專利名稱：一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲研究領(lǐng)域，特別涉及一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)是20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娫诤＼娦l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上聯(lián)合研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它由空間段、地面控制段和用戶段三部分構(gòu)成。GPS系統(tǒng)在民用領(lǐng)域也獲得廣泛應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展為多領(lǐng)域、 多模式、多用途、多機(jī)型的國際性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。美國GPS系統(tǒng)是全球廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。目前，能與GPS系統(tǒng)進(jìn)入競爭領(lǐng)域的分別有俄羅斯的GL0NASS系統(tǒng)、歐洲的 “伽利略”系統(tǒng)和中國的北斗(COMPASS)系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的工作過程是衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號(RF)通過天線接收下來，通過一個(gè)無源的帶通濾波器濾波，以減小帶外射頻干擾，接著預(yù)放大，射頻信號下變頻到中頻 (IF)，再用模數(shù)(A/D)變換器對(IF)信號采樣和數(shù)字化，得到數(shù)字中頻信號(或數(shù)字基帶信號)，再送入數(shù)字基帶處理器(Digital Base-bandProcessor)進(jìn)行處理,主要是對信號進(jìn)行捕獲、跟蹤、解調(diào)，再作導(dǎo)航解算，偽距計(jì)算等，數(shù)字基帶處理器是衛(wèi)星信號接收機(jī)的核心。其中對數(shù)字基帶信號進(jìn)行處理，首先要進(jìn)行信號的捕獲，其目的是確定一個(gè)衛(wèi)星是否在接收機(jī)的可見范圍內(nèi)，如果衛(wèi)星可見，捕獲過程要完成兩個(gè)參數(shù)的捕獲碼相位和載波頻率，這其實(shí)是一個(gè)二維搜索過程。衛(wèi)星信號捕獲就是在頻率和PRN碼方向上進(jìn)行二維搜索得到粗略的載波頻率和碼相位的過程。捕獲是衛(wèi)星信號接收機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。目前常用的偽碼捕獲方法主要有發(fā)射參考信號法、序貫相關(guān)法、匹配濾波器法、滑動相關(guān)法等。發(fā)射參考信號法就是把調(diào)制了數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻信號和沒有數(shù)據(jù)調(diào)制的數(shù)據(jù)信號發(fā)射出去，在接收端直接用這兩部分進(jìn)行解擴(kuò)，該方法對多普勒頻移的影響不敏感，但系統(tǒng)的抗干擾性和對噪聲抑制能力很差。序貫相關(guān)法是一種能減少長碼捕獲時(shí)間的快速捕獲方法，但它先要對外來的PRN碼進(jìn)行檢測后才能注入移位寄存器，這點(diǎn)比較困難。匹配濾波器法優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)快速同步。但是對于長碼快速捕獲的匹配濾波器在現(xiàn)有工藝條件下硬件實(shí)現(xiàn)比較困難。在各種擴(kuò)頻系統(tǒng)中，滑動相關(guān)法使用最為廣泛。因?yàn)樵摲椒▽?shí)現(xiàn)簡單，而且不需要任何先驗(yàn)信息?；瑒酉嚓P(guān)法主要包括時(shí)域滑動相關(guān)法和頻域滑動相關(guān)法。時(shí)域滑動相關(guān)法采用接收信號和本地信號在時(shí)間域進(jìn)行多級相關(guān)積分，經(jīng)過多級的相關(guān)積分，信號強(qiáng)度得到大幅提升，從而得到相關(guān)峰值。該算法實(shí)現(xiàn)比較簡單，但是捕獲過程耗時(shí)較長。頻域滑動相關(guān)法的典型代表是Vanne等提出基于快速傅立葉變換(FFT)的PRN碼捕獲方法。該算法利用兩次FFT和一次逆傅立葉變換(IFFT)運(yùn)算計(jì)算接收信號和參考信號的相關(guān)峰值，從而確定多普勒頻偏和PRN碼相位。這種算法要進(jìn)行大點(diǎn)數(shù)的FFT運(yùn)算，尤其是點(diǎn)數(shù)不為2的冪次方時(shí)，運(yùn)算量比較大，對系統(tǒng)硬件資源要求較高。導(dǎo)航信號接收技術(shù)如今在室內(nèi)、高樓林立的城市街道和多層停車場等嚴(yán)重信號衰落環(huán)境下的應(yīng)用需求越來越多。絕大多數(shù)使用手持定位設(shè)備的用戶分布在高樓密集的城市地區(qū)，需要在室內(nèi)、高樓之間、地下停車場、高架道路等微弱信號環(huán)境中完成定位，在城市郊區(qū)和列車定位的控制應(yīng)用中，由于存在山體、建筑、樹木、隧道等障礙物，衛(wèi)星導(dǎo)航信號受遮擋、多徑效應(yīng)等影響，信號非常微弱，衰減嚴(yán)重。這些都給衛(wèi)星信號接收技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。在這些條件下普通接收機(jī)由于靈敏度的限制已無法使用。為了在微弱信號條件下正常接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，接收機(jī)需要增加信號能量累加時(shí)間，提高信噪比。提高相關(guān)器輸出的信噪比， 是實(shí)現(xiàn)微弱信號同步的唯一途徑。