CN111796306B

CN111796306B - 一种导航卫星信号接收方法及接收机

Info

Publication number: CN111796306B
Application number: CN202010760469.0A
Authority: CN
Inventors: 陈丽; 李胜; 李金立; 陈春阳
Original assignee: Beijing Zoje Times Aviation Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Zoje Times Aviation Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2040-07-31
Also published as: CN111796306A

Abstract

本发明涉及一种导航卫星信号接收方法及接收机，属于卫星导航技术领域，在接收方法捕获步骤的匹配滤波算法中，将降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加，并将短时相关累加结果存储到一块设定容量的存储器中；从存储器中读取相关累加结果进行FFT扫频；将FFT扫频的结果进行非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号；其中，短时相关累加采用N路M点的并行短时相关累加；所述存储器的设定容量为M*N，M为一个相位的PN码短时相关累加得到的样本数；存储器基于地址排序进行短时相关累加数据的存储和读出，用于实现短时相关累加数据的存储和FFT扫频读取数据的乒乓衔接操作。本发明可以节约一倍的短时相关存储资源。

Description

一种导航卫星信号接收方法及接收机

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其是一种导航卫星信号接收方法及接收机。

背景技术

北斗卫星导航系统提供全天候、实时准确位置信息，在很多行业极大地提升了效率和生产力，对经济发展和国防建设具有重要的意义，在民用和在军用领域的有广泛应用。其中接收机的单价成本低是卫星导航得以广泛应用的一项非常重要前提。北斗导航接收机的实现方案的资源非常重要，是直接关系到接收机成本的一项重要指标。因此，在小的计算资源前提下完成高动态信号的捕获是一项非常重要的技术。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种导航卫星信号接收方法及接收机；用于实现在小的计算资源前提下完成高动态信号的捕获。

本发明公开了一种导航卫星信号接收方法，包括捕获步骤；在捕获步骤的匹配滤波算法中，包括：

将降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加，并将短时相关累加结果存储到一块设定容量的存储器中；

从所述存储器中读取相关累加结果进行FFT扫频；

将FFT扫频的结果进行非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号；其中，

所述短时相关累加采用N路M点的并行短时相关累加；所述存储器的设定容量为M*N，M为一个相位的PN码短时相关累加得到的样本数；

所述存储器，基于地址排序进行短时相关累加数据的存储和读出，用于实现短时相关累加数据的存储和FFT扫频读取数据的乒乓衔接操作。

进一步地，所述短时相关累加数据的存储和读出方法包括：

对于奇数轮相关累加数据采用地址间隔排序存储方式进行存储；采用地址顺序排序读取方式进行读取；

对于偶数轮相关累加数据采用地址顺序排序存储方式进行存储，采用地址间隔排序读取方式进行读取；

所述地址间隔排序存储方式与地址间隔排序读取方式的地址间隔排序方式相同；

在上一轮的数据读取后立刻将所述数据的存储空间释放，以供下一轮的数据进行存储。

进一步地，所述地址间隔排序的具体地址操作顺序为：

1,(M+1),(2M+1),...,M*(N-1)；

2,(M+2),(2M+2),...,M*(N-1)+1；

…

M,2M,3M,...,M*N。

进一步地，所述FFT扫频的点数满足频率搜索分辨率的要求。

进一步地，所述频率搜索分辨率根据相干积分的频率失配损耗

确定；其中，ω_IF是信号载波频率，

为本地载波频率，T为相干积分时间。

进一步地，对M点的短时相关累加样本进行补零，使扫频的样本个数满足FFT扫频点数。

本发明还公开了一种应用如上所述导航卫星信号接收方法的导航卫星信号接收机，包括捕获模块，所述捕获模块中包括一块设定容量的存储器；

所述捕获模块用于，将降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加，并将短时相关累加结果存储到所述存储器中；

