專利名稱：微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲方法與裝置。
背景技術(shù)：
隨著無線電技術(shù)以及空間技術(shù)的發(fā)展，基于衛(wèi)星的導航定位技術(shù)在過去的三十年得到了迅速發(fā)展。目前己經(jīng)建成并投入使用的衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)有全球
定位系統(tǒng)(GPS)以及全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)，未來會有更多的衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)投入使用，如伽利略(Galileo)衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及北斗(BeiDou)衛(wèi)星導航系統(tǒng)；這些系統(tǒng)有時總稱為GNSS系統(tǒng)。導航接收機通過接收足夠多衛(wèi)星的信號，獲得信號傳播時間信息以及衛(wèi)星位置信息，根據(jù)這些信息計算得到接收機的位置、時間、速度等。
為了能夠?qū)Ш蕉ㄎ唤馑?，導航接收機必須接收至少4顆衛(wèi)星的信號；導航接收機一般有多個并行的接收通道，每個通道接收一顆衛(wèi)星的信號。導航接收機首先通過這些并行通道捕獲衛(wèi)星信號，捕獲過程其實是一個兩維的搜索過程偽隨機碼相位和多普勒頻偏。以GPS為例，每顆衛(wèi)星發(fā)射不同的長度為1023，周期為1毫秒的偽隨機序列；衛(wèi)星與接收機中間存在相對的運動，因而多普勒頻率也是未知的。捕獲時，導航接收機針對不同衛(wèi)星產(chǎn)生不同的本地偽隨機序列以及載波頻率與輸入信號進行相關(guān)，當本地偽隨機序列與輸入序列相位近似同步并且頻率近似相等時，相關(guān)輸出值會超過捕獲門限。 一般情況下，捕獲時偽隨機碼相位搜索步進為半個碼片，多普勒頻偏步進為(l/2T)Hz， T為相干積分時間， 一般為l個偽隨機碼周期。在弱信號環(huán)境下，為了準確捕獲碼片相位和多普勒頻偏，相關(guān)運算后通常進行長時間相干積分或非相干積分來獲得足夠大的處理增益。
導航接收機捕獲模塊完成了信號的粗估計，為了得到偽隨機碼相位、載波頻率/相位的精確估計值，需要對導航信號進行實時跟蹤。常用的跟蹤環(huán)有延遲鎖定環(huán)(DLL)、鎖頻環(huán)(FLL)以及鎖相環(huán)(PLL);延遲鎖定環(huán)(DLL)用來跟蹤偽隨機碼相位，鎖頻環(huán)(FLL)和鎖相環(huán)(PLL)用來跟蹤載波頻率和相位。在弱信號環(huán)境下，上述環(huán)路帶寬通常設(shè)置的比較窄，當環(huán)路帶寬比較窄時，初始化環(huán)路的剩余頻偏不能太大，而捕獲完成后剩余的多普勒頻偏并不在環(huán)路的捕獲帶內(nèi)，需要對頻偏進行精細的估計。在室外空曠地帶，衛(wèi)星信號比較強，以GPS的C/A碼為例，導航接收機接收到的衛(wèi)星信號載噪比(C/N())大約為44dB/Hz，這樣的信號強度，解擴完的數(shù)據(jù)用來跟蹤已經(jīng)足夠；在弱信號環(huán)境下，需要對解擴完的數(shù)據(jù)進行長時間相干積分以獲得足夠高的信噪比，在調(diào)制數(shù)據(jù)未知時最大相干積分時間為20毫秒，并且需要知道調(diào)制數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)的時刻。在一些現(xiàn)代化的GNSS信號中，處理調(diào)制有偽隨機碼、導航電文數(shù)據(jù)、載波之外，還存在二次編碼，如GPS的L5頻段上就調(diào)制有Neumann-Hoffman碼，為了能進行長時間相干積分以及解調(diào)電文，必須完成二次編碼相位的同步。針對上述問題，衛(wèi)星導航接收機通常在環(huán)路跟蹤前對跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，獲取導航電文比特翻轉(zhuǎn)位置、精細多普勒頻偏等參數(shù)的估計值，用這些估計值初始化跟蹤環(huán)路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲方法與裝置。
微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的方法包括如下步驟
1) 在控制模塊的控制下，存儲一組跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)到存儲模塊，每一個跟蹤通道對應(yīng)一個存儲模塊；
2) 存儲模塊存儲跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)后，控制模塊控制存儲模塊、變頻模塊、匹配濾波模塊和積分檢測模塊，將捕獲后剩余的多普勒頻偏范圍分割成多個頻點；對頻點進行搜索，找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置；
3) 根據(jù)目標頻點，對存儲的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏修正；根據(jù)調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置，對經(jīng)過頻偏修正后的數(shù)據(jù)進行相干積分，相干積分在同一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)內(nèi)進行，相干積分時間能被調(diào)制電文數(shù)據(jù)持續(xù)時間整除；