這意味著，不僅需要長時(shí)間積分和更為準(zhǔn)確的頻偏估計(jì)， 而且也需要增加硬件相關(guān)器的規(guī)模?，F(xiàn)行的許多積分方法均可統(tǒng)一為相干積分與非相干積分兩種方法的結(jié)合，區(qū)別在于相干積分的時(shí)間長度和非相干積分的次數(shù)。相干積分時(shí)間越長，相干增益越大，但相干積分長度也不是無限度的，它會受到多普勒頻移、導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特寬度和計(jì)算量等的限制。長時(shí)間相干積分的另一個(gè)問題是積分累加處理過程可能存在跨越導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)位的問題。如果積分時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)位發(fā)生跳變，將導(dǎo)致所處理數(shù)據(jù)信息的抵消，相干積分值反而降低。非相干積分不受符號跳變和載波多普勒的影響，可以在多個(gè)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)位上進(jìn)行能量累加。但是非相干積分的長度受碼多普勒的限制，而且隨著非相干累加次數(shù)增加，能量增加的效果不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有衛(wèi)星信號接收與處理技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供了一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲方法，該方法針對美國的GPS及我國的“北斗”(COMPASS) 兩個(gè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同場景下微弱衛(wèi)星信號的快速捕獲。本發(fā)明的一個(gè)目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲方法，包括以下步驟(I)根據(jù)當(dāng)前捕獲狀態(tài)，請求輸入對應(yīng)不同時(shí)間長度和起始點(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)字中頻信號;(2)對輸入的信號進(jìn)行數(shù)字下變頻、平均采樣和FFT操作，獲得零中頻、低采樣率的衛(wèi)星頻域信號；(3)進(jìn)入頻率搜索狀態(tài)，對于輸入的第I起始點(diǎn)部分?jǐn)?shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、差分相干積分和峰值檢測，并通過圓周移位搜索進(jìn)行頻率補(bǔ)償，檢測并記錄最大峰值和對應(yīng)的圓周移位點(diǎn)數(shù)n，并調(diào)整本地載波頻率為考慮多普勒頻移的頻率；(4)進(jìn)入起始點(diǎn)搜索狀態(tài)，對于除第I起始點(diǎn)外的其他起始點(diǎn)部分?jǐn)?shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、差分相干積分和峰值檢測，檢測并記錄所有起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組得到的峰值，最大峰值對應(yīng)著最佳起始點(diǎn)序號k ；(5)進(jìn)入正常捕獲狀態(tài)，輸入第k起始點(diǎn)的全部數(shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、差分相干積分和峰值檢測，得到的峰值與檢測門限比較，如果大于檢測門限，說明捕獲成功，輸出最大峰值及其對應(yīng)的碼相位和載波頻率；否則捕獲失敗。本發(fā)明還提供了一種基于上述高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲方法的捕獲系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括
數(shù)字下變頻模塊，用于對輸入的衛(wèi)星中頻信號采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字下變頻操作，獲得零中頻的衛(wèi)星采樣數(shù)據(jù)；平均采樣及塊累加模塊，與所述的數(shù)字下變頻模塊相連，用于對下變頻后的零中頻衛(wèi)星信號進(jìn)行平均采樣和塊累加操作，獲得低采樣率的零中頻衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)；FFT模塊，與所述的平均采樣及塊累加模塊相連，對衛(wèi)星信號執(zhí)行快速傅里葉變換，進(jìn)行碼相位頻域相關(guān)搜索；圓周移位模塊，與所述的FFT模塊相連，對衛(wèi)星信號的FFT輸出結(jié)果進(jìn)行多普勒圓周移位，實(shí)現(xiàn)對多普勒頻移的搜索；復(fù)數(shù)乘法器模塊，與所述的圓周移位模塊相連，用于對衛(wèi)星信號進(jìn)行相乘解擴(kuò)；本地PRN碼FFT共軛存儲器，與所述的復(fù)數(shù)乘法器模塊相連，用于存儲本地PRN碼 FFT后取共軛的結(jié)果；IFFT模塊，與所述的復(fù)數(shù)乘法器模塊相連，用于對復(fù)乘結(jié)果執(zhí)行逆向快速傅里葉變換，得到不同碼相位的相關(guān)結(jié)果；差分相干積分模塊，與所述的IFFT模塊相連，用于對不同碼相位的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行差分相關(guān)能量累加；峰值檢測模塊，與所述的差分相干積分模塊相連，用于對累加的相關(guān)能量峰值進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號捕獲及多普勒頻移和碼相位的輸出；時(shí)序控制模塊，與所述的數(shù)字下變頻模塊、平均采樣及塊累加模塊、FFT模塊、圓周移位模塊、本地PRN碼FFT共軛存儲器、復(fù)數(shù)乘法器模塊、IFFT模塊、差分相干積分模塊和峰值檢測模塊相連，時(shí)序控制模塊是基于捕獲流程利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，在不同的狀態(tài)輸出不同模塊的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的工作流程以及各個(gè)模塊的工作狀態(tài)控制。