專(zhuān)利名稱(chēng)：一種compass信號(hào)的快速捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及COMPASS信號(hào)的捕獲方法。
背景技術(shù)：
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分為北斗一代(Beidou I)和北斗二代(COMPASS或Beidou II)兩個(gè)階段。COMPASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后將提供兩種服務(wù)，一種是針對(duì)非授權(quán)用戶(hù)的開(kāi)放服務(wù)，另一種是針對(duì)授權(quán)用戶(hù)的授權(quán)服務(wù)。開(kāi)放服務(wù)在全球范圍內(nèi)定位精度可達(dá)10m，授時(shí)精度可達(dá)20ns，測(cè)速精度為0. 2m/s。授權(quán)服務(wù)可以提供更高精度的定位、授時(shí)、測(cè)速服務(wù)。局部區(qū)域內(nèi)差分定位精度可以達(dá)到lm，并且可以利用COMPASS衛(wèi)星進(jìn)行報(bào)文通信。
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COMPASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS、伽利略系統(tǒng)在載波頻率、信號(hào)結(jié)構(gòu)和定位原理等方面有很多相似之處。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的登記，COMPASS衛(wèi)星將發(fā)射BI、B2、B3、Bl-2四種頻率的信號(hào)，這些信號(hào)均采用QPSK調(diào)制，B3為單通道信號(hào)，Bl、B2、Bl-2信號(hào)分為同相I和正交Q兩個(gè)通道，其中，I通道由余弦載波調(diào)制，開(kāi)發(fā)服務(wù)，Q通道由正弦載波調(diào)制，授權(quán)服務(wù)，接收信號(hào)可以表示為sb (b) = D (t- T d) C (t- T d) exp (j2 n fDt+ 0 ) +nb (t)其中，D(t)為導(dǎo)航電文，C(t)為擴(kuò)頻碼序列，T d為時(shí)延，fD為包含多普勒頻移的載波頻率，e為初始相位，nb(t)為噪聲，t為信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間。BI和B2上調(diào)制的偽隨機(jī)碼都是碼長(zhǎng)2046bits的Gold碼，由11級(jí)移位寄存器產(chǎn)生，BI的I通道Gold碼是由兩個(gè)11級(jí)移位寄存器模2和生成。目前，導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的常見(jiàn)捕獲方法主要有三種(I)滑動(dòng)相關(guān)捕獲法滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法采用碼相關(guān)器和載波相關(guān)器，對(duì)碼相位和載波進(jìn)行串行的搜索方式。先設(shè)置載波頻率為某一值，在這個(gè)基礎(chǔ)上將當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的某一衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼碼元每次移動(dòng)1/2位，與輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，每次的相關(guān)結(jié)果與捕獲門(mén)限進(jìn)行比較。如果當(dāng)?shù)卮a元移動(dòng)了一個(gè)偽隨機(jī)碼周期時(shí)仍未超過(guò)捕獲門(mén)限，則重新設(shè)置載波頻率，再次重復(fù)上述過(guò)程；只有當(dāng)載波頻率、當(dāng)?shù)卮a元與信號(hào)的真實(shí)值接近時(shí)，相關(guān)結(jié)果會(huì)超過(guò)捕獲門(mén)限，如果遍歷所有情況仍然未超過(guò)捕獲門(mén)限，則說(shuō)明信號(hào)中不存在該衛(wèi)星的信號(hào)?；瑒?dòng)相關(guān)捕獲法運(yùn)算量非常大，一般適合硬件處理，軟件接收機(jī)采用滑動(dòng)相關(guān)捕獲法的話，捕獲速度會(huì)非常慢。