从所述存储器中读取相关累加结果进行FFT扫频；

所述存储器，基于地址排序进行相关累加数据的存储和读出，用于实现短时相关累加数据存储和FFT扫频读取数据的乒乓衔接操作。

进一步地，捕获模块中还包括下变频模块、降采样存储模块、短时相关累加模块、FFT扫频模块、非相干累加存储模块和峰值门限检测模块；

所述下变频模块，用于将卫星信号的中频数据进行下变频得到卫星信号的基带信号；

所述降采样存储模块，用于对基带信号进行降采样，并存储降采样数据；

所述短时相关累加模块，用于读出所述降采样数据，与本地生成的PN码进行N路M点的并行短时相关累加，并将相关累加数据存入存储器模块；

所述FFT扫频模块，用于在设定的扫频范围内，对从存储器模块中读出相关累加数据进行FFT扫频；

所述非相干累加存储模块，用于对FFT扫频结果进行设定次数的非相干累加，并存储非相干累加结果；

所述峰值门限检测模块，用于对非相干累加结果进行峰值检测，得到卫星信号的捕获结果。

进一步地，所述存储器模块的存储和读出方法包括：

进一步地，所述地址间隔排序的具体地址操作顺序为：

1,(M+1),(2M+1),...,M*(N-1)；

2,(M+2),(2M+2),...,M*(N-1)+1；

…

M,2M,3M,...,M*N。

本发明的有益效果如下：

本发明可以节约一倍的短时相关存储资源。若在硬件资源不变的情况下，由于短时相关的存储降为原来的一半，则省下来的资源可以再多开通一倍的并行通道数，从而可实现将捕获速度提升一倍。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实施例一中的导匹配滤波算法流程图；

图2为本实施例二中的捕获模块的组成连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例以北斗导航系统，B3频点的接收为例进行说明。本实施例公开了一种导航卫星信号接收方法，在捕获步骤的匹配滤波算法中，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、将降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加，并将短时相关累加结果存储到一块设定容量的存储器中；

步骤S2、从所述存储器中读取相关累加结果进行FFT扫频；

步骤S3、将FFT扫频的结果进行非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号；

其中，在步骤S1中，所述短时相关累加采用N路M点的并行短时相关累加；所述存储器的设定容量为M*N，M为一个相位的PN码短时相关累加得到的样本数；

相比于现有的短时相关累加数据存储方法可以节约一倍的短时相关存储资源。在硬件资源不变的情况下，由于短时相关的存储降为原来的一半，则省下来的资源可以再多开通一倍的并行通道数，从而可实现将捕获速度提升一倍。

具体的，所述基于地址排序进行相关累加数据的存储和读出方法包括：

更具体，所述地址间隔排序的具体地址操作顺序为：

1,(M+1),(2M+1),...,M*(N-1)；

2,(M+2),(2M+2),...,M*(N-1)+1；

…

M,2M,3M,...,M*N。

所述顺序排序具体地址操作顺序为从1到M*N。

在本实施例中，以496路31点的并行短时相关累加为例，在传统方案需要存储为496×31×2的存储空间，存储并行短时相关累加数据，在本实施例中只需要496×31的存储规模，而完成相同的功能。

具体的，在对第一轮的496×31个相关累加数据采用地址间隔排序存储方式进行存储，数据存储地址操作顺序为：

1,32,63...14881,2,33,64,...14882,...,30,61,92,...15376(496*31)。

第一轮相关累加数据存储完成后，FFT扫频处理从存储器中读取第一轮相关累加数据做扫频操作；所述读取过程采用地址顺序排序读取方式，从1开始按顺序增加存储地址顺序读取相关累加数据；并且在读取数据后将该数据的存储空间释放。

在FFT扫频处理读取第一轮相关累加数据的同时，将第二轮相关累加数据存储到存储器中，存储方式为地址顺序排序存储方式，即当对第一轮数据的存储空间顺序释放的同时，顺序存储第二轮相关累加数；

第二轮相关累加数据存储完成后，FFT扫频处理从存储器中读取第二轮相关累加数据做扫频操作；所述读取过程按照地址间隔排序读取方式进行读取，并且在读取数据后将该数据的存储空间释放；所述地址间隔排序读取方式与第一轮的地址间隔排序存储方式的地址间隔排序方式相同；

在FFT扫频处理读取第二轮相关累加数据的同时，将第三轮相关累加数据存储到存储器中，存储方式与第一轮地址间隔排序存储方式相同，即当对第二轮数据的存储空间释放的同时，在释放空间存储第三轮相关累加数；