所述數(shù)字下變頻模塊包括直接數(shù)字頻率合成器，與圓周移位模塊相連，用于根據(jù)頻率控制產(chǎn)生一定頻率的正弦和余弦載波信號作為本地載波；數(shù)字混頻器，與所述直接數(shù)字頻率合成器相連，用于實(shí)現(xiàn)本地產(chǎn)生的中頻載波和輸入的衛(wèi)星中頻采樣數(shù)據(jù)混頻。更進(jìn)一步的,所述數(shù)字混頻器按照同相分量(In-phase component, I支路)和正交分量(Quadrature component, Q支路)分為I混頻器和Q混頻器，I混頻器和Q混頻器分別與外部輸入的衛(wèi)星中頻采樣數(shù)據(jù)混頻。所述平均采樣及塊累加模塊包括數(shù)據(jù)累加器，與所述的數(shù)字混頻器相連，用于對輸入數(shù)據(jù)的累加；2n地址產(chǎn)生器，與所述的數(shù)據(jù)累加器相連，產(chǎn)生2N個(gè)地址，供采樣數(shù)據(jù)存儲器使用；采樣數(shù)據(jù)存儲器，與所述的數(shù)據(jù)累加器、2N地址產(chǎn)生器和FFT模塊相連，用于存儲平均采樣及塊累加后的衛(wèi)星數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)輸出開關(guān)，與所述的數(shù)據(jù)累加器和采樣數(shù)據(jù)存儲器相連，用于在進(jìn)行塊累加操作時(shí)，控制將采樣數(shù)據(jù)存儲器讀出的上一個(gè)周期累加的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)累加器中與當(dāng)前的零中頻信號數(shù)據(jù)進(jìn)行累加。所述圓周移位模塊包括FFT實(shí)部存儲器，與所述的FFT模塊相連，用于存儲FFT輸出的實(shí)部數(shù)據(jù)；FFT虛部存儲器，與所述的FFT模塊相連，用于存儲FFT輸出的虛部數(shù)據(jù)；
圓周移位地址產(chǎn)生器，與所述的FFT實(shí)部存儲器和FFT虛部存儲器相連，用于根據(jù)移位點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生不同起始點(diǎn)的2N個(gè)地址。所述差分相干積分模塊包括差分相干處理模塊，與所述IFFT模塊相連，用于對相干結(jié)果執(zhí)行差分相干操作；相干結(jié)果實(shí)部存儲器，與所述差分相干處理模塊相連，用于存儲相干結(jié)果的實(shí)部數(shù)據(jù)，該存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的相干結(jié)果實(shí)部執(zhí)行相乘；相干結(jié)果虛部存儲器，與所述差分相干處理模塊相連，用于存儲相干結(jié)果的虛部數(shù)據(jù)，該存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的相干結(jié)果虛部執(zhí)行相乘；差分相干結(jié)果存儲器，與所述差分相干處理模塊和峰值檢測模塊相連，用于存儲和發(fā)送差分相干結(jié)果數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的差分相干結(jié)果執(zhí)行累加。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果I、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)不同場景下微弱衛(wèi)星信號的快速捕獲，具有運(yùn)算時(shí)間短、捕獲速度快的特點(diǎn)。本發(fā)明中塊累加次數(shù)、差分相干積分次數(shù)和捕獲閾值可以根據(jù)場景或者檢測到的信號信噪比進(jìn)行靈活設(shè)置，提高捕獲速度和靈敏度，體現(xiàn)了本發(fā)明技術(shù)方案的配置靈活性。在信號較強(qiáng)或者對于捕獲靈敏度要求不高的情況下，可以直接把IFFT得到的不同碼相位的相關(guān)結(jié)果直接輸入到峰值檢測模塊，直接判斷出對應(yīng)的碼相位信息及頻率信息， 這一處理提高了捕獲處理效率。2、本發(fā)明中的捕獲狀態(tài)包括頻率搜索狀態(tài)、起始點(diǎn)搜索狀態(tài)和正常捕獲狀態(tài)。其中，頻率搜索狀態(tài)讀入的是較短時(shí)間長度的第I起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組，目的是通過圓周移位搜索獲得多普勒頻移。相比于用完整數(shù)據(jù)段確定多普勒頻移，該方法降低了計(jì)算量。起始點(diǎn)搜索狀態(tài)讀入的是較短時(shí)間長度的除第I起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組外的其他起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組，目的是選擇最合適的起始點(diǎn)，使平均采樣后的點(diǎn)能很好地體現(xiàn)真正的信號。相比于用完整數(shù)據(jù)段確定最合適的起始點(diǎn)，該方法降低了計(jì)算量。正常捕獲狀態(tài)讀入的是完整長度的第k起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組，在頻率搜索狀態(tài)后，本地載波頻率已經(jīng)調(diào)整為考慮多普勒頻移后的中頻載波頻率。此時(shí)讀入完整長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，有利于提高捕獲信號的信噪比。