一种基于平均渐近相位搜索的GNSS卫星信号捕获方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于平均渐近相位搜索的GNSS卫星信号捕获方法和系统，其中，该方法对同一卫星的捕获过程分为两个部分：首先基于平均相关法，通过粗捕获确定载波频率，粗捕获过程仅采用1个序列进行载波频率搜索；其次采用平均渐近法对相位进行细捕获，由于零频信号的16个相关序列峰值呈现单峰单谷规律，故本发明专利技术提出平均渐近法通过几轮细捕不断缩小需要相关的序列范围，逐渐接近最精确的码相位，因此针对零频信号不需要完成全部16个序列的相关。当采样率为16.368Mhz时，最多只需要完成9个序列的相关，计算量为不采用平均渐近法的56％，在减少计算量的同时能够达到1/16的相位精度。在减少计算量的同时能够达到1/16的相位精度。在减少计算量的同时能够达到1/16的相位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于平均渐近相位搜索的GNSS卫星信号捕获方法和系统


[0001]本专利技术涉及卫星定位领域，尤其涉及一种基于平均渐近法相位搜索的GNSS信号捕获方法、装置、设备和介质。

技术介绍

[0002]GNSS(Global Navigation Satellite System)是全球导航卫星定系统，能为全球陆、海、空的各类载体提供全天候、高精度的位置、速度和时间信息，包括四个系统：美国的GPS系统、欧洲的Galileo系统、俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗系统。
[0003]GNSS包括诸多卫星星座、接收机与监测系统，目前GNSS接收机已广泛应用与民用技术、科学研究和军事领域。接收机基带信号处理过程通常包括捕获和跟踪两个部分，其中通过捕获得到卫星信号的伪码相位和载波频率的粗略估计值，之后将两者送给跟踪模块完成对两者的精确估计，捕获是接收机设计中的关键技术。
[0004]典型的捕获算法包括时域串行捕获算法、频率并行捕获算法和码并行捕获算法。其中基于码并行捕获算法相较前两种方法的搜索次数更少、捕获时间更短，因此码并行捕获算法一直是GNSS接收机的研究热点。
[0005]尽管码并行捕获算法极大地减少了搜索次数，但实现时需要处理的数据量受到接收机采样率的影响。采样率越高，单位时间内的数据量越大，导致计算量、所需硬件资源超标，因此在开始处理数据时往往需要将数据进行下采样处理，由此产生基于码并行捕获算法改进的平均相关算法采用下采样方法将FFT点数减少到2048点，虽然减少了计算量但存在捕获码相位精度较低的问题。
[0006]因此，需要专利技术一种GNSS信号的快速捕获方法，使其能够在减少计算量的同时提高码相位的捕获精度。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种基于平均渐近相位搜索的GNSS卫星信号捕获方法和系统。
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种基于平均渐近相位搜索的GNSS卫星信号捕获方法，包括：S1，设置的卫星参数，伪码发生器根据设置的卫星参数产生L点本地伪码信号c(n)，下采样模块将信号c(n)下采样至N点后再通过FFT模块对N点进行下采样，将下采样结果送入FFT模块进行FFT变换后取共轭得到信号c(k)，将信号c(k)存储到本地伪码存储器中；接收卫星发出的GNSS信号，将GNSS信号s(n)存储在GNSS信号存储器；S2，进入粗捕获状态：设置第一支路和第二支路中载波发生器的载波频率，使两支路产生不同的载波频率；读取GNSS信号存储器中存储GNSS信号，根据预设的至少一个起始地址将GNSS信号s(n)分为M个序列，所述M个序列的起始地址不同，每个序列中的参数个数相同，基于预设规则将所述M个序列中选定序列作为输入数据，分别输入第一支路和第二支路，得到对应的第一支路结果和第二支路结果将所述于第一支路结果和第二支路结果分别和信号c(k)进行平均相关，得到对应的第一PPR比值和第二PPR比值，若第一PPR比值或第二PPR比值大于阈值，则根据比值大
于阈值的支路对应的载波频率设置第一支路和第二支路中的参数，并记录比值大于阈值的支路对应的相关结果的峰值参数和峰值相位，基于设置好的第一支路和第二支路进入S3细捕状态，粗捕获成功；否则修改第一支路和第二支路中载波发生器产生的载波频率，重复步骤S2，继续进行粗捕获；若载波频率的改变达到预设个数后，仍然不满足第一PPR比值或第二PPR比值大于阈值，则返回步骤S1从新设置的卫星参数，搜索下一个卫星；S3，细捕获状态：根据预设的步长公式和预设的至少一个起始地址从GNSS信号存储器中取出两个不同的GNSS信号作为信号s1(n)和信号s2(n)，信号s1(n)和信号s2(n)分别作为所述设置好的第一支路和第二支路的输入信号，读取出本地伪码存储器的信号c(k)，两个支路的输出信号分别和信号c(k)进行平均相关，若当前是第一轮细捕获，则将两个支路的相关结果的峰值分别和粗捕获成功时记录的峰值参数比较，得到最大值；若当前不是第一轮细捕获，则将两个支路的相关结果的峰值分别和上一轮细捕获得到的最大值进行比较，得到新的最大值；判断是否满足细捕终止条件，若满足细捕终止条件则结束当前卫星的捕获，计算并输出最终的峰值相位index_final和当前第一和/或第二支路的载波频率，进入步骤S4，计算公式为：index_final＝index_k*(L/N)+x