該搜索方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是搜索耗時(shí)較長(zhǎng)。(2)頻域并行捕獲算法由于滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法運(yùn)算量大，要搜索到全部可視衛(wèi)星需要時(shí)間很長(zhǎng)，如果對(duì)兩個(gè)需要搜索的方面同時(shí)進(jìn)行，可以大大地節(jié)省時(shí)間，基于這種思想就有了頻域并行捕獲算法。頻域并行捕獲算法計(jì)算過(guò)程是本地產(chǎn)生的所對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼序列，輸入信號(hào)先與本地偽隨機(jī)碼相乘解擴(kuò)，相乘后的信號(hào)通過(guò)FFT轉(zhuǎn)換到頻域。只有當(dāng)本地偽隨機(jī)碼和輸入信號(hào)的碼相位接近時(shí)，F(xiàn)FT后輸出的頻域信號(hào)波形將顯示一個(gè)特別的峰值，這個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的一個(gè)頻率點(diǎn)，如果這個(gè)峰值大于預(yù)設(shè)門(mén)限，該頻率就是捕獲到的載波頻率，該峰值對(duì)應(yīng)的碼相位就是捕獲到的碼相位。如果輸入信號(hào)中含有其他衛(wèi)星的信號(hào)，由于各個(gè)衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼具有良好的自相關(guān)性，但其互相關(guān)性很差，所以其他衛(wèi)星信號(hào)與本地偽隨機(jī)碼相乘后將被衰減而沒(méi)有出現(xiàn)顯著的峰值?；瑒?dòng)相關(guān)捕獲要分別搜索碼相位和載波頻率，而頻域并行捕獲只需搜索碼相位，減少了運(yùn)算量，但要對(duì)每個(gè)碼相位作一次FFT，增加了運(yùn)算復(fù)雜程度。(3)碼相位并行捕獲法搜索空間的碼相位數(shù)量大于頻率數(shù)量，頻域并行捕獲省去了頻率搜索，但增加了每個(gè)碼相位的FFT變換，如果對(duì)碼相位搜索并行處理而頻率搜索串行處理，則總耗時(shí)將比滑動(dòng)相關(guān)捕獲和頻域并行捕獲都小，根據(jù)這種思路設(shè)計(jì)了并行碼相位捕獲算法。接收輸入信號(hào)先與本地載波相乘解調(diào)得到X (n)，然后進(jìn)行FFT運(yùn)算變換到頻域。 本地偽隨機(jī)碼先FFT變換到頻域，再作復(fù)共軛變換后與X (n)的頻域信號(hào)相乘，其結(jié)果再通過(guò)IFFT輸出，結(jié)果反映了輸入信號(hào)和本地偽隨機(jī)碼的相關(guān)性。如果輸出信號(hào)出現(xiàn)相關(guān)峰，如果峰值大于預(yù)設(shè)門(mén)限，則峰值對(duì)應(yīng)的碼相位就是捕獲到的碼相位，對(duì)應(yīng)的頻率就是捕獲到的載波頻率。以上三種方法，滑動(dòng)相關(guān)法是在碼相位和載波頻率都串行搜索；頻域并行捕獲法是載波頻率并行搜索，碼相位串行搜索；碼相位并行捕獲法是碼相位并行搜索，載波頻率串行搜索。由于碼相位的搜索次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載波頻率的搜索次數(shù)。所以三種方法中，碼相位并行捕獲法是速度最快的，但是載波頻率串行搜索也限制了速度的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種COMPASS信號(hào)的快速捕獲方法，將載波頻率串行搜索改為并行搜索，即將原本只有一路的載波搜索，變成多路載波搜索，這樣衛(wèi)星信號(hào)的捕獲速度將得到進(jìn)一步提高。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明米用的技術(shù)方案為一種COMPASS信號(hào)的快速捕獲方法，包括如下步驟步驟I :本地偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生即時(shí)相關(guān)偽隨機(jī)碼，然后進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)變換到頻域，再作復(fù)共軛變換，得到信號(hào)C (k)；步驟2 :本地載波器產(chǎn)生f-10KHZ、f-aKHZ、f、f+aKHZ四路載波頻率通路，其中0< a < 10，同時(shí)與COMPASS信號(hào)相乘，然后經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換運(yùn)算，得到信號(hào)(k)，式中，j = I, 2, 3, 4 ；步驟3 :信號(hào)C(k)分別與四路信號(hào)XjGO相乘，得到Rj (k)，然后進(jìn)行傅里葉反變換運(yùn)算，得到相關(guān)值rj(n),并取模|rj(n) | ；步驟4 :將每一路相關(guān)值Irj(Ii) I中的最大值分別與預(yù)設(shè)門(mén)限值比較，如果其中有一路相關(guān)值lh(n) I大于預(yù)設(shè)門(mén)限值，則輸出該路相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和載波頻率，表示捕獲到該衛(wèi)星信號(hào)，跳到步驟I繼續(xù)捕獲其他衛(wèi)星；步驟5 :如果任何一路相關(guān)值lh(n) I都沒(méi)有超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限值，每一路載波頻率通路頻率搜索步進(jìn)500Hz，跳到步驟2繼續(xù)前述各步驟的捕獲過(guò)程，直到搜索完所有的載波；
步驟6 :如果任何一路相關(guān)值|rj(n) I仍沒(méi)有超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限值，換一顆衛(wèi)星，跳到步驟I繼續(xù)前述各步驟的捕獲過(guò)程，直到所有衛(wèi)星信號(hào)都搜索完畢。所述a的初始值優(yōu)選5。所述步驟4中，預(yù)設(shè)門(mén)限值的大小優(yōu)選噪聲門(mén)限值的8倍。進(jìn)一步地，所述步驟5中，當(dāng)a > 10時(shí)，載波搜索完畢。進(jìn)一步地，在所述步驟4中，設(shè)置檢測(cè)預(yù)設(shè)值A(chǔ)和K，如果相關(guān)值|rj(n) |大于預(yù)設(shè)門(mén)限值，則K加I，判斷K是否大于等于A，如果是，則表示已捕獲到該衛(wèi)星信號(hào)，否則不調(diào)整載波頻率，繼續(xù)捕獲；如果相關(guān)值h(n) I不大于預(yù)設(shè)門(mén)限值，則K減1，判斷K是否等于零或者相關(guān)時(shí)間是否超過(guò)最大相關(guān)時(shí)間，如果K不等于零且相關(guān)時(shí)間沒(méi)有超過(guò)最大相關(guān)時(shí)間，則不調(diào)整載波頻率，繼續(xù)捕獲，否則表示衛(wèi)星信號(hào)未捕獲，調(diào)整載波頻率，并重新設(shè)置K，繼續(xù)捕獲。進(jìn)一步地，所述A=9, K=l。 有益效果在本發(fā)明中產(chǎn)生了 f-10KHZ、f-aKHZ、f、f+aKHZ四路頻率載波，進(jìn)行并行搜索，從而縮短了搜索的總耗時(shí)；同時(shí)通過(guò)合理的門(mén)限設(shè)置保證了衛(wèi)星信號(hào)的捕獲精度。本發(fā)明在不影響捕獲精度的情況下，提高了衛(wèi)星信號(hào)捕獲的速度。


圖I是本發(fā)明的COMPASS信號(hào)快速捕獲方法流程圖；圖2是本發(fā)明的COMPASS信號(hào)快速捕獲方法示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。下面以C0MPASS-B1信號(hào)的捕獲為例，結(jié)合圖I進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖I是本發(fā)明的COMPASS信號(hào)快速捕獲流程圖。由于C0MPASS-B1信號(hào)受到多普勒頻移的影響，頻移范圍在-IOKHz IOKHz之間，經(jīng)過(guò)下變頻后，信號(hào)頻率變?yōu)閒-10KHZ f+10KHZ，而且考慮到硬件資源功耗，因此在本發(fā)明中，采取四路頻率并行搜索，兼顧多普勒搜索范圍，選取a的初值為20KHZ/4 = 5KHZ，同時(shí)設(shè)置A=9，K=I。 圖 I 中步驟I :本地偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生即時(shí)相關(guān)偽隨機(jī)碼，然后進(jìn)行FFT變換到頻域，再作復(fù)共軛變換，得到信號(hào)C (k)。步驟2 :本地載波器將產(chǎn)生f-10KHZ、f_5KHZ、f、f+5KHZ四路載波頻率通路，同時(shí)與C0MPASS-BI信號(hào)相乘，然后經(jīng)過(guò)FFT運(yùn)算，得到信號(hào)Xj (k) (j = I, 2，3，4)。步驟3:信號(hào)C(k)分別與四路信號(hào)XjGO (j = 1,2, 3,4)相乘，得到R」(k)(j =1，2，3，4，)，然后進(jìn)行IFFT (傅里葉反變換)運(yùn)算，得到相關(guān)值rdn) (j = l，2，3，4)，并取模 Irj(Ji) I (j = I, 2，3，4)。