对第三轮数据的读取与第一轮数据的读取相同，对第四轮数据的存储和读取与第二轮数据的存储和读取相同，以此类推，对并行短时相关累加数据存储和读取进行FFT扫频。

由于本实施例所处理的北斗导航卫星信号为高动态信号，而高动态信号在机载条件下，动态可达500m/s，而在弹载条件下，动态可达3000m/s甚至更高，因此与步行或车载条件下的准静态接收不同，在捕获的卫星信号中包括多普勒频率。

由于，在传统的匹配滤波算法是通过扩大FFT的扫频范围来获得高动态接收信号的多普勒频率，但扩大FFT扫频的范围，会大大增加后续非相干累加的数据量，需要更多的计算资源，使接收机的功耗、体积和成本上升。

因此，本实施例采用有限宽度的入FFT扫频范围，进行FFT扫频。这样，通过FFT扫频可获得落入FFT扫频范围内的真实的卫星信号多普勒频率，当多普勒频率超出了FFT扫频范围，即过欠采样情况，根据采样定律，所述多普勒频率可经过折叠后落入FFT扫频范围内。

在跟踪步骤的跟踪通道建立中，建立双跟踪通道，分别对捕获的多普勒频率和对所述多普勒频率进行去折叠后的频率进行跟踪，对两通道的跟踪结果进行信噪比估计，选择信噪比高的通道信号作为跟踪的输出信号。

具体的，在匹配滤波器算法中，中频数据的采样率为62MHz，捕获为1ms相干积分时间，8次非相干累加。匹配滤波算法的具体过程包括：

1)将卫星信号的中频数据进行下变频得到卫星信号的基带信号；

2)对基带信号经过低通滤波后，进行降采样至15.5MHz，并存储在RAM，用于后续捕获处理；

3)从RAM读出降采样数据，与本地生成的PN码进行500个点短时相关，得到信号频率fs＝15.5MHz/500＝31KHz的短时相关信号；

4)设定FFT扫频范围为±15.5KHz，对短时相关后的信号进行FFT扫频；

5)对FFT扫频结果进行设定次数的非相干累加；

6)对非相干累加的结果进行峰值检测，得到卫星信号的捕获结果，并获得卫星信号的多普勒频率fa。

具体的，在步骤4)中所述FFT扫频的点数需满足频率搜索分辨率的要求。

根据GNSS视距信号的捕获基本原理，GNSS视距信号模型为：

其中A是信号的幅度，c(t)是伪码信号，d(t)是数据信号，ω_IF是信号载波频率，

是信号载波相位，n(t)是信道噪声；假设在捕获过程中，相干积分运算未跨越比特边沿，捕获信号即本地信号伪码和本地载波与天上信号做相关累加，相关积分值为：

其中c(t-τ)是本地伪码，τ为本地伪码与天上信号伪码周期内的时间差，

为本地载波频率，

为本地估计载波相位，T为相干积分时间，则相干积分运算后的信号部分为

其中；

由式(4)可以看到，影响相干积分能量的主要因素有：

信号强度越大，相干积分输出能量越大；

相干积分时间越长，相干积分输出能量越大；

本地伪码与接收信号伪码相位差。相位差越小，输出信号的能量越大。

本地载波与信号多普勒之间的偏差。两者之间的偏差越小，输出信号的能量越大。

为频率失配损耗，频率偏差是1/(T*2)时积分能量损失3.9db。频率偏差是1/(T*4)时积分能量损耗为0.91db。

由此，本实施例的频率搜索分辨率根据相干积分的频率失配损耗

确定；将频率搜索分辨率设为1/(T*4)。相干积分时间T为1ms，则频率搜索分辨率为250Hz。

本实施例的FFT扫频范围±fs/2，为±15.5khz。1ms的数据是31个样本，为满足频率搜索间隔，且是FFT扫频的点数为2的幂次方，通过补零法，对样本进行补零，使样本的个数满足FFT扫频点数。

具体的，这里补充97个0，做128点FFT进行扫频，扫频间隔是243Hz。小于频率搜索分辨率250Hz，满足要求。

在步骤5)中非相干累加的一个相位需要存储的数据为128个频点。降采样后信号采样频率为15.5MHz，B3频点1ms的伪码周期总共是15500个相位，总共需要存储15500x128的数据个数。