4) 相干積分后的數(shù)據(jù)進行平方操作，消除調(diào)制電文數(shù)據(jù)極性的影響；平方操作后的數(shù)據(jù)用頻譜分析獲得更加精細的頻偏，頻譜分析在頻率估計模塊中進行。
所述的在控制模塊的控制下，存儲一組跟蹤相關(guān)器的輸出數(shù)據(jù)到存儲模塊，每一個跟蹤通道對應(yīng)一個存儲模塊步驟包括
1) 跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)為復信號，采樣間隔為1毫秒，即采樣率為lKHz，
每一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)有20個采樣點；
2) 存儲模塊存儲數(shù)據(jù)量為19+20*M， M>0， M的取值由捕獲階段估計的載噪比決定；
63)當存儲模塊存儲數(shù)據(jù)量達到要求時，向控制模塊發(fā)出二次捕獲啟動信號。
所述的存儲模塊存儲跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)后，控制模塊控制存儲模塊、變頻模塊、匹配濾波模塊和積分檢測模塊，將捕獲后剩余的多普勒頻偏范圍分割成多個頻點；對頻點進行搜索，找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置步驟包括
1)捕獲后剩余多普勒頻偏范圍為-(l/4T)Hz +(l/4T)Hz， T為捕獲階段相干積分時間，為1毫秒，對剩余多普勒頻偏范圍進行分割，間隔為1/(2Td)Hz，其中Td為調(diào)制電文數(shù)據(jù)持續(xù)時間，為20毫秒，有N:Td/T+l個頻點；
2 )對于每個頻點，控制模塊控制變頻模塊中的本地載波模塊產(chǎn)生本地載波；控制模塊讀取存儲模塊中跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)，與本地載波共軛相乘進行變頻；
3) 變頻之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配濾波模塊，匹配濾波器級數(shù)為20,抽頭系數(shù)分別為對于GPS的C/A碼信號而言為1， 1， 1, 1， 1， 1, 1， 1， 1， 1， 1，1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1, 1，對于GPS的L5波段的正交支路信號而言為-1,-1， -1， -1， -1， 1，國l， -1， 1， 1， -1, 1， -1， 1， -1， -1， 1， 1， 1， -1，對于GLONASS的C/A碼而言為1， 1， 1, 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1, -1， -1， -1， -1，隱l， -1， -1， -1， -1, -1;
4) 對于每個頻點，匹配濾波模塊共有19+20*M個輸入數(shù)據(jù)，M>0，有20*M個輸出數(shù)據(jù)。每20個輸出數(shù)據(jù)分為l組，共有M組數(shù)據(jù)；
5) 對于每個頻點，對匹配濾波模塊輸出的M組數(shù)據(jù)取模，取模后第0組0號數(shù)據(jù)、第1組0號數(shù)據(jù)直到第M-l組0號數(shù)據(jù)相加；第0組1號數(shù)據(jù)、第1組1號數(shù)據(jù)直到第M-l組1號數(shù)據(jù)相加；依次類推，第0組19號數(shù)據(jù)、第1組19號數(shù)據(jù)直到第M-l組19號數(shù)據(jù)相加；共產(chǎn)生20個非相干積分數(shù)據(jù)；
6) N個頻點共有2(^N個非相干積分數(shù)據(jù)，非相干積分數(shù)據(jù)送至峰值檢測模塊；峰值檢測模塊找到峰值，峰值對應(yīng)的頻點就是目標頻點，記為/h峰值對應(yīng)的編號就是調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置，記為》。
所述的對于每個頻點，匹配濾波模塊共有19+20*\1個輸入數(shù)據(jù)，M>0，有2(^M個輸出數(shù)據(jù)。每20個輸出數(shù)據(jù)分為l組，共有M組數(shù)據(jù)步驟包括
1) 匹配濾波模塊輸入數(shù)據(jù)的前19個數(shù)據(jù)填滿匹配濾波模塊移位寄存器的前19個，從第20個輸入數(shù)據(jù)開始，每輸入一個數(shù)據(jù)就輸出一個數(shù)據(jù)，共有20*M個輸出數(shù)據(jù)，M>0;
2) 匹配濾波模塊輸出數(shù)據(jù)第0~19分為第0組，第20~39分為第1組，依
7次類推第20*M-20~20*M-1分為第M-l組。
所述的根據(jù)目標頻點，對存儲的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏修正；根據(jù)調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼的起始位置，對經(jīng)過頻偏修正后的數(shù)據(jù)進行相干積分，相干積分在同一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)內(nèi)進行，相干積分時間能被調(diào)制電文數(shù)據(jù)持續(xù)時間整除步驟包括
