CN204101732U - 一种gnss新体制信号捕获装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种GNSS新体制信号捕获装置，包括差分相关器模块、载波NCO生成器、本地PN码生成器、相关器、混频器、分段相关补零FFT模块和捕获检测控制模块。数字中频输入信号通过差分相关器模块确定卫星PN码相位偏移量，差分输出信号经过混频器和相关器，分别与本地载波和PN码混频相关运算，得到同相支路I和正交支路Q相乘结果，通过分段相关补零FFT模块，所得运算结果进行相干积分和分段非相干累加，最后将累加结果进行FFT运算，取模输出并与捕获检测量比较，完成GNSS新体制信号的快速捕获。本实用新型能够快速确定卫星PN码相位偏移量，且提高了载波多普勒频率估计精度，装置简单，运算复杂度低，具有较强的工程应用价值。

Description

一种GNSS新体制信号捕获装置

技术领域

本实用新型属于全球卫星导航***信号处理技术领域，具体涉及一种GNSS新体制信号捕获装置。

背景技术

全球导航卫星***(Global Navigation Satellite System，GNSS)在军事和民用领域都扮演着极其重要的地位，GNSS可为接收机提供定位、导航和授时服务，军事和民用领域占有重要地位。随着导航***的发展，多***信息融合定位解算已经成为了当前的发展趋势，新体制信号广泛应用于美国的第三代GPS、欧盟的Galileo等导航卫星中，且新体制信号的码长为10230码片，码速率达到了10.23Mcps，是传统导航信号码长和码速率的10倍，如果采用传统的滑动相关时频二维搜索算法，并行频率搜索算法和并行码相位搜索算法，运算复杂度较大，搜索时间较长，影响接收机首次定位时间和热启动等功能，特别在高动态应用环境中，制约了接收机的捕获效率。

因此，有必要提出一种GNSS新体制信号的快速捕获装置，降低接收机信号捕获的运算复杂度，提高接收机工作效率，并成为了一种新的技术需求。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种GNSS新体制信号捕获装置。

本实用新型装置包括差分相关器模块(101)、混频器I(102)、混频器Q(103)、载波NCO(104)、相关器I(105)、相关器Q(106)、PN码发生器(107)、分段相关补零FFT模块(108)和捕获检测控制模块(109)。

优选的，所述差分相关器模块(101)用于确定所接收的数字中频输入信号PN码相位偏移量，差分相关器模块(101)的输出信号同时与混频器I(102)和混频器Q(103)连接，并分别与所述载波NCO(104)产生的正弦、余弦信号相乘，混频器I(102)与相关器I(105)连接，混频器Q(103)与相关器Q(106)连接，PN码发生器(107)同时与相关器I(105)和相关器Q(106)连接，用于相关消除所接收的卫星信号中的PN码，相关器I(105)和相关器Q(106)与分段相关补零FFT模块(108)连接，用于确定接收卫星信号的多普勒频偏，捕获检测控制模块(109)与分段相关补零FFT模块(108)连接，对FFT结果取模运算，并与预先设定的捕获检测量门限值比较，并进行捕获结果输出。

优选的，所述数字中频输入信号是卫星导航接收机接收到的卫星信号经过下变频混频、中频信号滤波放大、模数转换之后的数字中频信号。

优选的，所述差分相关器模块(101)包括信号延时模块(201)、乘法器(202)和信号延时控制模块(203)。

优选的，所述信号延时模块(201)与乘法器(202)连接，用于延时卫星数字中频输入信号，并与信号延时控制模块(203)连接。

优选的，所述信号延时控制模块(203)与信号延时模块(201)连接，用于控制数字中频输入信号的延时采样点数量，并对经过所述乘法器(202)的信号相乘结果进行取模运算和结果评估。

优选的，所述分段相关补零FFT模块(108)用于将M点复数相关结果I+jQ平均分成R段，每段长度为M/R，并对每一个分段相关器分别进行非相干累加，组成R点复数结果，并补S-R个0后进行S点FFT运算，其中复数相关结果I+jQ是数字中频信号分别经过相关器I(105)和相关器Q(106)后所组成的复数结果，j是虚数单位，M是跟踪卫星的码片数，R的取值范围是2～512，S的取值范围是512～4096。

本实用新型通过差分相关器模块能够快速确定所捕获卫星信号的PN码相位偏移量，且通过分段相关补零FFT模块提高了载波多普勒频率估计精度，装置简单，运算复杂度低，具有较强的工程应用价值。

附图说明

图1是本实用新型提出的GNSS新体制信号捕获装置结构图；

图2是本实用新型提出的差分相关器模块结构图；

图3是本实用新型提出的分段相关补零FFT模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本实用新型提出的GNSS新体制信号捕获装置结构图。

