本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種針對衛(wèi)星弱信號的接收機(jī)無輔助式捕獲方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，各行業(yè)對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用和依賴程度越來越高，相對于在野外開闊地域的定位服務(wù)，在密集城市環(huán)境中的定位、手機(jī)/車輛導(dǎo)航和室內(nèi)外無縫定位等對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的弱信號工作能力提出了更加苛刻的要求。

雙塊補(bǔ)零算法(DBZP,Double Block Zero Padding)是無輔助式弱信號捕獲中得到廣泛認(rèn)可的一種捕獲方法，能同時對多普勒頻移和碼相位進(jìn)行并行搜索，是一種雙頻域搜索方法，非常適用于需要處理大量數(shù)據(jù)的弱信號捕獲。但雙塊補(bǔ)零算法所需的運算量較大，需要占用定位設(shè)備較多的計算資源，為了保證運算時間和定位信號的刷新頻率在可接收的范圍內(nèi)，需要定位設(shè)備配置足夠的運算機(jī)能，比如更高性能的處理器、接收天線等，同時為了保證續(xù)航需要，還需提高定位設(shè)備的電池容量，這都造成了采用雙塊補(bǔ)零算法的定位設(shè)備存在成本較高的問題，難以同時兼顧定位性能和成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供一種針對衛(wèi)星弱信號的接收機(jī)無輔助式捕獲方法，能夠減少運算量和運算時間，緩減定位設(shè)備同時兼顧定位性能和成本的問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(shù)方案：

將接收到的基帶信號分成N_b個塊，并生成長度為T_I的測距碼，將所述測距碼分成N_b個塊，其中，所述基帶信號的長度為T_I，每個塊包含S_b個采樣點，所述測距碼分成的每個塊包含S_b個采樣點；

將由所述基帶信號分成的相鄰的兩個塊組合，并將組合后的所述基帶信號的每個塊，分為指定數(shù)量的長度相等的子塊，其中，組合后的所述基帶信號的塊表示為D＝[d(1) d(2) … d(N)]，其中包含2S_b個采樣點，N＝S_b，由組合后的所述基帶信號的每個塊所劃分出的子塊具有相同數(shù)量的采樣點；

將由所述測距碼分成的每個塊補(bǔ)上相同長度的零，并將補(bǔ)零后的所述測距碼的每個塊，分為所述指定數(shù)量的長度相等的子塊，其中，補(bǔ)零后的塊表示為每個塊中所補(bǔ)零的個數(shù)為N/2，補(bǔ)零后的每個塊含2S_b個采樣點，由補(bǔ)零后的所述測距碼的每個塊所劃分出的子塊具有相同數(shù)量的采樣點和零；

對所述基帶信號和所述測距碼的子塊分別執(zhí)行傅里葉變換(FFT)和反傅里葉變換(IFFT)，得到時域內(nèi)的相干積分矩陣M_c；

得到M_c所有的點的能量，若所得能量的最大值大于捕獲閾值，則捕獲成功。

本發(fā)明實施例提供的針對衛(wèi)星弱信號的接收機(jī)無輔助式捕獲方法，對現(xiàn)有的雙塊補(bǔ)零(DBZP，Double Block Zero Padding)方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。針對塊內(nèi)運算傅里葉變換后有一半的運算結(jié)果是沒有意義，浪費運算量的情況，對參與塊內(nèi)計算的基帶信號和本地測距碼進(jìn)行了重構(gòu)，降低了參與傅里葉變換的點數(shù)，使得傅里葉變換后無意義的運算結(jié)果降低了一半，在信噪比和檢測概率不受影響的情況下，相對于現(xiàn)有的雙塊補(bǔ)零方法，減少了運算量和運算時間，從而緩減了定位設(shè)備同時兼顧定位性能和成本的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的針對衛(wèi)星弱信號的接收機(jī)無輔助式捕獲方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的塊內(nèi)運算的邏輯流程圖。

具體實施方式

為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。下文中將詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關(guān)聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

本發(fā)明實施例提供一種針對衛(wèi)星弱信號的接收機(jī)無輔助式捕獲方法，如圖1所示，包括：

S1、將接收到的基帶信號分成N_b個塊，并生成長度為T_I的測距碼，將所述測距碼分成N_b個塊。

其中，所述基帶信號的長度為T_I，每個塊包含S_b個采樣點，所述測距碼分成的每個塊包含S_b個采樣點。

S2、將由所述基帶信號分成的相鄰的兩個塊組合，并將組合后的所述基帶信號的每個塊，分為指定數(shù)量的長度相等的子塊。

其中，組合后的所述基帶信號的塊表示為D＝[d(1) d(2) … d(N)]，其中包含2S_b個采樣點，N＝S_b，由組合后的所述基帶信號的每個塊所劃分出的子塊具有相同數(shù)量的采樣點。