3、本發(fā)明中，在平均采樣階段結(jié)合了塊疊加的思想，將輸入的L毫秒(ms)長(L < 20)的數(shù)據(jù)分成L個(gè)Ims的數(shù)據(jù)塊并按照周期段對應(yīng)疊加，再通過FFT模塊執(zhí)行頻域相關(guān)運(yùn)算，這樣可以令FFT/IFFT計(jì)算量減少L倍的次數(shù)，提高了運(yùn)算效率。4、本發(fā)明中，頻率及起始點(diǎn)搜索的目標(biāo)是為了尋找多普勒頻移和合適的數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，在峰值檢測時(shí)僅需要尋找最大峰值并輸出對應(yīng)的圓周移位點(diǎn)數(shù)和起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組的序號即可，不存在門限設(shè)置問題，簡化了操作。


圖I是本發(fā)明系統(tǒng)的基本組成框圖；圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中數(shù)字下變頻模塊的組成示意圖；圖3是本發(fā)明系統(tǒng)中平均采樣及塊累加模塊的組成示意圖4是本發(fā)明系統(tǒng)中圓周移位模塊的組成示意圖；圖5是本發(fā)明系統(tǒng)中差分相干積分模塊的組成示意圖；圖6是本發(fā)明方法的流程示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例中信號捕獲系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的處理流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例I如圖I所示，一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)，主要包括時(shí)序控制模塊、數(shù)字下變頻模塊、平均采樣及塊累加模塊、FFT模塊、圓周移位模塊、本地PRN碼FFT共軛存儲器、 IFFT模塊、復(fù)數(shù)乘法器模塊、差分相干積分模塊和峰值檢測模塊，其中數(shù)字下變頻模塊，用于對輸入的衛(wèi)星中頻信號采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字下變頻操作，獲得零中頻的衛(wèi)星采樣數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)輸入到平均采樣及塊累加模塊中進(jìn)行處理；平均采樣及塊累加模塊，與所述的數(shù)字下變頻模塊相連，用于對下變頻后的零中頻衛(wèi)星信號進(jìn)行平均采樣和塊累加操作，獲得低采樣率的零中頻衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)；FFT模塊，與平均采樣及塊累加模塊相連，用于對衛(wèi)星信號執(zhí)行快速傅里葉變換， 用于對衛(wèi)星信號進(jìn)行碼相位頻域相關(guān)搜索，相比于傳統(tǒng)的時(shí)域串行搜索方式大大提高了搜索的速度；圓周移位模塊，與FFT模塊相連，對衛(wèi)星信號的FFT輸出結(jié)果進(jìn)行多普勒圓周移位，實(shí)現(xiàn)對多普勒頻移的搜索；復(fù)數(shù)乘法器模塊，與圓周移位模塊相連，用于對衛(wèi)星信號進(jìn)行相乘解擴(kuò)；本地PRN碼FFT共軛存儲器，與所述的復(fù)數(shù)乘法器模塊相連，用于存儲本地PRN碼 FFT后取共軛的結(jié)果；IFFT模塊，與復(fù)數(shù)乘法器模塊相連，用于對復(fù)乘結(jié)果執(zhí)行逆向快速傅里葉運(yùn)算，得到不同碼相位的相關(guān)結(jié)果；差分相干積分模塊，與IFFT模塊相連，用于對不同碼相位的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行差分相關(guān)能量累加；峰值檢測模塊，與差分相干積分模塊相連，用于對累加的相關(guān)能量峰值進(jìn)行檢測， 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號捕獲及多普勒頻移和碼相位的輸出；時(shí)序控制模塊，與數(shù)字下變頻模塊、平均采樣及塊累加模塊、FFT模塊、圓周移位模塊、本地PRN碼FFT共軛存儲器、復(fù)數(shù)乘法器模塊、IFFT模塊、差分相干積分模塊和峰值檢測模塊相連，基于捕獲流程利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，在不同的狀態(tài)輸出不同模塊的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的工作流程以及各個(gè)模塊的工作狀態(tài)控制。其中控制參數(shù)包括各個(gè)模塊使能信號，復(fù)位信號，地址控制信號，圓周移位參數(shù)信號等。如圖2所示，該數(shù)字下變頻模塊主要包括直接數(shù)字頻率合成器和數(shù)字混頻器，其中直接數(shù)字頻率合成器，與圓周移位模塊相連，用于根據(jù)頻率控制產(chǎn)生一定頻率的正弦和余弦載波信號作為本地載波，本實(shí)施樣例中輸出的中頻載波頻率為4. 092MHz，頻率分辨率為O. 1Hz，輸出位寬為4bit ;當(dāng)然，其他實(shí)施例中也可以采用不同的中頻頻率；數(shù)字混頻器，與直接數(shù)字頻率合成器相連，用于實(shí)現(xiàn)本地產(chǎn)生的中頻載波和輸入衛(wèi)星中頻采樣數(shù)據(jù)混頻。數(shù)字混頻器按照同相分量和正交分量分為I混頻器和Q混頻器，I 混頻器和Q混頻器分別與外部輸入的衛(wèi)星中頻采樣數(shù)據(jù)混頻。在本實(shí)施樣例中，外部輸入的衛(wèi)星數(shù)字中頻信號為2bit采樣，與本地載波信號的混頻可以利用加法和取反等簡單的操作實(shí)現(xiàn)，避免使用乘法器的額外硬件開銷；如圖3所示，該平均采樣及塊累加模塊主要包括數(shù)據(jù)累加器、2N地址產(chǎn)生器、采樣數(shù)據(jù)存儲器和數(shù)據(jù)輸出開關(guān)，其中數(shù)據(jù)累加器，與數(shù)字混頻器相連，用于對輸入數(shù)據(jù)的累加，實(shí)現(xiàn)平均采樣和塊累加的功能；在本實(shí)施樣例中，采樣頻率為6. 