如图1所示，本实用新型提供了一种GNSS新体制信号捕获装置，该装置包括差分相关器模块(101)、混频器I(102)、混频器Q(103)、载波NCO(104)、相关器I(105)、相关器Q(106)、PN码发生器(107)、分段相关补零FFT模块(108)和捕获检测控制模块(109)。

差分相关器模块(101)用于确定所接收的数字中频输入信号PN码相位偏移量，差分相关器模块(101)的输出信号同时与混频器I(102)和混频器Q(103)连接，并分别与所述载波NCO(104)产生的正弦、余弦信号相乘，混频器I(102)与相关器I(105)连接，混频器Q(103)与相关器Q(106)连接，PN码发生器(107)同时与相关器I(105)和相关器Q(106)连接，用于相关消除所接收的卫星信号中的PN码，相关器I(105)和相关器Q(106)与分段相关补零FFT模块(108)连接，用于确定接收卫星信号的多普勒频偏，捕获检测控制模块(109)与分段相关补零FFT模块(108)连接，对FFT结果取模运算，并与预先设定的捕获检测量门限值比较，并进行捕获结果输出。

如下表1所示，GNSS新体制信号主要包括B1/L1/E1频点，中心频率为1575.42MHz，采用MBOC调制方式，码速率为1.023Mcps，带宽为±7.161MHz；B2/E5频点采用以1191.795MHz为中心频率，(TD-)AltBOC调制方式，码速率为10.23Mcps，带宽为±25.575MHz；L5/B2a/E5a频点采用以1176.45MHz为中心频率，(TDDM-)QPSK调制方式，码速率为10.23Mcps，带宽为±10.23MHz；B2b/E5b频点采用以1207.14MHz为中心频率，(TDDM-)QPSK调制方式，码速率为10.23Mcps，带宽为±10.23MHz；以上频点中，以B开头的频点代表BD，以L开头的频点代表GPS，以E开头的频点代表Galileo，当码速率达到10.23Mcps时，传统的捕获算法运算复杂度较大，捕获效率较低，难以满足高动态等环境的捕获需要。

表1新体制信号调制参数

图2是本实用新型提出的差分相关器模块结构图。

如图2所示，差分相关器模块(101)包括信号延时模块(201)、乘法器(202)和信号延时控制模块(203)。其中信号延时模块(201)与乘法器(202)连接，用于延时卫星数字中频输入信号，并与信号延时控制模块(203)连接。信号延时控制模块(203)与信号延时模块(201)连接，用于控制数字中频输入信号的延时采样点数量，并对经过乘法器(202)的信号相乘结果进行取模运算和结果评估。

数字中频输入信号S_IF(n)是卫星导航接收机接收到的卫星信号经过下变频混频、中频信号滤波放大、模数转换之后得到的数字中频信号，经过差分相关器模块(101)后，等价于实现其中，m为S_IF(n)延时的码片数，假设某颗卫星的复数型数字中频信号其中，A代表信号的振幅，x(n)代表PN码，D(n)代表数据码或NH码，f_d代表载波多普勒频偏，n代表数字中频信号的时间历元数，T_s代表信号的采样周期，则

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{dif}}\left(n\right)=S_{\mathrm{IF}}\left(n\right)\stackrel{\‾}{S_{\mathrm{IF}}(n-m)}\\ =\mathrm{Ax}\left(n\right)D\left(n\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{d}n{T}_s}\·\stackrel{\‾}{\mathrm{Ax}(n-m)D(n-m)e^{j2\mathrm{\π}{f}_d(n-m)T_s}}\\ =A^{2}x\left(n\right)x(n-m)D\left(n\right)D(n-m)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{d}n{T}_s}\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_d(n-m)T_s}\\ =A^{2}x\left(n\right)x(n-m)D\left(n\right)D(n-m)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{d}m{T}_s}\end{array}$

数据码或NH码D(n)D(n-m)在捕获阶段内发生数据比特边缘跳变的概率为0.001％，所以可忽略其对差分相关结果的影响，由上式可知，对S_dif(n)结果取模之后，即可判断此时的PN码相位偏移量m是否与接收到的数字中频信号对齐，否则通过差分相关器模块(101)中的信号延时控制模块(203)调整相位偏移量m，直至接收到的卫星信号的PN码与延时后的PN码对齐为止，此时输出的结果S_dif(n)具有最大值。

图3是本实用新型提出的分段相关补零FFT模块结构图。

如图3所示，分段相关补零FFT模块(108)用于将M点复数相关结果I+jQ平均分成R段，每段长度为M/R，并对每一个分段相关器分别进行非相干累加，组成R点复数结果，并补S-R个0后进行S点FFT运算，其中复数相关结果I+jQ是数字中频信号分别经过相关器I(105)和相关器Q(106)后所组成的复数结果，j是虚数单位，具体信号运算过程如下所述。