在本實施例的優(yōu)選方案中，所述指定數(shù)量大于等于2。

例如：所述將組合后的所述基帶信號的每個塊，分為指定數(shù)量的長度相等的子塊，其具體實現(xiàn)方式包括：將組合后的所述基帶信號的每個塊，分為兩個長度均為3N/4個采樣點的子塊，其中，第一個子塊表示為第二個子塊表示為所述第一個子塊包含所述組合后的所述基帶信號的塊的前面3/4個采樣點，所述第二個子塊包含所述組合后的所述基帶信號的塊的后3/4個采樣點。

S3、將由所述測距碼分成的每個塊補(bǔ)上相同長度的零，并將補(bǔ)零后的所述測距碼的每個塊，分為所述指定數(shù)量的長度相等的子塊。

其中，補(bǔ)零后的塊表示為每個塊中所補(bǔ)零的個數(shù)為N/2，補(bǔ)零后的每個塊含2S_b個采樣點，由補(bǔ)零后的所述測距碼的每個塊所劃分出的子塊具有相同數(shù)量的采樣點和零。

例如：所述將補(bǔ)零后的所述測距碼的每個塊，分為指定數(shù)量的長度相等的子塊，其具體實現(xiàn)方式包括：將補(bǔ)零后的所述測距碼的每個塊，分為長度為3N/4個采樣點的子塊，其中一個塊表示為包含前N/4個測距碼的采樣點和N/2個零，另一個塊表示為包含后N/4個測距碼采樣點和N/2個零。

S4、對所述基帶信號和所述測距碼的子塊分別執(zhí)行傅里葉變換(FFT)和反傅里葉變換(IFFT)，得到時域內(nèi)的相干積分矩陣M_c。

其中，通過步驟S4得到時域內(nèi)的相干積分矩陣M_c的過程也可稱為“塊內(nèi)運算”，“塊內(nèi)運算”的具體實現(xiàn)過程包括：如圖2所示的，分別得到所述基帶信號和所述測距碼的子塊執(zhí)行傅里葉變換后的結(jié)果。

本實施例中，S4的具體實現(xiàn)方式包括：

向分別得到所述基帶信號和所述測距碼的子塊執(zhí)行傅里葉變換后的結(jié)果；

并將所述測距碼的子塊執(zhí)行傅里葉變換后的結(jié)果取共軛，到兩組各包括3N/4個測距碼采樣點的數(shù)據(jù)；再將兩組各包括3N/4個測距碼采樣點的數(shù)據(jù)相加，并進(jìn)行反傅里葉變換(IFFT)，對于反傅里葉變換的結(jié)果保留前N/2個采樣點，后N/4個采樣點舍棄。例如：將所述測距碼的子塊執(zhí)行傅里葉變換后的結(jié)果取共軛，然后C₁對應(yīng)D₁，C₂對應(yīng)D₂，分別點對點進(jìn)行相乘，得到兩組3N/4點數(shù)據(jù)。兩組數(shù)據(jù)相加之后進(jìn)行反傅里葉變換(IFFT)，得到變換后的數(shù)據(jù)保留前N/2個采樣點，后N/4個采樣點舍棄。所有塊均進(jìn)行上述操作，共得到N_b×S_b個采樣點。這N_b×S_b個采樣點構(gòu)成相干積分矩陣M_c中前S_b列。上述只是執(zhí)行了一次塊內(nèi)運算，測距碼和基帶信號需要進(jìn)行遍歷，即塊1對塊2，塊2對塊3…，第三次塊內(nèi)運算是塊1對塊3，塊2對塊4，直至循環(huán)到測距碼完成一個周期，從而對所述基帶信號和所述測距碼的子塊。進(jìn)行了雙塊結(jié)合，得到若干個測距碼的塊和同等數(shù)量的基帶信號的塊，一個測距碼塊對應(yīng)一個基帶信號塊執(zhí)行塊內(nèi)操作，即塊1對塊1，塊2對塊2，等。然后塊內(nèi)執(zhí)行重構(gòu)運算后會各得到兩個子塊，即C₁C₂和D₁D₂，這其實是四組信號，然后C₁C₂先進(jìn)行傅里葉變換再取共軛，D₁D₂只進(jìn)行傅里葉變換，之后四組信號C₁對應(yīng)D₁，C₂對應(yīng)D₂進(jìn)行點對點的相乘，得到兩組信號，兩組信號相加再進(jìn)行IFFT。在實際應(yīng)用中，該S4的具體實現(xiàn)方式可以在頻域搜索的過程中執(zhí)行

