号与接收信号相关结果误差随着积分时间的增加而逐渐累积；但是，对于微弱信号的接收检测，又需要增加积分时间，以提高检测灵敏度，因此这两者的矛盾十分突出。
针对高动态条件下的信号捕获，其直接带来的影响是多普勒频移变化范围更大，因此对信号进行频域搜索的范围也就变大，通常可以通过基于快速傅里叶变换的搜索方法实现对频率的并行搜索，从而减少信号捕获所需的计算量，加快捕获速度，同时也能为增加相干积分时间留出充足的时间。同时，高动态条件下多普勒频移变化率也增大，这也限制了相干积分时间的增加。高动态条件与高灵敏度对信号捕获提出了苛刻的要求，一方面，高动态条件下要求信号捕获，即时域、频域二维搜索的速度尽量快；另一方面，为提高信号捕获灵敏度，需要增加相干积分时间、采用非相干积分手段。需要提出新的方法，实现对两者的折衷与综合考虑。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现对空间站或低轨卫星星地微波时频比对链路扩频信号进行快速捕获的高动态微弱扩频信号快速捕获方法及装置。
一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法，所述方法包括：
根据空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息；
利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度；
根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移；
对载波进行下变频，根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频；实际接收信号中频作为接收信号在频域内的捕获搜索结果；
根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率；利用本地伪码速率生成本地伪码；
对接收信号码相位进行并行搜索，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将数字中频信号分别与I支路和Q支路上的本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号相乘混频，得到混频结果；本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号频率为实际接收信号中频；
对混频结果以复数的形式进行傅里叶变换，将变换结果与本地伪码的傅里叶变换结果的共轭相乘，再对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的捕获搜索结果；接收信号在频域内的捕获搜索结果和接收信号在时域内的捕获搜索结果为信号捕获结果。
在其中一个实施例中，利用当前时刻连续多次GNSS接收机输出的位置信息和实时速度信息，对下一时刻空间站相对地面的多普勒信息进行估计，根据得到的多普勒频移预测估计值对空间站相对地面基站运动引起的多普勒频移进行高阶补偿。
在其中一个实施例中，根据GNSS接收机输出的空间站位置坐标，计算空间站与地面站的距离，利用空间站与地面站的距离确定信号传输时延；根据信号传输时延确定时域码相位捕获范围；
利用空间站与地面站的距离确定信号传输时延为
Figure 239016DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 521093DEST_PATH_IMAGE002
表示地面基站的位置坐标，
Figure 861813DEST_PATH_IMAGE003
表示空间站在时刻
Figure 102301DEST_PATH_IMAGE004
的位置信息，
Figure 380836DEST_PATH_IMAGE005
表示时刻
Figure 607549DEST_PATH_IMAGE006
空间站与地面基站的距离，
Figure 428875DEST_PATH_IMAGE007
表示光速。
在其中一个实施例中，对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息，包括：
对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息为
Figure 964898DEST_PATH_IMAGE008
。
在其中一个实施例中，利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度，包括：
利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度为
Figure 137254DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 26712DEST_PATH_IMAGE010
表示空间站在时刻
Figure 67656DEST_PATH_IMAGE011
的实时速度信息。
在其中一个实施例中，根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移，包括：
根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移为
Figure 774581DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure 168654DEST_PATH_IMAGE013
表示扩频信号的载波频率，
Figure 127382DEST_PATH_IMAGE014
表示光速。
在其中一个实施例中，根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频，包括：
根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频为
Figure 533087DEST_PATH_IMAGE015
，其中，
Figure 286279DEST_PATH_IMAGE016
表示中频信号。
在其中一个实施例中，根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率，包括：
根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到码多普勒为
Figure 292281DEST_PATH_IMAGE017
，其中，
Figure 789122DEST_PATH_IMAGE018
表示地面站发射的伪码速率；
根据码多普勒和伪码速率进行相加，得到本地伪码速率。
一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获装置，所述装置包括：
径向速度计算模块，用于根据空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息；利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度；
