伪卫星跳时信号捕获装置和方法制造方法及图纸

本申请公开了一种伪卫星跳时信号捕获装置和方法。该伪卫星跳时信号捕获方法包括：先获得待捕获伪卫星信号的跳时脉冲位置估计，然后获得待捕获伪卫星信号的多普勒估计。根据本申请的伪卫星跳时信号捕获装置和方法，通过分离捕获，降低了搜索维度，减少了计算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
伪卫星跳时信号捕获装置和方法
本申请涉及导航
，具体地，涉及伪卫星跳时信号捕获装置和方法。
技术介绍
传统的卫星导航系统中，导航卫星采用直接序列扩频(DSSS)信号，所有卫星通过采用不同的扩频码以码分多址复用(CDMA)的形式同时在相同的载波频率上发射信号。在捕获过程中，接收机一般通过二维分格搜索的方式遍历所有可能的扩频码相位及载波多普勒的取值，产生一系列本地复现信号，然后利用这些复现信号与接收信号进行相关运算，通过最大相关值获得扩频码相位和载波多普勒的估计值。伪卫星系统很大程度上沿用了传统GNSS系统的直接序列扩频信号，不过由于伪卫星系统用户与各个伪卫星间的距离可能存在较大不同，因此会产生严重的远近效应问题，无法仅依靠码分多址的方式来区分出较弱信号。为了解决这一问题，在伪卫星系统在传统GNSS信号的基础上又引入了跳时脉冲发射机制，即采用了一种直接序列扩频-跳时信号(TH-DSSS)体制。伪卫星系统的直接序列扩频-跳时信号体制是指，将伪卫星信号划分成连续的持续时间为Tp的信号帧，而一个信号帧又被平均分为若干个脉冲时隙Ts，伪卫星系统中的每一颗伪卫星仅在一个完整的信号帧内的某个脉冲时隙发射直接序列扩频脉冲信号。这样，在一个发射周期内，不同的伪卫星将占用不同的脉冲时隙。同时，为了防止某颗伪卫星的脉冲信号的周期出现对定位信号频谱产生影响而造成接收机误锁的问题，伪卫星设计者会为每颗伪卫星都预设一个伪随机的跳时序列，以标定该卫星发射脉冲信号的时隙。图1示出了某一颗伪卫星发射的直接序列扩频脉冲信号。在跳时信号体制下，每一颗伪卫星都将严格按照跳时序列指示的时隙，以一种近似随机的间隔来发射直接序列扩频脉冲信号。虽然伪卫星系统所采用的TH-DSSS类型的信号体制从很大程度上继承了GNSS信号的特点，但是由于其独特的跳时脉冲特性，使得GNSS系统中常用的捕获算法并不能直接借用到伪卫星信号捕获中来。因此，设计一套稳定高效的脉冲伪卫星信号捕获方案是十分必要的。
技术实现思路
本申请的目的是提供伪卫星跳时信号捕获装置和方法。根据本申请的一个方面，提供了一种伪卫星跳时信号捕获方法，该伪卫星跳时信号捕获方法包括：先获得待捕获伪卫星信号的跳时脉冲位置估计，然后获得待捕获伪卫星信号的多普勒估计。根据本申请的一个方面，提供了一种伪卫星跳时信号捕获装置，该伪卫星跳时信号捕获装置包括：跳时脉冲位置估计单元，获得待捕获伪卫星信号的跳时脉冲位置估计；以及多普勒估计单元，获得待捕获伪卫星信号的多普勒估计。根据本申请的伪卫星跳时信号捕获装置和方法，通过分离捕获，减少了计算复杂度。附图说明图1示出了伪卫星跳时信号体制下某一颗伪卫星发射的直接序列扩频脉冲信号。图2示出了伪卫星跳时信号中的单个脉冲信号的相关性随频率误差和扩频码相位误差的变化曲线。图3示出了根据本申请的一种实施方式的伪卫星跳时信号捕获装置的方框示意图。图4示出了根据本申请的一种实施方式的伪卫星跳时信号捕获方法的流程示意图。图5示出了根据本申请的另一种实施方式的伪卫星跳时信号捕获装置的方框示意图。图6示出了伪卫星系统中一种示意性的通过跳时码表形式表示的跳时图样。图7示出了根据本申请的一种实施方式，包含不同脉冲个数的跳时脉冲信号所对应的震荡函数的包络随多普勒估计误差变化的情况。