1) 根據(jù)目標頻點A，控制模塊控制變頻模塊中的本地載波產(chǎn)生模塊產(chǎn)生頻點/J對應(yīng)頻率的復載波信號?？刂颇K讀取存儲模塊中的數(shù)據(jù)，與本地復載波信號共軛相乘，完成頻偏修正；
2) 根據(jù)調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置》，相干積分從頻偏修正后的第》+l個數(shù)據(jù)開始進行，相干積分時間為1毫秒、2毫秒、4毫秒、5毫秒或者IO毫秒。
所述的相干積分后的數(shù)據(jù)進行平方操作，消除調(diào)制電文數(shù)據(jù)極性的影響；平方操作后的數(shù)據(jù)用頻譜分析獲得更加精細的頻偏，頻譜分析在頻率估計模塊中進行步驟包括
1) 平方操作消除調(diào)制電文正負極性的變化，同時剩余頻偏也變?yōu)樵瓉淼膬?br> 倍；
2) 頻偏補償后剩余頻偏范圍為-l/(4Td)Hz l/(4Td)Hz，平方使頻偏范圍加倍，變?yōu)?l/(2Td)Hz l/(2Td)Hz; Td為20毫秒，頻偏補償后頻偏范圍為-25Hz 25Hz;頻譜分析法估計頻偏補償后剩余的多普勒頻偏。
微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的裝置包括如下模塊跟蹤相關(guān)器、存儲模塊、變頻模塊、匹配濾波模塊、非相干積分模塊、峰值檢測模塊、相干積分模塊、平方模塊、頻率估計模塊以及控制模塊；跟蹤相關(guān)器、存儲模塊、變頻模塊依次相連；變頻模塊分別與匹配濾波模塊、相干積分模塊相連；匹配濾波模塊、非相干積分模塊、峰值檢測模塊依次相連；相干積分模塊、平方模塊、頻率估計模塊依次相連?？刂颇K控制跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)存儲到存儲模塊，存儲模塊向控制模塊發(fā)出二次捕獲啟動信號；控制模塊控制存儲模塊輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配濾波模塊、非相干積分模塊、峰值檢測模塊找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置；找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置后，控制模塊控制存儲模塊輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過變頻模塊進行頻偏修正，修正后的數(shù)據(jù)經(jīng)過相干積分模塊、平方模塊，平方模塊輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過頻率估計模塊進行頻偏的精細估計。
所述的變頻模塊包括相連接的共軛相乘模塊、本地載波模塊。本發(fā)明存儲一組跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)后，可以用塊處理的方式對跟蹤相關(guān) 器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏的再次分割，通過匹配濾波模塊、非相干積分模塊以及峰 值檢測模塊，得到不同頻點以及不同調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置 的累積值；通過峰值檢測可以找到調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置以 及搜索的頻點。根據(jù)搜索到得頻點對存儲的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏的補 償，根據(jù)找到調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置對頻偏補償后的數(shù)據(jù)進 行相干積分，相干積分在同一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)內(nèi)進行。相干積分結(jié)果平方消除 調(diào)制電文數(shù)據(jù)極性的影響，然后通過頻譜分析的方法獲得更加精細的多普勒頻 偏的估計值。


圖l是本發(fā)明的全部模塊以及連接框圖； 圖2是本發(fā)明中變頻模塊的電路框圖； 圖3是本發(fā)明中匹配濾波模塊的三種匹配波形。
具體實施例方式
微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的方法包括如下步驟
1) 在控制模塊的控制下，存儲一組跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)到存儲模塊，每一 個跟蹤通道對應(yīng)一個存儲模塊；
2) 存儲模塊存儲跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)后，控制模塊控制存儲模塊、變頻模 塊、匹配濾波模塊和積分檢測模塊，將捕獲后剩余的多普勒頻偏范圍分割成多 個頻點；對頻點進行搜索，找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起 始位置；
