一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法，属于卫星导航信号处理领域。本发明专利技术基于FPGA计算噪声门限快速进行捕获成功判决，同时通过额外增加精捕模块，采用粗捕、精捕并行处理算法进一步缩短捕获时间。该方法克服了传统捕获算法对伪码相位进行全部搜索时间过长问题，另外通过将传统粗捕、精捕串行处理改为并行处理方式，进一步压缩捕获时间。本发明专利技术中的快速捕获方法，仅额外占用少量硬件逻辑资源，通过优化软件算法，捕获速度远远优于传统算法，有利于在星载接收机中进行推广应用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法


[0001]本专利技术涉及一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法，属于卫星导航中的信号处理


技术介绍

[0002]随着商业航天的发展，在近地轨道实现通信、导航以及遥感已经成为研究热点。与中高轨卫星的导航定位手段有所不同，低轨卫星通过搭载GNSS接收机获得位置、速度和时间信息。由于星载GNSS接收机成本较低和性能优异，其已经成为低轨卫星平台的标配，除了为卫星平台提供位置等信息外，其观测数据也用于高精度定轨等应用。
[0003]常规星载接收机捕获信号时分为粗捕和精捕两个阶段，粗捕阶段从第一个伪码相位开始对全部伪码相位进行搜索，各个伪码相位对应的最大相关值与捕获门限进行比较，如果超过门限则认为捕获成功，此后转为精捕阶段。精捕阶段实现对载波相位的精确估计，精捕与粗捕阶段共用同一FPGA捕获模块资源，是串行计算关系。低轨卫星速度快，单颗卫星的可见时间长度较短，由常规捕获流程可以看出导航信号捕获时间较长，不能及时捕获到可见卫星信号，造成接收机冷启动时间变长，影响GNSS数据完整率。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了克服传统星载接收机GNSS信号捕获时间长的问题，提出一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法，本方法可缩短捕获时间，适用于各类卫星导航接收终端。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法，基于FPGA实现，所述FPGA中运行有数字下变频模块、粗捕模块以及精捕模块，所述粗捕模块和精捕模块并行工作；包括如下步骤：
[0007]步骤1，卫星导航接收机对射频模拟信号进行下变频和AD采样，得到数字中频信号，然后利用数字下变频模块将数字中频信号变换为基带信号；
[0008]步骤2，接收机产生待捕获的100组1ms长度卫星伪码序列，各组伪码序列依次延迟半个伪码相位；
[0009]步骤3，接收机启动粗捕处理，通过粗捕模块进行粗捕；
[0010]步骤4，接收机启动精捕处理，通过精捕模块进行精捕；
[0011]步骤5，根据精捕结果对输入基带信号进行频率估计；
[0012]步骤6，将频率值估计值转换为频率控制字，用于接收机本地载波生成，此时捕获阶段结束。
[0013]进一步的，步骤3的具体方式为：
[0014]步骤301，接收机产生的各组伪码序列分别与输入的1ms基带信号进行相关，得到100段10us短积分结果；对各组码相位生成的100段短积分值进行512点FFT处理，完成并行频率搜索，频率分辨率为195.3Hz；
[0015]步骤302，对下一毫秒基带数据进行步骤3操作，将各组512点FFT结果进行对应点非相干累加，得到100
×
512个非相干累积结果；
[0016]步骤303，搜索100
×
512个非相干累积结果的最大值，若最大值超过捕获门限则粗捕成功，此时不再进行剩余伪码相位搜索，记录最大值对应伪码序列，接收机启动精捕处理，同时开始下一颗卫星的粗捕处理；如果最大值未超过捕获门限，则接收机延迟100个半码片相位重新产生100组卫星伪码序列，再次进行步骤301～302操作；若完成所有伪码相位的遍历搜索后非相干累积最大值仍未超过捕获门限，则粗捕失败，此时进行下一颗卫星的粗捕处理。
[0017]进一步的，步骤4的具体方式为：
[0018]接收机基于粗捕得到的最大伪码序列产生10组1ms长度卫星伪码序列，各组伪码依次延迟半个伪码相位；对10组伪码序列与输入基带信号进行短积分、FFT与10次非相干累积处理，若最大非相干累积结果超过捕获门限，则精捕成功，记录最大值对应伪码序列，开始进行频率估计；否则精捕失败，启动下一颗卫星的粗捕处理。
[0019]进一步的，步骤5的具体方式为：
[0020]将精捕获得的最大值对应伪码序列与输入基带信号进行短积分、FFT与10次非相干累积处理，其中，FFT非相干累积最大相关值为y，对应FFT中位置为k；y值左右侧对应的非相干累积值分别为y1,y2；
