一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)快速捕獲方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明有提供一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法與裝置。其中衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法包括：對(duì)接收機(jī)的晶振時(shí)鐘進(jìn)行修正，以減小頻率搜索范圍；通過(guò)位置與時(shí)間等輔助信息，估計(jì)碼相位和多普勒的誤差值，最大程度的減小搜索范圍；根據(jù)估算的結(jié)果，將這個(gè)二維估計(jì)值設(shè)定為搜索中心，并采用螺旋式的搜索順序進(jìn)行信號(hào)的捕獲，即從概率高的點(diǎn)開(kāi)始，逐漸往概率低的點(diǎn)進(jìn)行搜索；檢測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱，并根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱自適應(yīng)的使用不同的積分時(shí)間與捕獲步進(jìn)；采用靈活的判決模式，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱決定使用門限判決或最大值判決，并根據(jù)捕獲的成功率調(diào)整門限大小。本發(fā)明提供的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)快速捕獲方法與裝置可最大程度的提高捕獲運(yùn)算效率，并提高衛(wèi)星信號(hào)的捕獲速度。
【專利說(shuō)明】一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)快速捕獲方法與裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明有關(guān)于一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法與裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]目前全球的衛(wèi)星系統(tǒng)包括:美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GL0NASS系統(tǒng)、中國(guó)的北斗系統(tǒng)和歐洲的Galileo系統(tǒng)，日本和印度也提出了各自的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃。
[0003]對(duì)以上各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理都是相似的，定位前都需要先進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的捕獲。在現(xiàn)代化的GNSS中一些系統(tǒng)使用長(zhǎng)碼，如:GPS的P碼、北斗系統(tǒng)的P碼、Galileo系統(tǒng)的4ms長(zhǎng)碼等，而對(duì)這類衛(wèi)星長(zhǎng)碼信號(hào)的捕獲一般需要較長(zhǎng)的時(shí)間。另外，現(xiàn)代化的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)為了提高接收靈敏度，普通采用增長(zhǎng)積分時(shí)間的計(jì)算方法，這也會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)捕獲時(shí)間的大大加長(zhǎng)。而捕獲衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)負(fù)面地影響接收機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，即首次定位時(shí)間(Time To First Fix,簡(jiǎn)稱TTFF)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]現(xiàn)代化的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)由于使用長(zhǎng)碼或?yàn)榱颂岣呓邮侦`敏度，通常衛(wèi)星信號(hào)的捕獲時(shí)間較長(zhǎng)，從而影響到衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的首次定位時(shí)間，本發(fā)明提供一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法與裝置以解決上述問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明提供一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法，包括:對(duì)接收機(jī)的晶振時(shí)鐘進(jìn)行修正，以減小頻率搜索范圍；通過(guò)位置與時(shí)間等輔助信息，估計(jì)碼相位和多普勒的誤差值，最大程度的減小搜索范圍；根據(jù)估算的結(jié)果，將這個(gè)二維估計(jì)值設(shè)定為搜索中心，并采用螺旋式的搜索順序進(jìn)行信號(hào)的捕獲，即從概率高的點(diǎn)開(kāi)始，逐漸往概率低的點(diǎn)進(jìn)行搜索；檢測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱，并根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱自適應(yīng)的使用不同的積分時(shí)間與捕獲步進(jìn)；采用靈活的判決模式，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱決定使用門限判決或最大值判決，并根據(jù)捕獲的成功率調(diào)整門限大小。通過(guò)以上方式最大程度地提高捕獲速度。