3) 根據(jù)目標頻點，對存儲的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏修正；根據(jù)調(diào)制 電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置，對經(jīng)過頻偏修正后的數(shù)據(jù)進行相干積 分，相干積分在同一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)內(nèi)進行，相干積分時間能被調(diào)制電文數(shù)據(jù) 持續(xù)時間整除；
4) 相干積分后的數(shù)據(jù)進行平方操作，消除調(diào)制電文數(shù)據(jù)極性的影響；平方 操作后的數(shù)據(jù)用頻譜分析獲得更加精細的頻偏，頻譜分析在頻率估計模塊中進 行。
在控制模塊的控制下，存儲一組跟蹤相關(guān)器的輸出數(shù)據(jù)到存儲模塊，每一 個跟蹤通道對應(yīng)一個存儲模塊步驟包括
l)跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)為復信號，采樣間隔為1毫秒，即采樣率為lKHz， 每一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)有20個采樣點，輸出數(shù)據(jù)A表達式為
9;c,K牟w+ (1)
式(l)中/為數(shù)據(jù)下標，^表示信號的幅度，《表示調(diào)制電文數(shù)據(jù)，",表示 存在的二次編碼(二次編碼)，A/為捕獲完剩余多普勒頻偏，r為跟蹤相關(guān)器
輸出采樣間隔時間，這里為1亳秒，e為初始相位，iV,.為噪聲；調(diào)制電文數(shù)據(jù) 的翻轉(zhuǎn)位置和二次編碼的起始位置是相同。對于GPS的C/A碼而言，",恒為高 電平；對于GPS的L5波段正交支路信號而言",為-1， -1， -1， -1， -1， 1， -1， -1， 1， 1， -1， 1, -1， 1， -1， -1， 1， 1， 1， -1，周期為20毫秒；對于GLONASS 的C/A碼而言",為1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， -1，腸l， -1,國l，畫l， -1， -1， -1， -1， -1，周期為20毫秒；
2) 存儲模塊存儲數(shù)據(jù)量為19+20*M， M>0， M的取值由捕獲階段估計的 載噪比決定。捕獲階段將信號強度分為四段，分段范圍以及對應(yīng)的M值為當
(a) 25dB/Hz<C/N0<=30dB/Hz時，M=80，當(b) 30dB/Hz<C/No<=35dB/Hz 時，M=60，當(c) 35dB/Hz<C/N0<=40dB/Hz時，M=40，當(d) 40dB/Hz<C/N0 時，M=20;
3) 當存儲模塊存儲數(shù)據(jù)量達到要求時，向控制模塊發(fā)出二次捕獲啟動信號。 存儲模塊存儲跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)后，控制模塊控制存儲模塊、變頻模塊、
匹配濾波模塊和積分檢測模塊，將捕獲后剩余的多普勒頻偏范圍分割成多個頻 點；對頻點進行搜索，找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位 置步驟包括
1) 捕獲后剩余多普勒頻偏范圍為-(l/4T)Hz—(l/4T)Hz， T為捕獲階段相干 積分時間，為1毫秒，對剩余多普勒頻偏范圍進行分割，間隔為1/(2Td)Hz， 其中Td為調(diào)制電文數(shù)據(jù)持續(xù)時間，為20毫秒，有N-Td/T+1個頻點。例如當 捕獲完剩余多普勒頻偏為-250Hz 250Hz時，共有21個頻點需要搜索；當剩余 頻偏為-100Hz 100Hz時，共有9個頻點需要搜索。
2) 對于每個頻點，控制模塊控制變頻模塊中的本地載波模塊產(chǎn)生本地載波； 控制模塊讀取存儲模塊中跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)，與本地載波共軛相乘進行變 頻；
3) 變頻之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配濾波模塊，匹配濾波器級數(shù)為20，抽頭系數(shù) 分別為對于GPS的C/A碼信號而言為1， 1， 1, 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1，如圖3中的301;對于GPS的L5波段的正交支 路信號而言為畫l， -1， -1， -1， -l， 1， -1， -l, 1， 1， -1， 1， -1， 1， -1，曙l，
1， 1， 1， -1，如圖3中的302;對于GLONASS的C/A碼而言為1， 1， 1, 1，1， 1， 1， 1， 1， 1，國l， -1， -1, -1， -1，誦l，國l，陽l， -1， -1，如圖3中的303;
4) 對于每個頻點，匹配濾波模塊共有19+20*M個輸入數(shù)據(jù)，M>0，有20*M 個輸出數(shù)據(jù)。共有M組數(shù)據(jù)，每組20個數(shù)據(jù)，編號分別為0 19，每組中相同 編號的數(shù)據(jù)對應(yīng)一個可能的調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置。匹配濾 波模塊輸出數(shù)據(jù)表達式為、,，n，其中m表示組號，范圍為0 M-1;《為可能的 調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置，范圍為0~19，與每組數(shù)據(jù)中0 19 號數(shù)據(jù)對應(yīng)；n表示當前搜索的頻點號，范圍為0 N-1;