假设接收信号经过数字下变频后，得到的数字基带信号为：

$r\left(k\right)=D\left(k\right)\mathrm{PN}\left(k\right)e^{j(2\mathrm{\π}{f}_{d}k{T}_s-\mathrm{\θ})}$

其中D(k)为二进制调制信息(如比特信息或NH码)，PN(k)为扩频码，即PN码，f_d为多普勒频偏，T_s为PN码持续时间，θ为信号相位。

将码片长度为M的基带信号平均分成R段，每段长度为P，P＝M/R。第i段(i＝1，2，3…R)信号样点与对应段的本地PN码样点相关，在暂时不考虑二进制调制信息影响的情况下，得到相关值：

其中，R(Δ)为PN码的自相关函数，Δ为接收信号与本地PN码的码相位差。通过差分相关器模块(101)之后，本地确定PN码相位偏移量，故此处只需进行一次运算，即可估计出多普勒频偏和PN码相位偏移值。将R个相关值补S-R个0(通常情况下R＜S)后进行S点的FFT运算，得到S个FFT输出为：

对输出结果取模得：

当PN码相位未同步时，R(Δ)≈0，FFT输出的S个捕获检测量均不超过门限值，这时需调整本地码相位继续搜索；而本方案中，差分相关器模块(101)已预先估计出PN码相位偏移量，故此时存在R(Δ)≈1，捕获检测量如下：

$Z\left(m\right)={\left|\frac{\sin \left(\frac{M}{R}\mathrm{\π}{f}_d{T}_s\right)}{\sin \left(\mathrm{\π}{f}_d{T}_s\right)}\right|}^2\·{\left|\frac{\sin \left[\mathrm{\πR}(f_d\frac{M}{R}{T}_s-\frac{m}{S})\right]}{\sin \left[\mathrm{\π}(f_d\frac{M}{R}{T}_s-\frac{m}{S})\right]}\right|}^2$

检测量中，第一项为积分段内频偏造成的信噪比损失，与m值无关。第二项的大小随m变化，当时，对应的使第二项达到最大，此时捕获判决量Z(m)≈M²，估计得到的多普勒频偏为此外，为了便于接收机硬件实现，此处分段相关器R通常取值为256，S通常取值为512。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种GNSS新体制信号捕获装置，包括差分相关器模块(101)、混频器I(102)、混频器Q(103)、载波NCO(104)、相关器I(105)、相关器Q(106)、PN码发生器(107)、分段相关补零FFT模块(108)和捕获检测控制模块(109)，其特征在于：差分相关器模块(101)用于确定所接收的数字中频输入信号PN码相位偏移量，差分相关器模块(101)的输出信号同时与混频器I(102)和混频器Q(103)连接，并分别与所述载波NCO(104)产生的正弦、余弦信号相乘，混频器I(102)与相关器I(105)连接，混频器Q(103)与相关器Q(106)连接，PN码发生器(107)同时与相关器I(105)和相关器Q(106)连接，用于相关消除所接收的卫星信号中的PN码，相关器I(105)和相关器Q(106)与分段相关补零FFT模块(108)连接，用于确定接收卫星信号的多普勒频偏，捕获检测控制模块(109)与分段相关补零FFT模块(108)连接，对FFT结果取模运算，并与预先设定的捕获检测量门限值比较，并进行捕获结果输出。

2.根据权利要求1所述的GNSS新体制信号捕获装置，其特征在于：所述数字中频输入信号是卫星导航接收机接收到的卫星信号经过下变频混频、中频信号滤波放大、模数转换之后的数字中频信号。

3.根据权利要求1所述的GNSS新体制信号捕获装置，其特征在于：所述差分相关器模块(101)包括信号延时模块(201)、乘法器(202)和信号延时控制模块(203)。

4.根据权利要求3所述的GNSS新体制信号捕获装置，其特征在于：所述信号延时模块(201)与乘法器(202)连接，用于延时卫星数字中频输入信号，并与信号延时控制模块(203)连接。

5.根据权利要求4所述的GNSS新体制信号捕获装置，其特征在于：所述信号延时控制模块(203)与信号延时模块(201)连接，用于控制数字中频输入信号的延时采样点数量，并对经过所述乘法器(202)的信号相乘结果进行取模运算和结果评估。

6.根据权利要求1所述的GNSS新体制信号捕获装置，其特征在于：所述的分段相关补零FFT模块(108)用于将M点复数相关结果I+jQ平均分成R段，每段长度为M/R，并对每一个分段相关器分别进行非相干累加，组成R点复数结果，并补S-R个0后进行S点FFT运算，其中复数相关结果I+jQ是数字中频信号分别经过相关器I(105)和相关器Q(106)后所组成的复数结果，j是虚数单位，M是跟踪卫星的码片数，R的取值范围是2～512，S的取值范围是512～4096。