[0006]本發(fā)明另提供一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲裝置，包括:天線，用以接收到所有可見(jiàn)的衛(wèi)星信號(hào)；RF/下變頻模塊，用以對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大與混頻，并轉(zhuǎn)換為模擬I/Q中頻信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，用以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字中頻信號(hào)。最后ADC的輸出端與本發(fā)明的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲數(shù)字電路相連?？焖俨东@數(shù)字電路包括:中頻處理模塊、存儲(chǔ)控制模塊、碼發(fā)生器、載波NC0、碼NC0、相關(guān)運(yùn)算模塊(含相干運(yùn)算與非相干運(yùn)算)、捕獲控制模塊、門限處理模塊與時(shí)鐘控制模塊。I/Q中頻與載波NCO混頻后，與中頻處理模塊的輸入端相連，存儲(chǔ)控制模塊的輸入端與中頻處理模塊的輸出端相連，碼NCO與碼發(fā)生器相連，時(shí)鐘控制模塊產(chǎn)生控制信號(hào)給載波NCO和碼NC0。存儲(chǔ)的中頻數(shù)據(jù)與本地碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送到門限處理模塊進(jìn)行判決處理。捕獲控制模塊作為主控制器分別與碼發(fā)生器、相關(guān)運(yùn)算模塊、門限處理模塊和時(shí)鐘控制模塊相連。
[0007]本發(fā)明提供的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法與裝置，利用時(shí)鐘控制模塊對(duì)接收機(jī)的晶振時(shí)鐘進(jìn)行修正，以及捕獲控制模塊對(duì)碼相位、多普勒與衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱的估計(jì)，靈活調(diào)整了搜索順序、積分時(shí)間、捕獲步進(jìn)與門限判決模式，從而最大程度的提高了運(yùn)算效率，并提高了衛(wèi)星信號(hào)的捕獲速度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)快速捕獲裝置圖；
圖2是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)捕獲搜索順序示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0009]為便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個(gè)實(shí)施例為例做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明，且各個(gè)實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。
[0010]實(shí)施例一
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案，如圖1所示，本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
首先，RF/下變頻模塊通過(guò)天線接收到所有可見(jiàn)的衛(wèi)星信號(hào)，RF/下變頻經(jīng)濾波、放大與混頻后，轉(zhuǎn)換為模擬I/Q中頻信號(hào)，之后再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字中頻信號(hào)。最后ADC的輸出端與本發(fā)明的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲數(shù)字電路相連。
[0011]快速捕獲裝置包括如下部分:中頻處理模塊、存儲(chǔ)控制模塊、碼發(fā)生器、載波NC0、碼NC0、相關(guān)運(yùn)算模塊(含相干運(yùn)算與非相干運(yùn)算)、捕獲控制模塊、門限處理模塊與時(shí)鐘控制模塊。I/Q中頻與載波NCO混頻后，與中頻處理模塊的輸入端相連，存儲(chǔ)控制模塊的輸入端與中頻處理模塊的輸出端相連，碼NCO與碼發(fā)生器相連，時(shí)鐘控制模塊產(chǎn)生控制信號(hào)給載波NCO和碼NC0。存儲(chǔ)的中頻數(shù)據(jù)與本地碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送到門限處理模塊進(jìn)行判決處理。捕獲控制模塊作為主控制器分別與碼發(fā)生器、相關(guān)運(yùn)算模塊、門限處理模塊和時(shí)鐘控制模塊相連。
[0012]衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)快速捕獲方法包括以下步驟:
1.天線接收到所有可見(jiàn)的衛(wèi)星信號(hào)的電磁波信號(hào)。
[0013]2.RF/下變頻模塊接收天線傳送過(guò)來(lái)的衛(wèi)星信號(hào)，后經(jīng)濾波、放大與混頻，轉(zhuǎn)換為模擬I/Q中頻信號(hào)。
[0014]3.模擬中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字中頻信號(hào)。
[0015]4.衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲數(shù)字電路對(duì)ADC輸出的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲處理運(yùn)算。首先數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)入捕獲單元的中頻處理模塊，中頻處理模塊將數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行無(wú)損壓縮，調(diào)整為固定通道數(shù)及固定位寬的數(shù)據(jù)。
[0016]5.中頻處理模塊輸出數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲(chǔ)控制模塊，該模塊對(duì)采樣的中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分段控制處理，以便數(shù)據(jù)塊順序地保存于中頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。
[0017]6.存儲(chǔ)控制模塊根據(jù)設(shè)定的順序取出中頻采樣數(shù)據(jù)，并與碼發(fā)生器模塊產(chǎn)生本地PN碼數(shù)據(jù)進(jìn)行分段相關(guān)運(yùn)算，分別得到I路和Q路的相干計(jì)算值，并存儲(chǔ)于內(nèi)部存儲(chǔ)器中。