144MHz，采用的平均采樣的累加次數(shù)為6次，平均采樣的次數(shù)可由外部參數(shù)輸入確定；2N地址產(chǎn)生器，與數(shù)據(jù)累加器相連，產(chǎn)生2N個(gè)地址，供采樣數(shù)據(jù)存儲器使用；采樣數(shù)據(jù)存儲器，本實(shí)施例中為RAM，與數(shù)據(jù)累加器、2N地址產(chǎn)生器和FFT模塊相連，用于存儲平均采樣及塊累加后的衛(wèi)星數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)輸出開關(guān)，與數(shù)據(jù)累加器和采樣數(shù)據(jù)存儲器相連，在進(jìn)行塊累加處理時(shí)，控制將采樣數(shù)據(jù)存儲器讀出的上一個(gè)周期累加的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)累加器中與當(dāng)前的零中頻信號數(shù)據(jù)進(jìn)行累加。如圖4所示，圓周移位模塊主要包括FFT實(shí)部存儲器、FFT虛部存儲器和圓周移位地址產(chǎn)生器，其中FFT實(shí)部存儲器，與FFT模塊相連，本實(shí)施例中為單口 RAM，且設(shè)置為readfirst的模式。該模式在向RAM寫入新數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端口輸出對應(yīng)地址的舊數(shù)據(jù)，節(jié)約了時(shí)鐘周期，用于存儲FFT輸出的實(shí)部數(shù)據(jù)；FFT虛部存儲器，與FFT模塊相連，本實(shí)施例中為單口 RAM，且設(shè)置為readfirst的模式。該模式在向RAM寫入新數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端口輸出對應(yīng)地址的舊數(shù)據(jù)，節(jié)約了時(shí)鐘周期，用于存儲FFT輸出的虛部數(shù)據(jù)；圓周移位地址產(chǎn)生器，與FFT實(shí)部存儲器和FFT虛部存儲器相連，用于根據(jù)移位點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生不同起始點(diǎn)的2Nf地址。該地址根據(jù)圓周移位點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生，用于讀寫FFT實(shí)部存儲器和FFT虛部存儲器的數(shù)據(jù)。讀寫地址產(chǎn)生規(guī)則如下設(shè)η為移位的點(diǎn)數(shù)，n e [_10，10]。當(dāng) η > O 時(shí),起始地址 start_address = 2N_n+l,當(dāng) η < O 時(shí),起始地址 start_address = -η。 該方法相比于一般的移位方法節(jié)約了硬件資源，同時(shí)利用多普勒圓周移位搜索代替頻率補(bǔ)償，減少了 FFT的運(yùn)算量。如圖5所示，差分相干積分模塊主要包括差分相干處理模塊、相干結(jié)果實(shí)部存儲器、相干結(jié)果虛部存儲器和差分相干結(jié)果存儲器，其中差分相干處理模塊，與IFFT相連，用于對相干結(jié)果執(zhí)行差分相干積分操作，得到的差分相干積分結(jié)果存儲于差分相干結(jié)果存儲器中；差分相干處理次數(shù)可以根據(jù)衛(wèi)星信號的強(qiáng)弱，由外部輸入靈活進(jìn)行控制；相干結(jié)果實(shí)部存儲器，與差分相干處理模塊相連，用于存儲相干結(jié)果的實(shí)部數(shù)據(jù)， 該存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的相干結(jié)果實(shí)部執(zhí)行相乘；
相干結(jié)果虛部存儲器，與差分相干處理模塊相連，用于存儲相干結(jié)果的虛部數(shù)據(jù)， 該存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的相干結(jié)果虛部執(zhí)行相乘；差分相干結(jié)果存儲器，與差分相干處理模塊相連，用于存儲和發(fā)送差分相干結(jié)果數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的差分相干結(jié)果執(zhí)行累加。峰值檢測模塊與所述的差分相干積分模塊相連，用于對差分相干積分的能量峰值進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號捕獲及多普勒頻移和碼相位的輸出。峰值檢測的門限可以預(yù)設(shè)經(jīng)驗(yàn)值，同時(shí)該模塊留有外部接口，可以由微處理器判斷不同場景并設(shè)置合理的峰值檢測門限。一般的衛(wèi)星數(shù)字中頻信號經(jīng)過FFT模塊后與本地PRN碼FFT共軛存儲器的數(shù)據(jù)相乘，再經(jīng)過IFFT模塊后得到不同碼相位的相關(guān)結(jié)果，再依次經(jīng)過差分相干積分模塊和峰值檢測模塊處理后可以被捕獲到多普勒頻移和碼相位。塊累加次數(shù)，差分相干積分次數(shù)和捕獲閾值可以根據(jù)場景或者檢測到的信號信噪比進(jìn)行靈活設(shè)置，提高捕獲速度和靈敏度，體現(xiàn)了本發(fā)明技術(shù)方案的配置靈活性。在信號較強(qiáng)或者對于捕獲靈敏度要求不高的情況下， 可以直接把IFFT得到不同碼相位的相關(guān)結(jié)果直接輸入到峰值檢測模塊，直接判斷出對應(yīng)的碼相位信息及頻率信息，這一處理提高了捕獲處理效率。圖6為本發(fā)明衛(wèi)星數(shù)字中頻信號捕獲方法流程示意圖。結(jié)合圖I至圖5的系統(tǒng)實(shí)施例，圖6所示的方法實(shí)施例主要包括以下幾個(gè)步驟步驟601，根據(jù)當(dāng)前捕獲狀態(tài)，請求輸入對應(yīng)不同時(shí)間長度和起始點(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)字中