多普勒频移计算模块，用于根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移；
信号频域搜索模块，用于对载波进行下变频，根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频；实际接收信号中频作为接收信号在频域内的捕获搜索结果；
信号时域搜索模块，用于根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率；利用本地伪码速率生成本地伪码；对接收信号码相位进行并行搜索，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将数字中频信号分别与I支路和Q支路上的本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号相乘混频，得到混频结果；本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号频率为实际接收信号中频；对混频结果以复数的形式进行傅里叶变换，将变换结果与本地伪码的傅里叶变换结果的共轭相乘，再对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的捕获搜索结果；接收信号在频域内的捕获搜索结果和接收信号在时域内的捕获搜索结果为信号捕获结果。
上述一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法、装置、计算机设备和存储介质，本申请利用空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，基于位置信息和实时速度信息，计算得到空间站相对地面基站的径向速度变化，从而估计得到扩频信号的载波的多普勒频偏，能够快速、准确估计得到信号多普勒频偏，进而能够有效延长积分时间，提高信号积分增益，增强对微弱信号捕获能力；根据计算得到的载波多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，进而调整本地生成伪码速率，生成本地伪码；对接收信号时域搜索采用并行方式，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将数字中频信号分别与I支路和Q支路上本地复制正弦和复制余弦载波信号相乘混频，其中，本地复制载波频率为考虑多普勒频移的实际接收信号中频。对混频结果以复数的形式进行傅里叶变换，将变换结果与本地伪码的傅里叶变换结果的共轭相乘，再对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的相关结果，将传统信号捕获的时域、频域二维搜索过程简化为时域一维搜索过程，显著提高捕获速度。
附图说明
图1为一个实施例中一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法的流程示意图；
图2为一个实施例中空间站运动引起的载波的多普勒频移计算的示意图；
图3为一个实施例中信号捕获判决的示意图；
图4为另一个实施例中利用连续两个时刻GNSS接收机信息辅助对空间站平台相对地面基站运动引起的多普勒频移计算的示意图；
图5为一个实施例中一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法，包括以下步骤：
步骤102，根据空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息；利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度。
步骤104，根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移。
利用空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，基于位置信息和实时速度信息，计算得到空间站相对地面基站的径向速度变化，从而估计得到扩频信号的多普勒频偏，能够快速、准确估计得到信号多普勒频偏，进而能够有效延长积分时间，提高信号积分增益，增强对微弱信号捕获能力。
步骤106，对载波进行下变频，根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频；实际接收信号中频作为接收信号在频域内的捕获搜索结果。
步骤108，根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率；利用本地伪码速率生成本地伪码；对接收信号码相位进行并行搜索，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将数字中频信号分别与I支路和Q支路上的本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号相乘混频，得到混频结果；本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号频率为实际接收信号中频。
步骤110，对混频结果以复数的形式进行傅里叶变换，将变换结果与本地伪码的傅里叶变换结果的共轭相乘，再对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的捕获搜索结果；接收信号在频域内的捕获搜索结果和接收信号在时域内的捕获搜索结果为信号捕获结果。
采用并行码相位搜索的方法，将捕获范围内的码相位搜索通过傅里叶变换一次性完成，将传统信号捕获的时域、频域二维搜索过程简化为时域一维搜索过程，频域维度搜索依靠信息辅助完成，显著提高捕获速度。
上述一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法中，本申请利用空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，基于位置信息和实时速度信息，计算得到空间站相对地面基站的径向速度变化，从而估计得到扩频信号的载波的多普勒频偏，能够快速、准确估计得到信号多普勒频偏，进而能够有效延长积分时间，提高信号积分增益，增强对微弱信号捕获能力；根据计算得到的载波多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，进而调整本地生成伪码速率，生成本地伪码；对接收信号时域搜索采用并行方式，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将数字中频信号分别与I支路和Q支路上本地复制正弦和复制余弦载波信号相乘混频，其中，本地复制载波频率为考虑多普勒频移的实际接收信号中频。对混频结果以复数的形式进行傅里叶变换，将变换结果与本地伪码的傅里叶变换结果的共轭相乘，再对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的相关结果，将传统信号捕获的时域、频域二维搜索过程简化为时域一维搜索过程，显著提高捕获速度。