5) 對于每個頻點，對匹配濾波模塊輸出的M組數(shù)據(jù)取模，取模后第0組 0號數(shù)據(jù)、第1組0號數(shù)據(jù)直到第M-l組0號數(shù)據(jù)相加；第0組1號數(shù)據(jù)、第 1組1號數(shù)據(jù)直到第M-l組1號數(shù)據(jù)相加；依次類推，第0組19號數(shù)據(jù)、第1 組19號數(shù)據(jù)直到第M-l組19號數(shù)據(jù)相加；共產(chǎn)生20個非相干積分數(shù)據(jù)。累 積后的數(shù)據(jù)表達式為
6) N個頻點共有2(^N個非相干積分數(shù)據(jù)，非相干積分數(shù)據(jù)//,, 送至峰值 檢測模塊；峰值檢測模塊找到峰值，峰值對應(yīng)的頻點就是目標頻點，記為A， 峰值對應(yīng)的編號就是調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置，記為》。
對于每個頻點，匹配濾波模塊共有19+2(^M個輸入數(shù)據(jù)，M>0，有2(^M 個輸出數(shù)據(jù)。每20個輸出數(shù)據(jù)分為1組，共有M組數(shù)據(jù)步驟包括
1) 匹配濾波模塊輸入數(shù)據(jù)的前19個數(shù)據(jù)填滿匹配濾波模塊移位寄存器的 前19個，從第20個輸入數(shù)據(jù)開始,每輸入一個數(shù)據(jù)就輸出一個數(shù)據(jù)，共有20*M 個輸出數(shù)據(jù)，M>0;
2) 匹配濾波模塊輸出數(shù)據(jù)第0 19分為第0組，第20~39分為第1組，依 次類推第20*M-20~20*M-1分為第M-l組。
根據(jù)目標頻點，對存儲的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏修正；根據(jù)調(diào)制電 文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼的起始位置，對經(jīng)過頻偏修正后的數(shù)據(jù)進行相干積 分，相干積分在同一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)內(nèi)進行，相干積分時間能被調(diào)制電文數(shù)據(jù) 持續(xù)時間整除步驟包括
1) 根據(jù)目標頻點L控制模塊控制變頻模塊中的本地載波產(chǎn)生模塊產(chǎn)生頻 點/5對應(yīng)頻率的復載波信號?？刂颇K讀取存儲模塊中的數(shù)據(jù)，與本地復載波 信號共軛相乘，完成頻偏修正；
2) 根據(jù)調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置》，相干積分從頻偏修 正后的第》+l個數(shù)據(jù)開始進行，相干積分時間為l毫秒、2毫秒、4毫秒、5亳秒或者10毫秒。當信號強度在范圍a內(nèi)時，進行5毫秒相干積分；當信號 強度在范圍b內(nèi)時，進行4毫秒相干積分；
當信號強度在范圍c內(nèi)時，進行2毫秒相干積分；當信號強度在范圍d內(nèi) 時，進行l(wèi)毫秒相干積分。
相干積分后的數(shù)據(jù)進行平方操作，消除調(diào)制電文數(shù)據(jù)極性的影響；平方操 作后的數(shù)據(jù)用頻譜分析獲得更加精細的頻偏，頻譜分析在頻率估計模塊中進行 步驟包括
1) 平方操作消除調(diào)制電文正負極性的變化，同時剩余頻偏也變?yōu)樵瓉淼膬?br> 倍；
2) 頻偏補償后剩余頻偏范圍為-l/(4Td)Hz l/(4Td)Hz，平方使頻偏范圍加 倍，變?yōu)?l/(2Td)Hz l/(2Td)Hz; Td為20毫秒，頻偏補償后頻偏范圍為 -25Hz 25Hz;頻譜分析法估計頻偏補償后剩余的多普勒頻偏，可以用256點的 FFT來進行頻偏的精細估計。
如圖1所示，微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的裝置包括如下模塊跟蹤相關(guān) 器、存儲模塊、變頻模塊、匹配濾波模塊、非相干積分模塊、峰值檢測模塊、 相干積分模塊、平方模塊、頻率估計模塊以及控制模塊；跟蹤相關(guān)器、存儲模 塊、變頻模塊依次相連；變頻模塊分別與匹配濾波模塊、相干積分模塊相連； 匹配濾波模塊、非相干積分模塊、峰值檢測模塊依次相連；相干積分模塊、平 方模塊、頻率估計模塊依次相連；控制模塊控制跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)存儲到存 儲模塊，存儲模塊向控制模塊發(fā)出二次捕獲啟動信號；控制模塊控制存儲模塊 輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配濾波模塊、非相干積分模塊、峰值檢測模塊找到目標 頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置；找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù) 據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置后，控制模塊控制存儲模塊輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過 變頻模塊進行頻偏修正，修正后的數(shù)據(jù)經(jīng)過相干積分模塊、平方模塊，平方模 塊輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過頻率估計模塊進行頻偏的精細估計。