更具体，在北斗卫星系统中，卫星运动造成的最大多普勒是5kHz。北斗接收载体的运动速度越来越高，可达两三千米每秒，甚至更大。

当载体运动为2500m/s的高动态，接收机运动造成的多普勒是10kHz，加上卫星运动造成的最大多普勒是5kHz，那么卫星信号最大的多普勒可达15KHz。本实施例FFT扫频的范围选择±15.5khz，满足该高动态下的信号捕获。

综上所述，本实施例可以节约一倍的短时相关存储资源。若在硬件资源不变的情况下，由于短时相关的存储降为原来的一半，则省下来的资源可以再多开通一倍的并行通道数，本专利的发明能将捕获速度提升一倍。

实施例二

本实施例公开了一种高动态导航卫星信号接收机，在接收机的捕获模块中，将降采样后的卫星基带信号与本地生成的PN码进行短时相关累加，并将短时相关累加结果存储到一块设定容量的存储器中；

从所述存储器中读取相关累加结果进行FFT扫频；

将FFT扫频的结果进行非相干累加以及峰值判断后捕获卫星信号；

具体的，如图2所示，捕获模块中包括下变频模块、降采样存储模块、短时相关累加模块、存储器模块、FFT扫频模块、非相干累加存储模块和峰值门限检测模块；

所述降采样存储模块，用于对基带信号进行降采样至15.5MHz，并存储降采样数据；

所述短时相关累加模块，用于读出所述降采样数据，与本地生成的PN码进行496路31点的并行短时相关累加；

所述存储器模块，用于进行相关累加数据的存储和读出，实现短时相关累加和FFT扫频的乒乓衔接操作；

所述FFT扫频模块，用于在设定的扫频范围±15.5khz内，对从存储器模块中读出相关累加数据进行FFT扫频；

更具体的，所述存储器模块的存储和读出方法包括：

所述地址间隔排序存储方式的地址操作顺序为：1,32,63...14881,2,33,64,...14882,...,30,61,92,...15376(496*31)；

所述地址间隔排序读取方式与地址间隔排序存储方式的地址操作顺序相同；

在本实施例中的其他技术细节和有益的技术效果与实施例一中的相同，在此就不一一赘述了。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种导航卫星信号接收方法，其特征在于，包括捕获步骤；在捕获步骤的匹配滤波算法中，包括：

从所述存储器中读取相关累加结果进行FFT扫频；

所述存储器，基于地址排序进行短时相关累加数据的存储和读出，用于实现短时相关累加数据的存储和FFT扫频读取数据的乒乓衔接操作；

所述短时相关累加数据的存储和读出方法包括：

2.根据权利要求1所述的导航卫星信号接收方法，其特征在于，

所述地址间隔排序的具体地址操作顺序为：

1,(M+1),(2M+1),...,M*(N-1)；

2,(M+2),(2M+2),...,M*(N-1)+1；

…；

M,2M,3M,...,M*N。

3.根据权利要求1所述的导航卫星信号接收方法，其特征在于，

所述FFT扫频的点数满足频率搜索分辨率的要求。

4.根据权利要求3所述的导航卫星信号接收方法，其特征在于，所述频率搜索分辨率根据相干积分的频率失配损耗

确定；其中，ω_IF是信号载波频率，

为本地载波频率，T为相干积分时间。

5.根据权利要求3所述的导航卫星信号接收方法，其特征在于，对M点的短时相关累加样本进行补零，使扫频的样本个数满足FFT扫频点数。

6.一种应用如权利要求1-5任一项所述的导航卫星信号接收方法的导航卫星信号接收机，其特征在于，包括捕获模块，所述捕获模块中包括一块设定容量的存储器；

从所述存储器中读取相关累加结果进行FFT扫频；

7.根据权利要求6所述的导航卫星信号接收机，其特征在于，捕获模块中还包括下变频模块、降采样存储模块、短时相关累加模块、FFT扫频模块、非相干累加存储模块和峰值门限检测模块；

8.根据权利要求7所述的导航卫星信号接收机，其特征在于，所述存储器模块的存储和读出方法包括：

9.根据权利要求8所述的导航卫星信号接收机，其特征在于，

所述地址间隔排序的具体地址操作顺序为：

1,(M+1),(2M+1),...,M*(N-1)；2,(M+2),(2M+2),...,M*(N-1)+1；…；

M,2M,3M,...,M*N。