‑
1，其中，x为细捕获最后一轮得到的最大值对应的序列，记为最大序列，index_k为最大序列的峰值相位，L为本地伪码信号c(n)的点数，N为下采样之后的点数；S4，判断是否搜索完所有卫星，若未搜索完则返回步骤S1对下一颗卫星进行捕获，否则结束捕获。
[0009]进一步地，S2，进入粗捕获状态，包括：
[0010]S21，设置第一/第二支路中载波发生器的载波频率fd1/fd2，第一支路产生正、余弦载波信号：sin(2π*fd1)、cos(2π*fd1)，第二支路产生正、余弦载波信号：sin(2π*fd2)、cos(2π*fd2)，所述载波发生器产生的载波频率的公式为fdn＝fc
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fd_down+theta*i，其中，fdn为载波发生器的载波频率，n＝1或2表示当前为第一/第二支路，fc为GNSS信号的中频载波频率，多普勒频移的范围为：fd_down～fd_up，fd_down和fd_up均为定值，theta为预设的载波频率搜索步长，i为载波频率搜索次数，i＝0，1，2，
…
，(fd_up
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fd_down)/theta+1，fd1的初始i值设为0，fcd2的初始i值设为1；
[0011]S22，读取GNSS信号存储器中存储GNSS信号，根据预设的至少一个起始地址将GNSS信号分为M个序列，所述M个序列的起始地址不同，每个序列中的参数个数相同，将所述M个序列中第一个序列记为s(n)，将s(n)同时送入第一支路和第二支路进行平均相关，第一支路的平均相关过程为：将s(n)和第一支路载波发生器产生的正、余弦载波信号分别进行混频得到信号I(n)、Q(n)，然后分别将I(n)、Q(n)下采样至N点得到信号I`(n)、信号Q`(n)，将信号I`(n)、信号Q`(n)分别作为实部和虚部进行FFT变换得到变换得到数x(k)，取出本地伪码存储器内的变换得到数c(k)，将x(k)和c(k)进行复数相乘，然后将复数相乘结果进行IFFT变换，再将IFFT结果进行取模平方得到信号S1(t)，最后对S(t)进行峰值检测，得到第一支路对应的信号S1(t)的第一峰值参数、第一峰值相位、第一PPR比值，第二支路的平均相关过程与类似第一支路的平均相关过程类似，将s(n)送入第二支路进行平均相关得到第二支路对应的信号S2(t)的第二峰值参数、第二峰值相位、第二PPR比值；
[0012]S23，若第一PPR比值或第二PPR比值大于阈值，则根据比值大于阈值的支路对应的载波频率设置第一支路和第二支路中的参数，比值大于阈值的支路对应的载波频率记为fd`，并记录PPR比值大于阈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平均渐近相位搜索的GNSS卫星信号捕获方法，其特征在于，包括：S1，设置卫星参数，伪码发生器根据设置的卫星参数产生L点本地伪码信号c(n)，下采样模块将信号c(n)下采样至N点后再通过FFT模块对N点进行下采样，将下采样结果送入FFT模块进行FFT变换后取共轭得到信号c(k)，将信号c(k)存储到本地伪码存储器中；接收卫星发出的GNSS信号，将GNSS信号存储在GNSS信号存储器；S2，进入粗捕获状态：设置第一支路和第二支路中载波发生器的载波频率，使两支路产生不同的载波频率；读取GNSS信号存储器中存储GNSS信号s(n)，根据预设的至少一个起始地址将GNSS信号s(n)分为M个序列，所述M个序列的起始地址不同，每个序列中的参数个数相同，基于预设规则将所述M个序列中选定序列作为输入数据，分别输入第一支路和第二支路，得到对应的第一支路结果和第二支路结果将所述于第一支路结果和第二支路结果分别和信号c(k)进行平均相关，得到对应的第一PPR比值和第二PPR比值，若第一PPR比值或第二PPR比值大于阈值，则根据比值大于阈值的支路对应的载波频率设置第一支路和第二支路中的参数，并记录比值大于阈值的支路对应的相关结果的峰值参数和峰值相位，基于设置好的第一支路和第二支路进入S3细捕状态，粗捕获成功；否则修改第一支路和第二支路中载波发生器产生的载波频率，重复步骤S2，继续进行粗捕获；若载波频率的改变达到预设个数后，仍然不满足第一PPR比值或第二PPR比值大于阈值，则返回步骤S1从新设置的卫星参数，搜索下一个卫星；S3，细捕获状态：根据预设的步长公式和预设的至少一个起始地址从GNSS信号存储器中取出两个不同的GNSS信号作为信号s1(n)和信号s2(n)，信号s1(n)和信号s2(n)分别作为所述设置好的第一支路和第二支路的输入信号，读取出本地伪码存储器的信号c(k)，两个支路的输出信号分别和信号c(k)进行平均相关，若当前是第一轮细捕获，则将两个支路的相关结果的峰值分别和粗捕获成功时记录的峰值参数比较，得到最大值；若当前不是第一轮细捕获，则将两个支路的相关结果的峰值分别和上一轮细捕获得到的最大值进行比较，得到新的最大值；判断是否满足细捕终止条件，则结束当前卫星的捕获，计算并输出最终的峰值相位index_final和当前第一和/或第二支路的载波频率，进入步骤S4，计算公式为：index_final＝index_k*(L/N)+x