如圖2所示，變頻模塊包括相連接的共軛相乘模塊、本地載波模塊。 實施例
初始捕獲階段完成了偽碼相位和多普勒頻偏較粗的同步，在我們的實施例 中，捕獲階段進行1毫秒的相干積分，偽碼間隔為0.5個碼片。捕獲完，剩余 碼片相位偏差在-/+0.25個碼片內(nèi)，剩余多普勒范圍為-/+250他。捕獲階段完成 信號的初始同步，也得到了信號強度的粗略估計，確定信號載噪比在下面哪一 個范圍內(nèi)<formula>formula see original document page 13</formula>
當信號載噪比在范圍a內(nèi)時，二次捕獲使用數(shù)據(jù)量為1619 (M=80)個跟 蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)，即1.619s的數(shù)據(jù)；當信號載噪比在范圍b內(nèi)時，二次捕獲 使用數(shù)據(jù)量為1219 (M=60)個跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)，即1.219s的數(shù)據(jù)；當信 號載噪比在范圍c內(nèi)時，二次捕獲使用數(shù)據(jù)量為819 (M=40)個跟蹤相關(guān)器輸 出數(shù)據(jù)，即0.819s的數(shù)據(jù)；當信號載噪比在范圍d內(nèi)時，二次捕獲使用數(shù)據(jù)量 為419 (M-20)個跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)，即0.419s的數(shù)據(jù)。不同信號載噪比范 圍的二次捕獲使用數(shù)據(jù)量是根據(jù)仿真得到的，經(jīng)過實測驗證。
實測時，信號載噪比為27dB/Hz,多普勒頻偏為1156Hz,信號格式為GPS 的C/A碼，存儲的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)的調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置為第3個數(shù)據(jù)。 捕獲完成后，碼片相位近似同步，剩余多普勒頻偏為156Hz，并且估計出信號 強度所在的范圍為a。二次捕獲時搜索頻點為-250Hz、225Hz、200Hz......220Hz、
225Hz、 250Hz，共有21個頻點，非相干積分模塊共有21組輸出數(shù)據(jù)，每組對 應(yīng)一個頻點，每組數(shù)據(jù)有20個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)對應(yīng)一種可能的調(diào)制電文數(shù)據(jù) 翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置。峰值檢測模塊找到峰值的位置為第17組數(shù)據(jù)的 第三個數(shù)據(jù)，表明目標頻點為150Hz，調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位 置為輸入數(shù)據(jù)的第三個數(shù)據(jù)?？刂颇K根據(jù)目標頻點150Hz，控制本地載波模 塊產(chǎn)生150Hz的復載波信號，讀取存儲模塊中的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)與復載波 信號共軛相乘實現(xiàn)頻偏補償。頻偏補償后數(shù)據(jù)的剩余頻偏為6Hz。根據(jù)調(diào)制電 文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置，從第三個數(shù)據(jù)開始，每5個數(shù)據(jù)進行相干 積分，相干積分后的數(shù)據(jù)進行平方操作。平方操作后的數(shù)據(jù)的等效采樣率為 200Hz，剩余頻偏為12Hz，對這些數(shù)據(jù)進行256點的FFT運算，找到FFT結(jié) 果的峰值位置為16。根據(jù)計算得到頻偏補償后剩余頻偏的精確估計值為 5.86Hz。
權(quán)利要求
1.一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的方法，其特征在于包括如下步驟1)在控制模塊的控制下，存儲一組跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)到存儲模塊，每一個跟蹤通道對應(yīng)一個存儲模塊；2)存儲模塊存儲跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)后，控制模塊控制存儲模塊、變頻模塊、匹配濾波模塊和積分檢測模塊，將捕獲后剩余的多普勒頻偏范圍分割成多個頻點；對頻點進行搜索，找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置；3)根據(jù)目標頻點，對存儲的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏修正；根據(jù)調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置，對經(jīng)過頻偏修正后的數(shù)據(jù)進行相干積分，相干積分在同一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)內(nèi)進行，相干積分時間能被調(diào)制電文數(shù)據(jù)持續(xù)時間整除；4)相干積分后的數(shù)據(jù)進行平方操作，消除調(diào)制電文數(shù)據(jù)極性的影響；平方操作后的數(shù)據(jù)用頻譜分析獲得更加精細的頻偏，頻譜分析在頻率估計模塊中進行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的方法，其特征 