图8示出了根据本申请的一种实施方式，使用多组脉冲信号进行多普勒估计时，其相关运算结果随多普勒估计误差变化的情况。具体实施方式下面参照附图对本申请公开的伪卫星跳时信号捕获装置和方法进行详细说明。为简明起见，本申请各实施方式的说明中，相同或类似的装置使用相同或相似的附图标记。在伪卫星系统中，某一颗伪卫星所发射的信号ss(t)(以BPSK调制为例)可以表示为：其中，Ps表示伪卫星信号发射功率，d(t)为导航电文，c(t)为这颗伪卫星的扩频码，fRF表示伪卫星信号载波频率，φ0为初始载波相位，h(t)为跳时选通序列。跳时选通序列h(t)是一个取值为{0,1}的二进制序列，与这颗卫星的跳时图样相对应，在跳时图样规定的脉冲发射时隙取1，其他时刻取0。对于包含Z颗伪卫星的伪卫星系统，接收机接收到的伪卫星跳时信号sr(t)可以表示为：其中，i表示伪卫星信号(或伪卫星基站)编号，Z表示当前伪卫星系统中所包含的基站数目，n(t)表示噪声干扰，通常为高斯白噪声。表示接收机接收到的第i个伪卫星基站所发出的信号，Pi表示该信号的接收功率，fIF表示接收机标称的下变频后的信号中频，表示由多普勒效应所产生的载波多普勒偏移，φi表示该跳时脉冲信号的初始接收载波相位。一般情况下，接收信号中的电文都是缓变量，其存在与否对信号的捕获不会产生影响，此外信号接收功率Pi一般情况下为定值，对分析不产生本质性影响。为了方便后续描述，这里可以忽略电文项和信号接收功率项，跳时脉冲信号表示为：可以理解，由于接收机通常会对接收到的接收信号进行下变频处理后，再进行捕获处理，本申请中所提到的接收信号均指经接收机下变频处理后的信号。当接收机接收到上述伪卫星跳时信号，并需要对某一颗伪卫星信号进行捕获时，一种参考GNSS系统中卫星信号捕获方式的捕获方法包括：在本地生成具有不同扩频码和载波多普勒偏移的一个时隙长度的复现信号，将复现信号与接收信号进行相关运算，以获得跳时脉冲位置和载波多普勒估计。但是，由于该方法需要针对脉冲位置和多普勒偏移进行二维搜索，计算复杂度高。此外，由于该方法基于一个时隙长度的复现信号进行脉冲位置和多普勒估计，而伪卫星跳时信号的脉冲时隙短，因此针对一个时隙长度处理时其相关结果随载波多普勒估计误差变化相当缓慢，从而这种捕获方式不易获得正确的估计。此外，如果跳时信号采用QPSK调制，则其相关运算的峰值会偏离载波多普勒的真实估计值，此时这种捕获方法将无法获得正确的多普勒估计。而且，伪卫星信号占空比较低，该方法在成功检测到一个脉冲之前往往需要在原本没有脉冲的位置进行多次无用的检测，其算法效率低。为此，在本申请中，对伪卫星跳时信号的特性进行了研究。通常，伪卫星系统中的伪卫星(伪卫星基站)是静止不动的，因此伪卫星系统内的多普勒频移主要是由用户的运动及接收机钟漂就造成的。例如，对于L波段的伪卫星信号而言，150m/s的相对运动会造成不超过998Hz的多普勒频移，此外接收机时钟1ppm的频率偏差率相当于约2000Hz的频率偏差量。综合上面两种因素，可以认为，一般伪卫星系统中接收机接收伪卫星信号时，最大多普勒频移量为±3kHz。图2示出了伪卫星跳时信号中的单个脉冲信号的相关性随频率误差和扩频码相位误差的变化曲线。如图所示，即使在最大多普勒偏移情况下，也最多仅会使相关值衰减不到15％。此外，在整个多普勒偏移的范围中在适当的扩频码相位处都会出现明显的相关峰值。因此，本申请考虑在对伪卫星跳时信号进行捕获时，即使在处理过程中先忽略载波多普勒的影响，依然可以通过扩频码精确估计出脉冲位置，而获得了脉冲位置以后，可以进一步估计多普勒偏移。