在其中一个实施例中，利用当前时刻连续多次GNSS接收机输出的位置信息和实时速度信息，对下一时刻空间站相对地面的多普勒信息进行估计，根据得到的多普勒频移预测估计值对空间站相对地面基站运动引起的多普勒频移进行高阶补偿。
在具体实施例中，可以利用连续多次GNSS接收机输出的辅助信息，对空间站相对地面的多普勒信息进行提前预报，以提高瞬时的准确性。考虑到GNSS接收机解算延时、数据传输延时以及数据输出频率限制，微波链路载荷接收GNSS接收机的辅助信息存在一定延迟，在高动态条件下，信息延迟会造成较大偏差，影响捕获性能。
可以利用连续两个时刻GNSS接收机位置坐标、速度矢量输出值，对空间站平台相对地面基站运动引起的多普勒频移进行高阶补偿，这样可以在GNSS接收机输出频率受限的条件下，更加适应动态条件，提高多普勒频移的估计精度，进而减少相干积分增益损失，提高捕获灵敏度。
如图4所示，为了对多普勒频移进行更精确地估计补偿，可以利用连续两个个时刻GNSS接收机的输出测量值，将短时间内的多普勒频移建模成线性变化。这样可以在GNSS接收机输出频率受限的条件下，更加适应动态条件，提高多普勒频移的估计精度，进而减少相干积分增益损失，提高捕获灵敏度。
空间站平台搭载的GNSS接收机在
Figure 79027DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 737541DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 230839DEST_PATH_IMAGE021
时刻分别输出位置坐标
Figure 265791DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 911668DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 741083DEST_PATH_IMAGE024
，瞬时速度矢量分别为
Figure 721678DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 560321DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 185337DEST_PATH_IMAGE027
，其中
Figure 828064DEST_PATH_IMAGE028
，则
Figure 905742DEST_PATH_IMAGE029
时刻，空间站平台在其与地面基站连线方向上的速度分量平均值
Figure 672709DEST_PATH_IMAGE030
可表示为
Figure 152232DEST_PATH_IMAGE031
Figure 729975DEST_PATH_IMAGE032
时刻，空间站平台在其与地面基站连线方向上的速度分量平均值
Figure 294949DEST_PATH_IMAGE033
可表示为
Figure 600028DEST_PATH_IMAGE034
考虑到GNSS接收机连续输出两次定位、测速结果的时间间隔一般很短，平台速度变化可近似采用线性拟合，则在这种情况下，则
Figure 934058DEST_PATH_IMAGE035
-
Figure 915658DEST_PATH_IMAGE036
时间间隔内的加速度可以表示为
Figure 967928DEST_PATH_IMAGE037
则在
Figure 811119DEST_PATH_IMAGE038
至
Figure 265234DEST_PATH_IMAGE039
时间区间内的任意时刻
Figure 919200DEST_PATH_IMAGE040
的空间站平台在其与地面基站连线方向上的速度分量
Figure 724345DEST_PATH_IMAGE041
可以表示为：
Figure 246593DEST_PATH_IMAGE042
同样，在微波链路下一次接收到GNSS接收机输出的辅助信息的时刻
Figure 679849DEST_PATH_IMAGE043
之前，均可以近似认为相对速度均匀变化，加速度为
Figure 629350DEST_PATH_IMAGE044
，则在此基础上，可以对
Figure 767464DEST_PATH_IMAGE045
时间段内的星地相对速度进行预报，以为微波链路载荷信号捕获提供先验信息。
Figure 93403DEST_PATH_IMAGE046
时间区间内的任意时刻
Figure 381165DEST_PATH_IMAGE047
空间站平台在其与地面基站连线方向上的速度分量
Figure 501567DEST_PATH_IMAGE048
可以表示为：
Figure 891092DEST_PATH_IMAGE049
进一步可以得到
Figure 20722DEST_PATH_IMAGE050
时刻，由于卫星平台运动引起的接收信号多普勒频移预测估
Figure 162990DEST_PATH_IMAGE051
则根据上式，利用
Figure 719873DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 829650DEST_PATH_IMAGE053
时刻GNSS接收机输出值对
Figure 497391DEST_PATH_IMAGE054
时刻接收信号多普勒频移进行预测估计，得到：
Figure 494166DEST_PATH_IMAGE055
根据
Figure 221951DEST_PATH_IMAGE056
时刻GNSS接收机输出值，直接计算得到
Figure 710701DEST_PATH_IMAGE057
时刻接收信号载波多普勒频移为：
Figure 791920DEST_PATH_IMAGE058
则在此动态环境、GNSS接收机输出信息频率为1Hz的条件下，采取本发明提出方法得到的载波多普勒估计误差为
Figure 784147DEST_PATH_IMAGE059
，可以满足信号捕获需求。
在一个实施例中，根据GNSS接收机输出的空间站位置坐标，计算空间站与地面站的距离，利用空间站与地面站的距离确定信号传输时延；根据信号传输时延确定时域码相位捕获范围；
利用空间站与地面站的距离确定信号传输时延为
Figure 807467DEST_PATH_IMAGE060
其中，
Figure 252355DEST_PATH_IMAGE061
表示地面基站的位置坐标，
Figure 638730DEST_PATH_IMAGE062
表示空间站在时刻
Figure 16622DEST_PATH_IMAGE063
的位置信息，
Figure 945264DEST_PATH_IMAGE064
表示时刻
Figure 143027DEST_PATH_IMAGE065
空间站与地面基站的距离，
Figure 566049DEST_PATH_IMAGE066
表示光速。