頻信號；步驟602，對輸入的信號進(jìn)行數(shù)字下變頻、平均采樣和FFT操作，獲得零中頻、低采樣率的衛(wèi)星頻域信號；步驟603，進(jìn)入頻率搜索狀態(tài)，對于輸入的第I起始點(diǎn)部分?jǐn)?shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、差分相干積分和峰值檢測，并通過圓周移位搜索進(jìn)行頻率補(bǔ)償，檢測并記錄最大峰值和對應(yīng)的圓周移位點(diǎn)數(shù)n，并調(diào)整本地載波頻率為考慮多普勒頻移的頻率；步驟604，進(jìn)入起始點(diǎn)搜索狀態(tài)，對于除第I起始點(diǎn)外的其他起始點(diǎn)部分?jǐn)?shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、差分相干積分和峰值檢測，檢測并記錄所有起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組得到的峰值，最大峰值對應(yīng)著最佳起始點(diǎn)序號k ；步驟605，進(jìn)入正常捕獲狀態(tài)，輸入第k起始點(diǎn)的全部數(shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、 差分相干積分和峰值檢測，得到的峰值與檢測門限比較，如果大于檢測門限，說明捕獲成功，輸出最大峰值及其對應(yīng)的碼相位和載波頻率；否則捕獲失敗。圖7為本發(fā)明實(shí)施例中的信號捕獲系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的處理流程示意圖。如圖7 所示，該信號捕獲系統(tǒng)的實(shí)際處理流程主要包括如下步驟步驟701，根據(jù)捕獲狀態(tài)，讀取對應(yīng)時(shí)間長度和起始點(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)字中頻信號；步驟702，對衛(wèi)星數(shù)字中頻信號進(jìn)行數(shù)字下變頻、平均采樣及塊累加，獲得零中頻和低采樣率的數(shù)字中頻信號，再經(jīng)過FFT變換，得到該信號的頻域信號；步驟703，判斷是否完成頻率和起始點(diǎn)搜索，是則轉(zhuǎn)步驟713，否則轉(zhuǎn)步驟704 ；步驟704，利用多普勒圓周移位執(zhí)行頻率補(bǔ)償操作；
步驟705，對頻率補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果執(zhí)行復(fù)數(shù)乘法和IFFT ；步驟706，執(zhí)行差分相干和峰值檢測；步驟707，判斷現(xiàn)在輸入的是否為第I起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組，是則轉(zhuǎn)步驟708，否則轉(zhuǎn)步驟 711 ；步驟708，判斷頻率搜索是否完成，是則轉(zhuǎn)步驟709，否則轉(zhuǎn)步驟704 ；步驟709，輸出峰值對應(yīng)的多普勒圓周移位點(diǎn)數(shù)η ;步驟710，根據(jù)多普勒圓周移位點(diǎn)數(shù)改變本地載波頻率；步驟711，比較所有起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組的峰值，輸出最大峰值所對應(yīng)的起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組序號k ；步驟712，對第k起始點(diǎn)的完整長度數(shù)據(jù)組執(zhí)行復(fù)數(shù)乘法和IFFT ；步驟713，對第k起始點(diǎn)的完整長度數(shù)據(jù)組執(zhí)行差分相干積分和峰值檢測；步驟714，判斷峰值是否大于門限，是則轉(zhuǎn)步驟715，否則轉(zhuǎn)步驟717 ；步驟715，輸出最大峰值及其對應(yīng)的碼相位和載波頻率；步驟716,捕獲成功,置捕獲成功標(biāo)志位為I,操作結(jié)束；步驟717,捕獲失敗,置捕獲成功標(biāo)志位為O,操作結(jié)束。其中，捕獲狀態(tài)包括頻率搜索狀態(tài)、起始點(diǎn)搜索狀態(tài)和正常捕獲狀態(tài)。其中，頻率搜索狀態(tài)讀入的是較短時(shí)間長度的第I起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組，目的是通過圓周移位搜索獲得多普勒頻移。相比于用完整數(shù)據(jù)段確定多普勒頻移，該方法降低了計(jì)算量。其中，起始點(diǎn)搜索狀態(tài)讀入的是較短時(shí)間長度的除第I起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組外的其他起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組，目的是選擇最合適的起始點(diǎn)，使平均采樣后的點(diǎn)能很好地體現(xiàn)真正的信號。相比于用完整數(shù)據(jù)段確定最合適的起始點(diǎn)，該方法降低了計(jì)算量。本實(shí)施樣例中，完整數(shù)據(jù)段長度為100ms，頻率搜索和起始點(diǎn)搜索狀態(tài)采用的數(shù)據(jù)段均為10ms。其中，正常捕獲狀態(tài)讀入的是完整長度的第k起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組，在頻率搜索狀態(tài)后， 本地載波頻率已經(jīng)調(diào)整為考慮多普勒頻移后的中頻載波頻率。此時(shí)讀入完整長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，有利于提高捕獲信號的信噪比。