利用这一特性，可以实现跳时信号的分离捕获。图3示出了根据本申请的一种实施方式的伪卫星跳时信号捕获装置的方框示意图。如图3所示，根据本申请的一种实施方式的跳时信号捕获装置10包括跳时脉冲位置估计单元100和多普勒估计单元200。跳时脉冲位置估计单元1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种伪卫星跳时信号捕获方法，包括：先获得待捕获伪卫星信号的跳时脉冲位置估计，然后获得待捕获伪卫星信号的多普勒估计。

【技术特征摘要】
1.一种伪卫星跳时信号捕获方法，包括：先获得待捕获伪卫星信号的跳时脉冲位置估计，然后获得待捕获伪卫星信号的多普勒估计。2.如权利要求1所述的伪卫星跳时信号捕获方法，包括：通过待捕获伪卫星的扩频码信号，获得待捕获伪卫星信号的跳时脉冲位置估计；根据所获得的跳时脉冲位置估计，通过多脉冲联合估计获得所述待捕获伪卫星信号的多普勒估计。3.如权利要求1或2所述的伪卫星跳时信号捕获方法，包括：本地复现一个时隙长度的待捕获伪卫星的扩频码信号，将复现的扩频码信号与接收信号进行相关运算，获得待捕获伪卫星信号的跳时脉冲位置估计；以及根据所获得的跳时脉冲位置估计，本地复现包含多普勒信息的待捕获伪卫星的跳时脉冲信号，确定接收信号中与所复现的跳时脉冲信号位置相对应的信号，将所复现的跳时脉冲信号与位置相对应的接收信号进行相关运算，获得所述待捕获伪卫星信号的多普勒估计。4.如权利要求3所述的伪卫星跳时信号捕获方法，其中，将复现的一个时隙长度的扩频码信号与一个以上信号帧长度的接收信号进行滑动相关运算，获得起始脉冲位置；根据所获得的起始脉冲位置确定后续时隙位置，将复现的一个时隙长度的扩频码信号与后续每一个时隙位置所对应的接收信号进行相关运算，获得后续多个脉冲位置；将起始脉冲位置和后续多个脉冲位置与待捕获伪卫星的跳时图样进行匹配，确定所有脉冲位置以获得跳时脉冲位置估计。5.如权利要求3所述的伪卫星跳时信号捕获方法，其中，所复现的跳时脉冲信号包括位于多个脉冲位置上的脉冲信号，所述多个脉冲位置根据所述跳时脉冲位置估计确定。6.如权利要求3所述的伪卫星跳时信号捕获方法，其中，所述多普勒信息包括一系列多普勒偏移，将包含各多普勒偏移的跳时脉冲信号与相应位置处的接收信号进行相关运算，搜索最大相关值所对应的多普勒偏移，确定待捕获伪卫星信号的多普勒估计。7.如权利要求3所述的伪卫星跳时信号捕获方法，其中，所复现的跳时脉冲信号包括多组信号，所述多组信号中的每一组信号包括位于多个脉冲位置上的脉冲信号，将包含多普勒信息的每一组信号和与该组信号的位置相对应的接收信号进行相关运算，将各组信号所对应的相关运算结果进行非相干累加，根据非相干累加结果，确定所述待捕获伪卫星信号的多普勒估计。8.如权利要求3所述的伪卫星跳时信号捕获方法，其中，确定所复现的跳时脉冲信号的多个脉冲位置上的脉冲信号所对应的所有电文组合方式，在每一种电文组合方式下对所复现的包含多普勒信息的跳时脉冲信号和位置相对应的接收信号进行相关运算，根据各电文组合方式下的相关运算结果，确定所述待捕获伪卫星信号的多普勒估计。9.一种伪卫星跳时信号捕获装置，包括：跳时脉冲位置估计单元，获得待捕获伪卫星信号的跳时脉冲位置估计；以及多普勒估计单元，获得待捕获伪卫星信号的多普勒估计。10.如权利要求9所述的伪卫星跳时信号捕获...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚铮，运世洁，王腾飞，陆明泉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11