[0018]7.非相干積分模塊對(duì)I/Q相干運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行非相干積分，得到非相干積分幅值V。
[0019]8.利用時(shí)鐘控制模塊修正晶振時(shí)鐘頻率，以減小頻率搜索范圍。首先通過(guò)計(jì)數(shù)單元對(duì)IPPS秒脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，之后對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，并計(jì)算出晶振的時(shí)鐘偏差。然后調(diào)整模擬電壓信號(hào)輸送給壓控晶振，通過(guò)電壓的變化調(diào)整晶振的頻率輸出，使得載波NCO和碼NCO能夠得到準(zhǔn)確的時(shí)鐘頻率。通過(guò)對(duì)晶振頻率進(jìn)行進(jìn)行修正，減小頻率誤差，從而減少信號(hào)捕獲時(shí)的多普勒搜索范圍。
[0020]9.捕獲控制模塊作為主控制器分別與碼發(fā)生器、相關(guān)運(yùn)算模塊、門限處理模塊和時(shí)鐘控制模塊相連，并對(duì)這些模塊進(jìn)行控制。捕獲控制模塊的具體功能包括:
(I)捕獲順序的控制
如圖2所示，本發(fā)明采用螺旋式的搜索方式進(jìn)行信號(hào)的捕獲。即首先估計(jì)碼相位和多普勒的誤差值，然后根據(jù)碼相位和多普勒的誤差估計(jì)值，并將這個(gè)二維估計(jì)值設(shè)定為搜索中心，然后從搜索中心螺旋往四周進(jìn)行搜索，可靈活配置采用順時(shí)針或逆時(shí)針進(jìn)行搜索。簡(jiǎn)單的說(shuō)，即從概率高的點(diǎn)開(kāi)始，逐漸往概率低的點(diǎn)進(jìn)行搜索。
[0021](2)估算誤差與搜索范圍
最大程度的減少搜索范圍，從而降低搜索時(shí)間:通過(guò)位置輔助的方式進(jìn)行估計(jì)；通過(guò)時(shí)間輔助的方式進(jìn)行估計(jì)；每次定位完成后對(duì)，對(duì)位置與星歷進(jìn)行保存。接收機(jī)下一次開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，利用已知信息估算誤差范圍，以減少搜索范圍，從而降低搜索時(shí)間。
[0022](3)積分時(shí)間的控制
當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，對(duì)接收機(jī)的接收靈敏度要求不高，捕獲使用短的積分時(shí)間；當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)較弱時(shí)，對(duì)接收機(jī)的接收靈敏度要求高，捕獲使用長(zhǎng)的積分時(shí)間。本發(fā)明采取的方式時(shí)，先對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行技術(shù)測(cè)試與估計(jì)，然后自適應(yīng)的確定積分時(shí)間的長(zhǎng)短，衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)時(shí)使用短的積分時(shí)間，衛(wèi)星信號(hào)弱時(shí)使用短的積分時(shí)間。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱時(shí)，我們采用的方法是:先配置使用短的積分時(shí)間進(jìn)行捕獲，若幾輪捕獲之后還無(wú)法搜索到衛(wèi)星信號(hào)，則再配置使用長(zhǎng)的積分時(shí)間進(jìn)行捕獲。
[0023](4)捕獲步進(jìn)的控制
衛(wèi)星捕獲過(guò)程中，我們將相鄰碼相位之間以及相鄰多普勒之間的距離稱之為捕獲步進(jìn)。捕獲步進(jìn)大小的設(shè)置方法與前面講的積分時(shí)間長(zhǎng)短的設(shè)置方法類似:
當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，對(duì)接收機(jī)的接收靈敏度要求不高，捕獲使用粗的步進(jìn)；當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)較弱時(shí)，對(duì)接收機(jī)的接收靈敏度要求高，捕獲使用細(xì)的步進(jìn)。本發(fā)明采取的方式時(shí)，先對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行技術(shù)測(cè)試與估計(jì)，然后自適應(yīng)的確定搜索步進(jìn)的長(zhǎng)短，衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)時(shí)使用粗的步進(jìn)，衛(wèi)星信號(hào)弱時(shí)使用細(xì)的步進(jìn)。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱時(shí)，我們采用的方法是:先配置使用粗的步進(jìn)進(jìn)行捕獲，若幾輪捕獲之后還無(wú)法搜索到衛(wèi)星信號(hào)，則再配置使用細(xì)的步進(jìn)進(jìn)行捕獲。
[0024]10.門限處理模塊用于計(jì)算捕獲門限Vt，并對(duì)搜索計(jì)算結(jié)果V進(jìn)行判決，判斷V是否超過(guò)門限值Vt。本發(fā)明的門限計(jì)算采用自適應(yīng)的算法，先對(duì)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)檢測(cè)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果決定采用的門限判決方式:若衛(wèi)星信號(hào)弱，則對(duì)所有多普勒范圍和碼延時(shí)的相關(guān)運(yùn)算值進(jìn)行比較，找出其中的最大值，最大值即認(rèn)為為捕獲結(jié)果，這種方式可最大限度的提高捕獲靈敏度；若衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)，當(dāng)判決到V>vt時(shí)，則認(rèn)為捕獲成功。若捕獲完一輪后還未找到超過(guò)Vt的值，則降低Vt重新搜索，這種方式可最大程度提高捕獲速度。
[0025]上述本發(fā)明實(shí)施例所述方法和裝置適用于中國(guó)北斗2代、美國(guó)GPS、俄羅斯GL0NASS以及歐洲Galineo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)。