步驟4 :首先確定噪聲門(mén)限將本地接收機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與衛(wèi)星發(fā)送的偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，對(duì)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作出概率分布曲線，按照系統(tǒng)所要求的檢測(cè)概率指標(biāo)在分布曲線上選取合適的點(diǎn)，作為其噪聲門(mén)限。然后選取噪聲門(mén)限值的8倍作為捕獲門(mén)限的預(yù)設(shè)門(mén)限值，將每一路相關(guān)值lh(n) I (j = 1,2, 3,4)中的最大值分別與預(yù)設(shè)門(mén)限值比較，如果其中有一路相關(guān)值lh(n) I (j = 1,2, 3,4)大于預(yù)設(shè)門(mén)限值，則輸出它所對(duì)應(yīng)的碼相位和載波頻率，表示捕獲到該衛(wèi)星信號(hào)，跳到步驟I繼續(xù)捕獲其他衛(wèi)星。確定真正捕獲到衛(wèi)星信號(hào)方法是綜合考慮高檢測(cè)率、低虛警概率以及捕獲速度的要求，設(shè)置檢測(cè)預(yù)設(shè)值A(chǔ)和K,本實(shí)施例采用預(yù)設(shè)值A(chǔ)=9和K=I,如果相關(guān)值I rj (n) | (j = I, 2，3，4)大于預(yù)設(shè)門(mén)限，則K加I，判斷K是否大于等于A，如果是，則表示已捕獲到該衛(wèi)星信號(hào)，否則不調(diào)整載波頻率，繼續(xù)捕獲；如果相關(guān)值lh(n) I (j = 1,2, 3,4)不大于預(yù)設(shè)門(mén)限，則K減1，判斷K是否等于零或者相關(guān)時(shí)間是否超過(guò)最大相關(guān)時(shí)間，如果不等于零且相關(guān)時(shí)間沒(méi)有超過(guò)最大相關(guān)時(shí)間，則不調(diào)整載波頻率，繼續(xù)捕獲，否則表示信號(hào)未捕獲，調(diào)整載波頻率，并重新設(shè)置K，繼續(xù)捕獲。步驟5 :如果任何一路相關(guān)值Irj(Ii) I (j = I, 2，3，4)都沒(méi)有超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限值，每一路載波頻率通路頻率搜索步進(jìn)500Hz，跳到步驟2繼續(xù)前述各步驟的捕獲過(guò)程，直到搜索完所有的載波。
步驟6 :如果任何一路相關(guān)值Irj(Ii) I (j = I, 2，3，4)仍沒(méi)有超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限值，換一顆衛(wèi)星，跳到步驟I繼續(xù)前述各步驟的捕獲過(guò)程，直到所有衛(wèi)星信號(hào)都搜索完畢。圖2是本發(fā)明的COMPASS信號(hào)快速捕獲方法示意圖，從另一個(gè)方面說(shuō)明了 COMPASS信號(hào)快速捕獲的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
權(quán)利要求
1.一種COMPASS信號(hào)的快速捕獲方法，包括如下步驟步驟I :本地偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生即時(shí)相關(guān)偽隨機(jī)碼，然后進(jìn)行快速傅里葉變換變換到頻域，再作復(fù)共軛變換，得到信號(hào)C (k)；步驟2 :本地載波器產(chǎn)生f-10KHZ、f-aKHZ、f、f+aKHZ四路載波頻率通路，其中O < a < 10，同時(shí)與COMPASS信號(hào)相乘，然后經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換運(yùn)算，得到信號(hào)\(k)，式中，j = 1,2, 3,4 ；步驟3:信號(hào)C(k)分別與四路信號(hào)\(k)相乘，得到R^k)，然后進(jìn)行傅里葉反變換運(yùn)算，得到相關(guān)值L (η),并取模Irj (η) | ；步驟4:將每一路相關(guān)值|h(n) I中的最大值分別與預(yù)設(shè)門(mén)限值比較，如果其中有一路相關(guān)值lh(n) I大于預(yù)設(shè)門(mén)限值，則輸出該路相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和載波頻率，表示捕獲到該衛(wèi)星信號(hào)，跳到步驟I繼續(xù)捕獲其他衛(wèi)星；步驟5 :如果任何一路相關(guān)值|ι_(η) I都沒(méi)有超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限值，每一路載波頻率通路頻率搜索步進(jìn)500Hz，跳到步驟2繼續(xù)前述各步驟的捕獲過(guò)程，直到搜索完所有的載波；步驟6 :如果任何一路相關(guān)值lh(n) I仍沒(méi)有超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限值，換一顆衛(wèi)星，跳到步驟I 繼續(xù)前述各步驟的捕獲過(guò)程，直到所有衛(wèi)星信號(hào)都搜索完畢。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種COMPASS信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于a的初始值為5。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種COMPASS信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于所述步驟4 中，預(yù)設(shè)門(mén)限值的大小為噪聲門(mén)限值的8倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種COMPASS信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于所述步驟5 中，當(dāng)a> 10時(shí)，載波搜索完畢。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種COMPASS信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于在所述步驟4中，設(shè)置檢測(cè)預(yù)設(shè)值A(chǔ)和K，如果相關(guān)值h(n)|大于預(yù)設(shè)門(mén)限值，則K加1，判斷K是否大于等于A，如果是，則表示已捕獲到該衛(wèi)星信號(hào)，否則不調(diào)整載波頻率，繼續(xù)捕獲；如果相關(guān)值lh(n) I不大于預(yù)設(shè)門(mén)限值，則K減1，判斷K是否等于零或者相關(guān)時(shí)間是否超過(guò)最大相關(guān)時(shí)間，如果K不等于零且相關(guān)時(shí)間沒(méi)有超過(guò)最大相關(guān)時(shí)間，則不調(diào)整載波頻率，繼續(xù)捕獲，否則表示衛(wèi)星信號(hào)未捕獲，調(diào)整載波頻率，并重新設(shè)置K，繼續(xù)捕獲。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種COMPASS信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于所述A=9，K=I。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域的衛(wèi)星信號(hào)捕獲方法，具體涉及一種COMPASS衛(wèi)星信號(hào)的快速捕獲方法。該方法將載波頻率的一路串行搜索轉(zhuǎn)變成四路進(jìn)行并行搜索，過(guò)程包括本地偽隨機(jī)碼通過(guò)FFT和復(fù)共軛變換得到信號(hào)C(k)，本地產(chǎn)生四路載波同時(shí)與COMPASS信號(hào)相乘，經(jīng)過(guò)FFT，得到四路信號(hào)Xj(k)(j＝1,2,3,4)；C(k)分別與Xj(k)(j＝1,2,3,4)相乘，然后經(jīng)過(guò)IFFT并取模得到信號(hào)|rj(n)|(j＝1,2,3,4)，每一路得到的信號(hào)中的最大值都與預(yù)設(shè)門(mén)限比較，以確定是否真正捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。本發(fā)明在不影響捕獲精度的情況下，提高了COMPASS信號(hào)的捕獲速度。
文檔編號(hào)G01S19/29GK102707297SQ20121021828
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者張冰, 李效龍, 楊奕飛, 王玉龍, 胡偉華, 蘇麗娜, 袁偉, 齊亮 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)