其中，在平均采樣階段結(jié)合了塊疊加的思想，將輸入的L毫秒(ms)長(L < 20)的數(shù)據(jù)分成L個(gè)Ims的數(shù)據(jù)塊并按照周期段對應(yīng)疊加，再通過FFT模塊執(zhí)行頻域相關(guān)運(yùn)算，這樣可以令FFT/IFFT計(jì)算量減少L倍的次數(shù)，提高了運(yùn)算效率。其中，多普勒圓移點(diǎn)數(shù)由時(shí)序控制模塊輸出，本實(shí)施樣例中，搜索范圍確定在 [-IOKHz, IOKHz]的范圍內(nèi)，可以覆蓋一般情況下的多普勒頻移情況。其中，頻率及起始點(diǎn)搜索的目標(biāo)是為了尋找多普勒頻移和合適的數(shù)據(jù)起始點(diǎn)，在峰值檢測時(shí)僅需要尋找最大峰值并輸出對應(yīng)的圓周移位點(diǎn)數(shù)和起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組的序號即可， 不存在門限設(shè)置問題，簡化了操作。其中，峰值檢測的門限可以預(yù)設(shè)經(jīng)驗(yàn)值，也可以由外部設(shè)備(如微處理器)判斷不同場景和信噪比情況，通過外部接口設(shè)置合理的峰值檢測門限。其中，在本實(shí)施樣例中，數(shù)據(jù)塊的分塊數(shù)L和差分相干次數(shù)均預(yù)設(shè)了初始值10，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)當(dāng)前接受信號的信噪比情況或者對捕獲的靈敏度及速度的要求靈活設(shè)置。上述發(fā)明的各模塊或各步驟可用在通用計(jì)算平臺上實(shí)現(xiàn)。它們可用在通用計(jì)算平臺上用可執(zhí)行的程序代碼實(shí)現(xiàn)，或者做成集成電路IP核來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明不限制于任何特點(diǎn)的軟件和硬件的組合，具有較大的可適用性。雖然本發(fā)明所揭露的實(shí)施方式如上，但所述內(nèi)容只是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的高靈敏度信號捕獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方法在特定場合的具體實(shí)施方式
，并非用以限定本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實(shí)施的具體方式和細(xì)節(jié)上作一定的修改變化。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲方法，其特征在于，包括以下步驟(1)根據(jù)當(dāng)前捕獲狀態(tài)，請求輸入對應(yīng)不同時(shí)間長度和起始點(diǎn)的衛(wèi)星數(shù)字中頻信號；(2)對輸入的信號進(jìn)行數(shù)字下變頻、平均采樣和FFT操作，獲得零中頻、低采樣率的衛(wèi)星頻域信號；(3)進(jìn)入頻率搜索狀態(tài)，對于輸入的第I起始點(diǎn)部分?jǐn)?shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、差分相干積分和峰值檢測，并通過圓周移位搜索進(jìn)行頻率補(bǔ)償，檢測并記錄最大峰值和對應(yīng)的圓周移位點(diǎn)數(shù)n，并調(diào)整本地載波頻率為考慮多普勒頻移的頻率；(4)進(jìn)入起始點(diǎn)搜索狀態(tài)，對于除第I起始點(diǎn)外的其他起始點(diǎn)部分?jǐn)?shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、差分相干積分和峰值檢測，檢測并記錄所有起始點(diǎn)數(shù)據(jù)組得到的峰值，最大峰值對應(yīng)著最佳起始點(diǎn)序號k ；(5)進(jìn)入正常捕獲狀態(tài)，輸入第k起始點(diǎn)的全部數(shù)據(jù)段進(jìn)行頻域相關(guān)運(yùn)算、差分相干積分和峰值檢測，得到的峰值與檢測門限比較，如果大于檢測門限，說明捕獲成功，輸出最大峰值及其對應(yīng)的碼相位和載波頻率；否則捕獲失敗。
2.一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)字下變頻模塊，用于對輸入的衛(wèi)星中頻信號采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字下變頻操作，獲得零中頻的衛(wèi)星采樣數(shù)據(jù)；平均采樣及塊累加模塊，與所述的數(shù)字下變頻模塊相連，用于對下變頻后的零中頻衛(wèi)星信號進(jìn)行平均采樣和塊累加操作，獲得低采樣率的零中頻衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)；FFT模塊，與所述的平均采樣及塊累加模塊相連，對衛(wèi)星信號執(zhí)行快速傅里葉變換，進(jìn)行碼相位頻域相關(guān)搜索；圓周移位模塊，與所述的FFT模塊相連，對衛(wèi)星信號的FFT輸出結(jié)果進(jìn)行多普勒圓周移位，實(shí)現(xiàn)對多普勒頻移的搜索；復(fù)數(shù)乘法器模塊，與所述的圓周移位模塊相連，用于對衛(wèi)星信號進(jìn)行相乘解擴(kuò)；本地PRN碼FFT共軛存儲器，與所述的復(fù)數(shù)乘法器模塊相連，用于存儲本地PRN碼FFT 后取共軛的結(jié)果；IFFT模塊，與所述的復(fù)數(shù)乘法器模塊相連，用于對復(fù)乘結(jié)果執(zhí)行逆向快速傅里葉變換， 