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1，其中，x为细捕获最后一轮得到的最大值对应的序列，记为最大序列，index_k为最大序列的峰值相位，L为本地伪码信号c(n)的点数，N为下采样之后的点数；S4，判断是否搜索完所有卫星，若未搜索完则返回步骤S1对下一颗卫星进行捕获，否则结束捕获。2.根据权利要求1所述的基于平均渐近相位搜索的GNSS卫星信号捕获方法，其特征在于，S2，进入粗捕获状态，包括：S21，设置第一/第二支路中载波发生器的载波频率fd1/fd2，第一支路产生正、余弦载波信号：sin(2π*fd1)、cos(2π*fd1)，第二支路产生正、余弦载波信号：sin(2π*fd2)、cos(2π*fd2)，所述载波发生器产生的载波频率的公式为fdn＝fc
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fd_down+theta*i，其中，fdn为载波发生器的载波频率，n＝1或2表示当前为第一/第二支路，fc为GNSS信号的中频载波频率，多普勒频移的范围为：fd_down～fd_up，fd_down和fd_up均为定值，theta为预设的载波频率搜索步长，i为载波频率搜索次数，i＝0，1，2，
…
，(fd_up
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fd_down)/theta+1，fd1的初始i值设为0，fcd2的初始i值设为1；
S22，读取GNSS信号存储器中存储GNSS信号，根据预设的至少一个起始地址将GNSS信号分为M个序列，所述M个序列的起始地址不同，每个序列中的参数个数相同，将所述M个序列中第一个序列记为s(n)，将s(n)同时送入第一支路和第二支路进行平均相关，第一支路的平均相关过程为：将s(n)和第一支路载波发生器产生的正、余弦载波信号分别进行混频得到信号I(n)、Q(n)，然后分别将I(n)、Q(n)下采样至N点得到信号I`(n)、信号Q`(n)，将信号I`(n)、信号Q`(n)分别作为实部和虚部进行FFT变换得到数x(k)，取出本地伪码存储器内的变换得到数c(k)，将x(k)和c(k)进行复数相乘，然后将复数相乘结果进行IFFT变换，再将IFFT结果进行取模平方得到信号S1(t)，最后对S(t)进行峰值检测，得到第一支路对应的信号S1(t)的第一峰值参数、第一峰值相位、第一PPR比值，第二支路的平均相关过程与类似第一支路的平均相关过程类似，将s(n)送入第二支路进行平均相关得到第二支路对应的信号S2(t)的第二峰值参数、第二峰值相位、第二PPR比值；S23，若第一PPR比值或第二PPR比值大于阈值，则根据比值大于阈值的支路对应的载波频率设置第一支路和第二支路中的参数，比值大于阈值的支路对应的载波频率记为fd`，并记录PPR比值大于阈值的支路对应的相关结果的峰值参数和峰值相位，峰值参数记为peak_max，峰值相位记为peak_index，基于设置好的第一支路和第二支路进入S3细捕状态，粗捕获成功；否则根据两支路中载波发生器的i值各增加1的方式修改第一/二支路中载波发生器产生的载波频率，重复步骤S2，继续进行粗捕获；若载波频率的改变达到预设个数后，仍然不满足第一PPR比值或第二PPR比值大于阈值，则返回步骤S1从新设置的卫星参数，搜索下一个卫星。3.根据权利要求2所述的基于平均渐近相位搜索的GNSS卫星信号捕获方法，其特征在于，S3细捕获状态，包括：S31，首先选取序列x，x为上一轮细捕获或粗捕获成功的序列的起始位置，按照步长公式(M
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K
)/3，其中M＝round(f
s
/f
ca
)，f
s
为接收机采样率，f
ca
为本地伪码信号c(n)的码速率，K为当前细捕轮数，分别以x
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(M
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K
)/3、x+(M
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21‑
K
)/3为起始地址读取GNSS信号存储器中的L点数据并分别输入两条支路，将输入第一支路和第二支路的输入序列分别记为s1(n)和s2(n)；S32，将两条支路中载波发生器的载波频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：张多利，杨国伟，郭子威，胡锐，宋宇鲲，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：