在具体实施例中，利用空间站平台搭载GNSS接收机输出的辅助信息大致确定信号传输时延，以缩小时域码相位捕获范围、提高捕获效率。由于空间站接收地面站发射信号的传输链路较长，相比于发射时刻的码相位，接收码相位将产生时长为
Figure 532868DEST_PATH_IMAGE067
的传输延迟，此外，伪码速率同样会受到多普勒频移的影响而产生偏移，导致接收码相位的延迟相较于发射码存在不确定性。通过GNSS接收机输出空间站平台位置坐标，求出其与地面站的距离，进而估计得到信号传输时延，即进行TOA（time of arrival）估计，在此基础上进行信号码相位捕获，其码相位搜索范围缩小至信号传输时延的估计残差同等量级，能够将码相位搜索速度显著提高。
在其中一个实施例中，对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息，包括：
对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息为
Figure 632411DEST_PATH_IMAGE068
在其中一个实施例中，利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度，包括：
利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度为
Figure 317470DEST_PATH_IMAGE069
其中，
Figure 934396DEST_PATH_IMAGE070
表示空间站在时刻
Figure 129623DEST_PATH_IMAGE071
的实时速度信息。
在其中一个实施例中，根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移，包括：
根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移为
Figure 541013DEST_PATH_IMAGE072
，其中，
Figure 572423DEST_PATH_IMAGE073
表示扩频信号的载波频率，
Figure 461881DEST_PATH_IMAGE074
表示光速。
在其中一个实施例中，根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频，包括：
根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频为
Figure 544238DEST_PATH_IMAGE075
，其中，
Figure 860950DEST_PATH_IMAGE076
表示中频信号。
在其中一个实施例中，根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率，包括：
根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到码多普勒为
Figure 379656DEST_PATH_IMAGE077
，其中，
Figure 72805DEST_PATH_IMAGE078
表示地面站发射的伪码速率；
根据码多普勒和伪码速率进行相加，得到本地伪码速率。
在具体实施例中，如图2所示，空间站平台运行在轨道高度为400KM的低地球轨道上，其需要接收捕获地面站发射的载波频率为
Figure 257273DEST_PATH_IMAGE079
，伪码速率为
Figure 10465DEST_PATH_IMAGE080
的扩频信号，由于空间站平台轨道较低，因此接收信号需要面临大频偏、高动态条件。若采用目前星地通信常用的Ka频段链路，其多普勒频偏将达到数百kHz量级，传统捕获方法无法完成搜索。
本申请基于空间站平台上搭载的GNSS接收机，在WGS-84坐标系下，可以给出空间站平台在时刻
Figure 157413DEST_PATH_IMAGE081
的位置信息
Figure 513308DEST_PATH_IMAGE082
，瞬时速度为
Figure 163732DEST_PATH_IMAGE083
,同时，在该坐标系下，地面基站选取中国境内某地坐标，位置坐标
Figure 963192DEST_PATH_IMAGE084
存储在空间站平台的存储器中，也可通过指令的方式进行上注。则可以计算得到时刻
Figure 331856DEST_PATH_IMAGE085
空间站平台与地面基站的距离
Figure 491442DEST_PATH_IMAGE086
根据相关坐标信息，可以得到地面站之间的角度信息：
Figure 996373DEST_PATH_IMAGE087
更进一步，利用矢量分解，空间站与地面基站之间的径向速度
Figure 730848DEST_PATH_IMAGE088
可以表示为：
Figure 586809DEST_PATH_IMAGE089
进一步计算得出由于空间站运动引起的频率为
Figure 284507DEST_PATH_IMAGE090
的载波的多普勒频移
Figure 909523DEST_PATH_IMAGE091
；
Figure 50785DEST_PATH_IMAGE092
利用空间站平台上搭载的GNSS接收机，通过信息解算得到多普勒频移的估计值，并将该估计结果送入信号捕获模块中。接收机接收到频率为
Figure 394042DEST_PATH_IMAGE093
的载波，经过下变频后得到中频信号，频率为
Figure 36376DEST_PATH_IMAGE094
,则考虑引入多普勒频移后的实际接收信号中频为
Figure 640533DEST_PATH_IMAGE095
将上述结果直接作为接收机进行接收信号捕获时，
Figure 342909DEST_PATH_IMAGE096
至
Figure 284714DEST_PATH_IMAGE097
时间区间内，频域搜索的结果。利用该频率计算的结果，由本地载波NCO产生本地载波与接收信号进行混频，以剥离载波，将接收信号由中频得到基带信号，方便进一步进行时域码相位搜索。
在对码相位进行搜索时，考虑到高动态场景在带来载波多普勒频偏的同时，引起的码多普勒变化同样不能忽视，否则会严重影响相关结果。在本申请中，利用GNSS接收机的先验信息求得载波多普勒频偏的估计值后，可以利用载波频率与码速率的比值，计算得到码多普勒的估计值，并依此调整本地生成伪码速率;
Figure 199580DEST_PATH_IMAGE098
即进行捕获时，本地实时生成的伪码实际速率应该为9.99977165*107Hz，以提高相关增益。
为提高捕获速度，采用并行码相位搜索的方法，可以将捕获范围内的码相位搜索通过傅里叶变换一次性完成。
如图3所示，对接收信号时域搜索采用并行方式，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将其分别与
Figure 923823DEST_PATH_IMAGE099
支路和
Figure 531522DEST_PATH_IMAGE100