得到不同碼相位的相關(guān)結(jié)果；差分相干積分模塊，與所述的IFFT模塊相連，用于對不同碼相位的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行差分相關(guān)能量累加；峰值檢測模塊，與所述的差分相干積分模塊相連，用于對累加的相關(guān)能量峰值進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號捕獲及多普勒頻移和碼相位的輸出；時(shí)序控制模塊，與所述的數(shù)字下變頻模塊、平均采樣及塊累加模塊、FFT模塊、圓周移位模塊、本地PRN碼FFT共軛存儲器、復(fù)數(shù)乘法器模塊、IFFT模塊、差分相干積分模塊和峰值檢測模塊相連，時(shí)序控制模塊是基于捕獲流程利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，在不同的狀態(tài)輸出不同模塊的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的工作流程以及各個(gè)模塊的工作狀態(tài)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字下變頻模塊包括直接數(shù)字頻率合成器，與圓周移位模塊相連，用于根據(jù)頻率控制產(chǎn)生一定頻率的正弦和余弦載波信號作為本地載波；數(shù)字混頻器，與所述直接數(shù)字頻率合成器相連，用于實(shí)現(xiàn)本地產(chǎn)生的中頻載波和輸入的衛(wèi)星中頻采樣數(shù)據(jù)混頻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字混頻器按照同相分量和正交分量分為I混頻器和Q混頻器，I混頻器和Q混頻器分別與外部輸入的衛(wèi)星中頻采樣數(shù)據(jù)混頻。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)，其特征在于，所述平均采樣及塊累加模塊包括數(shù)據(jù)累加器，與所述的數(shù)字混頻器相連，用于對輸入數(shù)據(jù)的累加；2N地址產(chǎn)生器，與所述的數(shù)據(jù)累加器相連，產(chǎn)生2N個(gè)地址，供采樣數(shù)據(jù)存儲器使用； 采樣數(shù)據(jù)存儲器，與所述的數(shù)據(jù)累加器、2N地址產(chǎn)生器和FFT模塊相連，用于存儲平均采樣及塊累加后的衛(wèi)星數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)輸出開關(guān)，與所述的數(shù)據(jù)累加器和采樣數(shù)據(jù)存儲器相連，用于在進(jìn)行塊累加操作時(shí)，控制將采樣數(shù)據(jù)存儲器讀出的上一個(gè)周期累加的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)累加器中與當(dāng)前的零中頻信號數(shù)據(jù)進(jìn)行累加。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)，其特征在于，所述圓周移位模塊包括FFT實(shí)部存儲器，與所述的FFT模塊相連，用于存儲FFT輸出的實(shí)部數(shù)據(jù)；FFT虛部存儲器，與所述的FFT模塊相連，用于存儲FFT輸出的虛部數(shù)據(jù)；圓周移位地址產(chǎn)生器，與所述的FFT實(shí)部存儲器和FFT虛部存儲器相連，用于根據(jù)移位點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生不同起始點(diǎn)的2N個(gè)地址。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)，其特征在于，所述差分相干積分模塊包括差分相干處理模塊，與所述IFFT相連，用于對相干結(jié)果執(zhí)行差分相干操作，；相干結(jié)果實(shí)部存儲器，與所述差分相干處理模塊相連，用于存儲相干結(jié)果的實(shí)部數(shù)據(jù)， 該存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的相干結(jié)果實(shí)部執(zhí)行相乘；相干結(jié)果虛部存儲器，與所述差分相干處理模塊相連，用于存儲相干結(jié)果的虛部數(shù)據(jù)， 該存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的相干結(jié)果虛部執(zhí)行相乘；差分相干結(jié)果存儲器，與所述差分相干處理模塊和峰值檢測模塊相連，用于存儲和發(fā)送差分相干結(jié)果數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)在下一個(gè)差分相干積分周期被讀出到差分相干處理模塊中和下一個(gè)周期的差分相干結(jié)果執(zhí)行累加。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲方法及系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)字中頻信號數(shù)字下變頻操作的數(shù)字下變頻模塊；平均采樣衛(wèi)星數(shù)據(jù)及完成塊累加功能的平均采樣及塊累加模塊；實(shí)現(xiàn)碼相位頻域搜索的FFT模塊；利用多普勒圓周移位搜索代替頻率補(bǔ)償?shù)膱A周移位模塊；存儲本地PRN碼FFT共軛結(jié)果的本地PRN碼FFT共軛存儲器；實(shí)現(xiàn)信號解擴(kuò)的復(fù)數(shù)乘法器模塊；計(jì)算不同碼相位相關(guān)結(jié)果的IFFT模塊；對解擴(kuò)后的衛(wèi)星信號進(jìn)行差分相關(guān)能量累加的差分相干積分模塊；實(shí)現(xiàn)信號捕獲輸出的峰值檢測模塊；對系統(tǒng)各模塊時(shí)序進(jìn)行控制的時(shí)序控制模塊。本發(fā)明提高了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)捕獲弱信號的速度和靈敏度，且各參數(shù)可以靈活配置。
文檔編號G01S19/35GK102608626SQ201210062429
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者易清明, 石敏, 許祥濱, 陳偉國, 陳慶 申請人:暨南大學(xué)