[0026]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了一種新型的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)快速捕獲方法與裝置，利用時(shí)鐘控制模塊對(duì)接收機(jī)的晶振時(shí)鐘進(jìn)行修正，以及捕獲控制模塊對(duì)碼相位、多普勒與衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱的估計(jì)，靈活調(diào)整了搜索順序、積分時(shí)間、捕獲步進(jìn)與門限判決模式，從而最大程度的提高了運(yùn)算效率，并提高了衛(wèi)星信號(hào)的捕獲速度。
[0027]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)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)包括在本發(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)。
【權(quán)利要求】
1.一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法，包括: 對(duì)接收機(jī)的晶振時(shí)鐘進(jìn)行修正，以減小頻率搜索范圍； 通過(guò)位置與時(shí)間等輔助信息，估計(jì)碼相位和多普勒的誤差值，最大程度的減小搜索范圍； 根據(jù)估算的結(jié)果，將這個(gè)二維估計(jì)值設(shè)定為搜索中心，并采用螺旋式的搜索順序進(jìn)行信號(hào)的捕獲，即從概率高的點(diǎn)開(kāi)始，逐漸往概率低的點(diǎn)進(jìn)行搜索； 檢測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱，根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱自適應(yīng)的使用不同的積分時(shí)間； 根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱，自適應(yīng)的使用不同的捕獲步進(jìn)； 采用靈活的判決模式，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)弱決定使用門限判決或最大值判決，并根據(jù)捕獲的成功率調(diào)整門限大小。
2.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于，對(duì)接收機(jī)的晶振時(shí)鐘進(jìn)行修正時(shí)，首先通過(guò)計(jì)數(shù)單元對(duì)IPPS秒脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，之后對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，并計(jì)算出晶振的時(shí)鐘偏差。
3.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于，估計(jì)碼相位和多普勒的誤差值，是通過(guò)位置或時(shí)間輔助的方式進(jìn)行，以及每次定位完成后對(duì)，都對(duì)位置與星歷進(jìn)行保存，接收機(jī)下一次開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，利用已知信息估算誤差范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于，使用不同的積分時(shí)間，積分時(shí)間的長(zhǎng)短是根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱以及對(duì)接收靈敏度要求的聯(lián)合估計(jì)進(jìn)行確定。
5.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于，使用不同的捕獲步進(jìn)，捕獲步進(jìn)的大小是根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱以及對(duì)接收靈敏度要求的聯(lián)合估計(jì)進(jìn)行確定。
6.如權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲方法，其特征在于，判決模式的選擇采用自適應(yīng)的算法，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)檢測(cè)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果決定采用的門限判決方式。
7.—種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲裝置，其特征在于，裝置包含了一種快速捕獲數(shù)字電路，快速捕獲數(shù)字電路包括:時(shí)鐘控制模塊、捕獲控制模塊與門限處理模塊。
8.如權(quán)利要求7所述的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲裝置，其特征在于，時(shí)鐘控制模塊通過(guò)IPPS秒脈沖對(duì)接收機(jī)的晶振時(shí)鐘進(jìn)行修正。
9.如權(quán)利要求7所述的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲裝置，其特征在于，捕獲控制模塊通過(guò)對(duì)碼相位、多普勒與衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱的估計(jì)，靈活調(diào)整了搜索順序、積分時(shí)間與捕獲步進(jìn)。
10.如權(quán)利要求7所述的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的快速捕獲裝置，其特征在于，門限處理模塊采用自適應(yīng)的算法，先對(duì)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)檢測(cè)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果決定采用的門限判決方式。
【文檔編號(hào)】G01S19/30GK104345322SQ201310637268
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月26日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:成都海亨利科技有限公司