在于，所述的在控制模塊的控制下，存儲一組跟蹤相關(guān)器的輸出數(shù)據(jù)到存儲模 塊，每一個跟蹤通道對應(yīng)一個存儲模塊步驟包括1) 跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)為復信號，采樣間隔為1毫秒，即采樣率為lKHz， 每一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)有20個采樣點；2) 存儲模塊存儲數(shù)據(jù)量為19+20*M， M>0， M的取值由捕獲階段估計的 載噪比決定；3) 當存儲模塊存儲數(shù)據(jù)量達到要求時，向控制模塊發(fā)出二次捕獲啟動信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的方法，其特征 在于，所述的存儲模塊存儲跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)后，控制模塊控制存儲模塊、 變頻模塊、匹配濾波模塊和積分檢測模塊，將捕獲后剩余的多普勒頻偏范圍分 割成多個頻點；對頻點進行搜索，找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次 編碼起始位置步驟包括1) 捕獲后剩余多普勒頻偏范圍為-(l/4T)Hz^+(l/4T)Hz， T為捕獲階段相干 積分時間，為1毫秒，對剩余多普勒頻偏范圍進行分割，間隔為1/(2Td)Hz， 其中Td為調(diào)制電文數(shù)據(jù)持續(xù)時間，為20毫秒，有N-Td/T+1個頻點；2) 對于每個頻點，控制模塊控制變頻模塊中的本地載波模塊產(chǎn)生本地載波;控制模塊讀取存儲模塊中跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)，與本地載波共軛相乘進行變 頻；3) 變頻之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配濾波模塊，匹配濾波器級數(shù)為20，抽頭系數(shù) 分別為對于GPS的C/A碼信號而言為1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1，對于GPS的L5波段的正交支路信號而言為國l， 畫l， -1， -1， -1， 1，畫l， -1， 1， 1，誦l， 1， -1， 1， -1， -1， 1， 1， 1， -1，對于 GLONASS的C/A碼而言為1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， 1， -1，國l， -1，國l， -1， -1， -1， -1， -1， -1;4) 對于每個頻點，匹配濾波模塊共有19+20*M個輸入數(shù)據(jù)，M>0，有20*M 個輸出數(shù)據(jù)。每20個輸出數(shù)據(jù)分為l組，共有M組數(shù)據(jù)；5) 對于每個頻點，對匹配濾波模塊輸出的M組數(shù)據(jù)取模，取模后第0組 0號數(shù)據(jù)、第1組0號數(shù)據(jù)直到第M-l組0號數(shù)據(jù)相加；第0組1號數(shù)據(jù)、第 1組1號數(shù)據(jù)直到第M-l組1號數(shù)據(jù)相加；依次類推，第0組19號數(shù)據(jù)、第1 組19號數(shù)據(jù)直到第M-l組19號數(shù)據(jù)相加；共產(chǎn)生20個非相干積分數(shù)據(jù)；6) N個頻點共有2(^N個非相干積分數(shù)據(jù)，非相干積分數(shù)據(jù)送至峰值檢測 模塊；峰值檢測模塊找到峰值，峰值對應(yīng)的頻點就是目標頻點，記為6，峰值 對應(yīng)的編號就是調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置，記為》。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的方法，其特征 在于，所述的對于每個頻點，匹配濾波模塊共有19+2(PM個輸入數(shù)據(jù)，M>0， 有20*M個輸出數(shù)據(jù)。每20個輸出數(shù)據(jù)分為1組，共有M組數(shù)據(jù)步驟包括1) 匹配濾波模塊輸入數(shù)據(jù)的前19個數(shù)據(jù)填滿匹配濾波模塊移位寄存器的 前19個，從第20個輸入數(shù)據(jù)開始，每輸入一個數(shù)據(jù)就輸出一個數(shù)據(jù)，共有20*M 個輸出數(shù)據(jù)，M>0;2) 匹配濾波模塊輸出數(shù)據(jù)第0 19分為第0組，第20~39分為第1組，依 次類推第20*M-20~20*M-1分為第M-l組。