[0021]通过二次拟合，得到频率估计值为：
[0022]本专利技术与现有技术相比所取得的有益效果为：
[0023]1、本专利技术结合GNSS星历和接收机位置对本地伪码相位进行初始化，只要与输入信号的相关值超过捕获门限即认为粗捕成功，不用对全部伪码相位进行搜索，节省了捕获时间。
[0024]2、本专利技术通过在FPGA中增加一个新的捕获模块，来实现粗捕与精捕的并行计算，进一步节省捕获时间。
[0025]3、从工程实现角度考虑，本专利技术增加的捕获模块占用很小的FPGA逻辑资源，不会影响FPGA器件选型，不会增加接收机成本，有利于在星载接收机中进行推广应用。
[0026]总之，本专利技术基于GNSS星历和接收机位置进行本地伪码相位预测，与FPGA计算得到的噪声门限比较，从而快速进行捕获成功判决，同时，采用粗捕/精捕并行处理方式，进一步缩短捕获时间。本专利技术方法适用于各类卫星导航接收终端。
附图说明
[0027]通过下文对实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得更加清楚明了。附图仅用于示出优先实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。在附图中：
[0028]图1是本专利技术一个实施例所述的基于低轨卫星的导航信号快速捕获的流程示意图。
具体实施方式
[0029]下面将参照附图对本专利技术作进一步解释说明。
[0030]如图1所示，一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法，该方法包括如下步骤：
[0031]S1，卫星导航接收机对射频模拟信号进行下变频和AD采样变换为数字中频信号，利用DDC数字下变频模块将数字中频变换到基带信号；
[0032]S2，接收机产生待捕获的卫星伪码序列；
[0033]S3，接收机启动粗捕处理，采用匹配滤波方法进行信号粗捕获。时域采用滑动方式对伪码相位进行搜索，频率采用FFT方式进行频率并行搜索；
[0034]S4，对相关值结果进行多次非相干累积；
[0035]S5，伪码搜索过程中，非相干累积相关值超过捕获门限，启动精捕处理，同时开始下一颗卫星粗捕处理。如完成所有伪码相位的遍历搜索，相关值未超过捕获门限，则进行下一颗卫星信号粗捕处理；
[0036]S6，进行精捕处理阶段，对输入卫星信号重新进行相关，如相关值超过捕获门限，则进行频率估计。否则精捕结束，启动下一颗卫星粗捕；
[0037]步骤7，启动频率精确估计，重置本地载波频率，捕获阶段结束，进入信号牵引阶段；
[0038]其中，步骤S5具体包括如下步骤：
[0039](501)粗捕处理使用FPGA中粗捕模块，此模块支持M组伪码相位并行搜索，粗捕FPGA处理器对M组伪码相位对应的相关值结果进行相加后再求取其平均值得到噪声基底N，捕获门限定义为1.5
×
N；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法，其特征在于，基于FPGA实现，所述FPGA中运行有数字下变频模块、粗捕模块以及精捕模块，所述粗捕模块和精捕模块并行工作；包括如下步骤：步骤1，卫星导航接收机对射频模拟信号进行下变频和AD采样，得到数字中频信号，然后利用数字下变频模块将数字中频信号变换为基带信号；步骤2，接收机产生待捕获的100组1ms长度卫星伪码序列，各组伪码序列依次延迟半个伪码相位；步骤3，接收机启动粗捕处理，通过粗捕模块进行粗捕；步骤4，接收机启动精捕处理，通过精捕模块进行精捕；步骤5，根据精捕结果对输入基带信号进行频率估计；步骤6，将频率值估计值转换为频率控制字，用于接收机本地载波生成，完成捕获。2.根据权利要求1所述的一种基于低轨卫星的导航信号快速捕获方法，其特征在于，步骤3的具体方式为：步骤301，接收机产生的各组伪码序列分别与输入的1ms基带信号进行相关，得到100段10us短积分结果；对各组码相位生成的100段短积分值进行512点FFT处理，完成并行频率搜索，频率分辨率为195.3Hz；步骤302，对下一毫秒基带数据进行步骤3操作，将各组512点FFT结果进行对应点非相干累加，得到100
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512个非相干累积结果；步骤303，搜索100
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【专利技术属性】
技术研发人员：谢松，蔚保国，易卿武，伍蔡伦，孙一雄，王刚，杨轩，刘晓旭，韩双林，刘天立，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：