對所述基帶信號和所述測距碼的所有子塊重復(fù)上述過程，再根據(jù)所有子塊重復(fù)上述過程后的處理結(jié)果進(jìn)行移塊操作，得到M_c。

其中，所述根據(jù)所有子塊重復(fù)上述過程后的處理結(jié)果進(jìn)行“移塊操作”，得到M_c，具體包括：所有子塊重復(fù)上述過程后的基帶信號統(tǒng)一左移1個塊，再進(jìn)行“塊內(nèi)運算”，得到M_c中對應(yīng)的共計S_b列；對所有子塊重復(fù)上述過程后的基帶信號共移動(N_ms-1)次，將得到的所有列組成N_b×N_s的相干積分矩陣M_c。

由于雙塊補(bǔ)零算法的塊內(nèi)運算是經(jīng)典的基于傅里葉變換的并行碼相位捕獲。頻域內(nèi)的并行碼相位搜索等價于時域內(nèi)測距碼相對于信號依次向右移位后相應(yīng)點成績結(jié)果的累加，因此測距碼的移位構(gòu)成一個N×N的圓周相關(guān)矩陣C_N×N，其中N是塊內(nèi)的數(shù)據(jù)點數(shù)。本實施例中所提出的對與塊內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)的“塊內(nèi)運算”，在上述圓周相關(guān)矩陣的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化。其中，假設(shè)塊內(nèi)基帶信號序列和測距碼序列分別為D(n)和C(n)，并行碼相位搜索后的相關(guān)結(jié)果為S(n)，離散傅里葉變換的實現(xiàn)方程為：其中：D＝[d(1) d(2) … d(N)]；S＝[s(1) s(2) … s(N)]。

展開成時域矩陣的形式為：

S_N×1＝C_N×N×D_N×1

其中，為上述定義的N×N的圓周相關(guān)矩陣C_N×N，由于在本實施例中，并行碼相位搜索的結(jié)果只保留前半部分，即所以矩陣C_N×N后面行的操作都是會被舍棄的。

在本實施例中的“塊內(nèi)運算”中先將C_N×N相應(yīng)簡化為：

展開成的時域矩陣簡化為：

$S_{\frac{N}{2}\×1}=C_{\frac{N}{2}\×N}\×D_{N\×1}$

由于C_N×N簡化為后，圓周相關(guān)矩陣喪失了原有的圓周相關(guān)性，無法進(jìn)行離散傅里葉變換，因此需要重構(gòu)矩陣的圓周相關(guān)性。在重構(gòu)矩陣的圓周相關(guān)性之前，先對矩陣進(jìn)行第二次簡化，具體為將展開成兩個“等價”矩陣相加的形式，其中第一個矩陣只保留的值，其它值全部置零，第二個矩陣對應(yīng)的只保留的值，其它值全部置零。

從而得到：其中，在和中，都有列是全零的，分別是的第列至第列和最后一列，的第1列至第列和最后一列。分別將上述全零列刪除，和簡化為的矩陣和基帶信號D(n)中對應(yīng)的值也進(jìn)行刪除。

簡化為

$S_{\frac{N}{2}\×1}=C_{\frac{N}{2}\×(\frac{3N}{4}-1),1}\×D_{(\frac{3N}{4}-1),1}+C_{\frac{N}{2}\×(\frac{3N}{4}-1),2}\×D_{(\frac{3N}{4}-1),2}$

重構(gòu)矩陣圓周相關(guān)性，對和兩個矩陣最后一行數(shù)據(jù)繼續(xù)執(zhí)行右移，分別增加行數(shù)據(jù)后，新生成的階矩陣和具有圓周相關(guān)性。

其中，和分別是要保留和舍棄的部分。轉(zhuǎn)換為基于傅里葉變換的時頻域公式為：

其中，至此實現(xiàn)了“塊內(nèi)運算”，且在保證原始輸入序列不變，有效運算不變的情況下，參與離散傅里葉變換的數(shù)據(jù)點長度由N下降到

上述通過“塊內(nèi)運算”進(jìn)行塊內(nèi)重構(gòu)的方法適用于基于雙塊補(bǔ)零的弱信號檢測和捕獲，除了適合于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的應(yīng)用，同樣的思想適用于其它CDMA信號體制的信號捕獲。

S5、得到M_c所有的點的能量，若所得能量的最大值大于捕獲閾值，則捕獲成功。

其中，在得到時域內(nèi)的M_c矩陣后，對M_c的每一列進(jìn)行離散傅里葉變換。算出此矩陣所有的點的能量，如果最大值大于給出的捕獲閾值，那么捕獲成功。如果矩陣內(nèi)的最大值小于給出的捕獲閾值，則可進(jìn)行非相關(guān)積分以增加信號的后處理信噪比。