支路上频率为
Figure 849371DEST_PATH_IMAGE101
的本地复制正弦和复制余弦载波信号相乘混频，然后将得到的结果
Figure 443294DEST_PATH_IMAGE102
和
Figure 897409DEST_PATH_IMAGE103
以复数
Figure 800643DEST_PATH_IMAGE104
的形式进行傅里叶变换；将变换结果与本地码序列的傅里叶变换结果的共轭相乘，最后对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的结果，通过对其进行峰值检测，即可完成对接收信号码相位维度的搜索。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图5所示，提供了一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获装置，包括：径向速度计算模块502、多普勒频移计算模块504、信号频域搜索模块506、信号时域搜索模块508，其中：
径向速度计算模块502，用于根据空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息；利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度；
多普勒频移计算模块504，用于根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移；
信号频域搜索模块506，用于对载波进行下变频，根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频；实际接收信号中频作为接收信号在频域内的捕获搜索结果；
信号时域搜索模块508，用于根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率；利用本地伪码速率生成本地伪码；对接收信号码相位进行并行搜索，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将数字中频信号分别与I支路和Q支路上的本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号相乘混频，得到混频结果；本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号频率为实际接收信号中频；对混频结果以复数的形式进行傅里叶变换，将变换结果与本地伪码的傅里叶变换结果的共轭相乘，再对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的捕获搜索结果；接收信号在频域内的捕获搜索结果和接收信号在时域内的捕获搜索结果为信号捕获结果。
在其中一个实施例中，径向速度计算模块502还用于对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息，包括：
对位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息为
Figure 340209DEST_PATH_IMAGE105
其中，
Figure 236358DEST_PATH_IMAGE106
表示地面基站的位置坐标，
Figure 544980DEST_PATH_IMAGE107
表示空间站在时刻
Figure 619115DEST_PATH_IMAGE108
的位置信息，
Figure 380398DEST_PATH_IMAGE109
表示时刻
Figure 581703DEST_PATH_IMAGE110
空间站与地面基站的距离。
在其中一个实施例中，径向速度计算模块502还用于利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度，包括：
利用实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度为
Figure 10410DEST_PATH_IMAGE111
其中，
Figure 255447DEST_PATH_IMAGE112
表示空间站在时刻
Figure 769605DEST_PATH_IMAGE113
的实时速度信息。
在其中一个实施例中，多普勒频移计算模块504用于根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移，包括：
根据径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移为
Figure 10487DEST_PATH_IMAGE114
，其中，
Figure 28121DEST_PATH_IMAGE115
表示扩频信号的载波频率，
Figure 991529DEST_PATH_IMAGE116
表示光速。
在其中一个实施例中，信号频域搜索模块506用于对载波进行下变频，根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频，包括：
对载波进行下变频，根据多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频为
Figure 852038DEST_PATH_IMAGE117
，其中，
Figure 254200DEST_PATH_IMAGE118
表示中频信号。
在其中一个实施例中，信号时域搜索模块508还用于根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率，包括：
根据多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到码多普勒为
Figure 657500DEST_PATH_IMAGE119
，其中，
Figure 759186DEST_PATH_IMAGE120
表示地面站发射的伪码速率；
根据码多普勒和伪码速率进行相加，得到本地伪码速率。
关于一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获装置的具体限定可以参见上文中对于一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法的限定，在此不再赘述。上述一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获方法，其特征在于，所述方法包括：
根据空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，对所述位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息；
利用所述实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度；