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的方法，其特征 在于，所述的根據(jù)目標頻點，對存儲的跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏修正；根 據(jù)調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼的起始位置，對經(jīng)過頻偏修正后的數(shù)據(jù)進行 相干積分，相干積分在同一個調(diào)制電文數(shù)據(jù)內(nèi)進行，相干積分時間能被調(diào)制電 文數(shù)據(jù)持續(xù)時間整除步驟包括1)根據(jù)目標頻點/5，控制模塊控制變頻模塊中的本地載波產(chǎn)生模塊產(chǎn)生頻 點《對應(yīng)頻率的復載波信號?？刂颇K讀取存儲模塊中的數(shù)據(jù)，與本地復載波信號共軛相乘，完成頻偏修正；2)根據(jù)調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置》，相干積分從頻偏修 正后的第》+l個數(shù)據(jù)開始進行，相干積分時間為1毫秒、2毫秒、4毫秒、5 毫秒或者IO亳秒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的方法，其特征 在于，所述的相干積分后的數(shù)據(jù)進行平方操作，消除調(diào)制電文數(shù)據(jù)極性的影響； 平方操作后的數(shù)據(jù)用頻譜分析獲得更加精細的頻偏，頻譜分析在頻率估計模塊 中進行步驟包括1) 平方操作消除調(diào)制電文正負極性的變化，同時剩余頻偏也變?yōu)樵瓉淼膬杀叮?) 頻偏補償后剩余頻偏范圍為-l/(4Td)Hz l/(4Td)Hz,平方使頻偏范圍加 倍，變?yōu)?l/(2Td)Hz l/(2Td)Hz; Td為20毫秒，頻偏補償后頻偏范圍為 -25Hz~25Hz;頻譜分析法估計頻偏補償后剩余的多普勒頻偏。
7. —種如權(quán)利要求1所述方法設(shè)計的微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的裝置， 其特征在于，包括如下模塊跟蹤相關(guān)器、存儲模塊、變頻模塊、匹配濾波模 塊、非相干積分模塊、峰值檢測模塊、相干積分模塊、平方模塊、頻率估計模 塊以及控制模塊；跟蹤相關(guān)器、存儲模塊、變頻模塊依次相連；變頻模塊分別 與匹配濾波模塊、相干積分模塊相連；匹配濾波模塊、非相干積分模塊、峰值 檢測模塊依次相連；相干積分模塊、平方模塊、頻率估計模塊依次相連。控制 模塊控制跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)存儲到存儲模塊，存儲模塊向控制模塊發(fā)出二次 捕獲啟動信號；控制模塊控制存儲模塊輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過匹配濾波模塊、非 相干積分模塊、峰值檢測模塊找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼 起始位置；找到目標頻點和調(diào)制電文數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位置/二次編碼起始位置后，控制 模塊控制存儲模塊輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過變頻模塊進行頻偏修正，修正后的數(shù)據(jù) 經(jīng)過相干積分模塊、平方模塊，平方模塊輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過頻率估計模塊進行頻偏 的精細估計。
8. —種如權(quán)利要求7所述方法設(shè)計的微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲的裝置， 其特征在于，所述的變頻模塊包括相連接的共軛相乘模塊、本地載波模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微弱衛(wèi)星導航信號二次捕獲方法與裝置。衛(wèi)星導航接收機的捕獲模塊完成偽碼相位和多普勒頻偏較粗的估計。在高靈敏度衛(wèi)星導航接收機中，為了提高跟蹤靈敏度，必須進行長時間相干積分，這就需要知道導航電文比特的翻轉(zhuǎn)位置以及較小的剩余多普勒頻偏。捕獲后，對跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行二次捕獲，在剩余頻偏范圍內(nèi)進行頻點的二次搜索，旨在找到電文比特的翻轉(zhuǎn)位置、二次編碼的起始位置。找到目標頻點以及調(diào)制電文數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)位置、二次編碼的起始位置后，對跟蹤相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)進行頻偏補償、相干積分以及平方操作，用頻譜分析法對頻偏補償后剩余的頻偏進行精細估計。本發(fā)明適用于GPS、GLONASS等多種系統(tǒng)衛(wèi)星導航接收機。
文檔編號G01S1/00GK101666869SQ20091015294
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者侯維瑋, 李云飛, 悅 王, 王勇松, 趙民建 申請人:浙江大學