在本實施例中，對基帶信號和測距碼均進(jìn)行了重構(gòu)，重構(gòu)之后所得子塊的采樣點數(shù)由N降低為3N/4。從而降低了參與FFT的點數(shù)。基于本實施例的設(shè)計思路，還可以通過對基帶信號和測距碼進(jìn)行重構(gòu)，并將原來的塊分為更多的子塊，從而進(jìn)一步降低參與FFT的點數(shù)。

雖然重構(gòu)之后所得子塊的采樣點數(shù)由N降低為3N/4，且重組成兩個長度為的離散傅里葉變換，雖然參與傅里葉變化的序列長度變短了，但是傅里葉變換的次數(shù)由一次增加到了兩次。而在實際的工程實現(xiàn)中，F(xiàn)FT的實現(xiàn)的前提是參與傅里葉變換的點數(shù)是2的整數(shù)冪，即基-2FFT。基-2FFT算法在DSP/FPGA等可編程器件中已經(jīng)得到了充分的實現(xiàn)，如果參與FFT的點數(shù)不是2的整數(shù)冪，就需要通過補(bǔ)零的操作達(dá)到2的整數(shù)冪，過多的補(bǔ)零操作不僅會增加計算量，還會導(dǎo)致信號的損失，尤其對于衛(wèi)星弱信號的監(jiān)測和捕獲，是非常不利的。在碼相位未知的情況下，如果本地復(fù)制信號與接收信號補(bǔ)零的位置不一致時，將降低測距碼自相關(guān)峰值，嚴(yán)重時如果補(bǔ)零的位置相差半個測距碼周期，則自相關(guān)峰值將減半。例如：假設(shè)原始參與塊內(nèi)運算的數(shù)據(jù)長度為600，則基-2FFT下需要將數(shù)據(jù)長度補(bǔ)零擴(kuò)充至1024(210)，但是通過塊內(nèi)重構(gòu)，參與傅里葉變換的點數(shù)降低到450，則基-2FFT下只需要將數(shù)據(jù)長度補(bǔ)零至512(29)，F(xiàn)FT的點數(shù)降低了一半。因此通過微調(diào)多普勒的搜索范圍或采樣頻率等，我們可以達(dá)到重構(gòu)后的FFT點數(shù)為原始點數(shù)一半的理想情況。

基-2FFT所需要的乘法操作數(shù)為現(xiàn)有雙塊補(bǔ)零算法所需要的乘法操作數(shù)為塊內(nèi)重構(gòu)之后的算法所需要的乘法操作數(shù)為在理想情況下有所以塊內(nèi)重構(gòu)后的算法的乘法操作數(shù)為

當(dāng)運算點數(shù)為512時，本實施例改進(jìn)的“塊內(nèi)運算”算法相比現(xiàn)有雙塊補(bǔ)零算法理論上可以減少25％的運算量。而隨著FFT點數(shù)的增加，改進(jìn)的“塊內(nèi)運算”算法相比現(xiàn)有雙塊補(bǔ)零算法的減少量所占比重會降低，這是由于改進(jìn)的“塊內(nèi)運算”算法有兩次FFT運算導(dǎo)致的，但是通過現(xiàn)有雙塊補(bǔ)零算法則參與塊內(nèi)運算的點數(shù)不會過大，因此本實施例所能夠減少的運算量非常明顯。

本發(fā)明實施例提供的針對衛(wèi)星弱信號的接收機(jī)無輔助式捕獲方法，對現(xiàn)有的雙塊補(bǔ)零(DBZP，Double Block Zero Padding)方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。針對塊內(nèi)運算傅里葉變換后有一半的運算結(jié)果是沒有意義，浪費運算量的情況，對參與塊內(nèi)計算的基帶信號和本地測距碼進(jìn)行了重構(gòu)，降低了參與傅里葉變換的點數(shù)，使得傅里葉變換后無意義的運算結(jié)果降低了一半，在信噪比和檢測概率不受影響的情況下，相對于現(xiàn)有的雙塊補(bǔ)零方法，減少了運算量和運算時間，從而緩減了定位設(shè)備同時兼顧定位性能和成本的問題。

并且，目前大多數(shù)的對基于雙塊補(bǔ)零算法的弱信號捕獲的改進(jìn)方案，主要是對比特跳變的檢測方式的優(yōu)化，實質(zhì)上是對塊內(nèi)運算之后得到的相干積分矩陣進(jìn)行各種不同數(shù)據(jù)位的組合的方法進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低運算量的目的。而本發(fā)明實施例則針對塊內(nèi)運算進(jìn)行優(yōu)化，對參與塊內(nèi)運算的基帶信號和本地測距碼進(jìn)行重構(gòu)，降低了參與傅里葉變換的點數(shù)，達(dá)到降低計算量，提高運行速度的目的，技術(shù)相對簡單、易于實現(xiàn)，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值，尤其適用于以較低成本對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的改進(jìn)。

本說明書中的各個實施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于設(shè)備實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。