根据所述径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移；
对所述载波进行下变频，根据所述多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频；所述实际接收信号中频作为接收信号在频域内的捕获搜索结果；
根据所述多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率；利用所述本地伪码速率生成本地伪码；
对接收信号码相位进行并行搜索，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将数字中频信号分别与I支路和Q支路上的本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号相乘混频，得到混频结果；所述本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号频率为实际接收信号中频；
对所述混频结果以复数的形式进行傅里叶变换，将变换结果与所述本地伪码的傅里叶变换结果的共轭相乘，再对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的捕获搜索结果；所述接收信号在频域内的捕获搜索结果和接收信号在时域内的捕获搜索结果为信号捕获结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用当前时刻连续多次GNSS接收机输出的位置信息和实时速度信息，对下一时刻空间站相对地面的多普勒信息进行估计，根据得到的多普勒频移预测估计值对空间站相对地面基站运动引起的多普勒频移进行高阶补偿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据GNSS接收机输出的空间站位置坐标，计算所述空间站与地面站的距离，利用所述空间站与地面站的距离确定信号传输时延；根据所述信号传输时延确定时域码相位捕获范围；
利用所述空间站与地面站的距离确定信号传输时延为
Figure 408413DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 528816DEST_PATH_IMAGE003
表示地面基站的位置坐标，
Figure 167608DEST_PATH_IMAGE004
表示空间站在时刻
Figure 31658DEST_PATH_IMAGE005
的位置信息，
Figure 190238DEST_PATH_IMAGE006
表示时刻
Figure 747122DEST_PATH_IMAGE007
空间站与地面基站的距离，
Figure 482997DEST_PATH_IMAGE008
表示光速。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息，包括：
对所述位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息为
Figure 275372DEST_PATH_IMAGE009
。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用所述实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度，包括：
利用所述实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度为
Figure 413092DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 252129DEST_PATH_IMAGE011
表示空间站在时刻
Figure 475300DEST_PATH_IMAGE013
的实时速度信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移，包括：
根据所述径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移为
Figure 805787DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure 798014DEST_PATH_IMAGE015
表示扩频信号的载波频率，
Figure 837645DEST_PATH_IMAGE017
表示光速。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频，包括：
根据所述多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频为
Figure 548112DEST_PATH_IMAGE018
，其中，
Figure 416711DEST_PATH_IMAGE019
表示中频信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率，包括：
根据所述多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到码多普勒为
Figure 529023DEST_PATH_IMAGE020
，其中，
Figure 706933DEST_PATH_IMAGE021
表示地面站发射的伪码速率；
根据所述码多普勒和所述伪码速率进行相加，得到本地伪码速率。
9.一种信息辅助的高动态微弱扩频信号快速捕获装置，其特征在于，所述装置包括：
径向速度计算模块，用于根据空间站上搭载的GNSS接收机获取空间站的位置信息和实时速度信息，对所述位置信息进行计算，得到地面站之间的角度信息；利用所述实时速度信息和地面站之间的角度信息进行计算，得到空间站相对地面基站的径向速度；
多普勒频移计算模块，用于根据所述径向速度和扩频信号的载波频率进行计算，得到载波的多普勒频移；
信号频域搜索模块，用于对所述载波进行下变频，根据所述多普勒频移对下变频后的中频信号进行补偿，得到实际接收信号中频；所述实际接收信号中频作为接收信号在频域内的捕获搜索结果；
信号时域搜索模块，用于根据所述多普勒频移、载波频率和伪码速率对码多普勒进行估计，得到本地伪码速率；利用所述本地伪码速率生成本地伪码；对接收信号码相位进行并行搜索，在得到模数转换器采集到的数字中频信号后，将数字中频信号分别与I支路和Q支路上的本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号相乘混频，得到混频结果；所述本地复制正弦载波信号和本地复制余弦载波信号频率为实际接收信号中频；对所述混频结果以复数的形式进行傅里叶变换，将变换结果与所述本地伪码的傅里叶变换结果的共轭相乘，再对乘积进行傅里叶反变换，得到接收信号与本地信号在时域内的捕获搜索结果；所述接收信号在频域内的捕获搜索结果和接收信号在时域内的捕获搜索结果为信号捕获结果。
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