一種衛星導航信號快速捕獲方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發明有提供一種衛星導航信號的快速捕獲方法與裝置。其中衛星導航信號的快速捕獲方法包括：對接收機的晶振時鐘進行修正，以減小頻率搜索范圍；通過位置與時間等輔助信息，估計碼相位和多普勒的誤差值，最大程度的減小搜索范圍；根據估算的結果，將這個二維估計值設定為搜索中心，并采用螺旋式的搜索順序進行信號的捕獲，即從概率高的點開始，逐漸往概率低的點進行搜索；檢測衛星信號的強弱，并根據信號的強弱自適應的使用不同的積分時間與捕獲步進；采用靈活的判決模式，根據衛星信號的強弱決定使用門限判決或最大值判決，并根據捕獲的成功率調整門限大小。本發明提供的衛星導航信號快速捕獲方法與裝置可最大程度的提高捕獲運算效率，并提高衛星信號的捕獲速度。
【專利說明】一種衛星導航信號快速捕獲方法與裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明有關于一種衛星導航信號的快速捕獲方法與裝置。
【背景技術】
[0002]目前全球的衛星系統包括:美國的GPS系統、俄羅斯的GL0NASS系統、中國的北斗系統和歐洲的Galileo系統，日本和印度也提出了各自的導航衛星系統計劃。
[0003]對以上各種衛星導航系統，衛星導航定位原理都是相似的，定位前都需要先進行衛星信號的捕獲。在現代化的GNSS中一些系統使用長碼，如:GPS的P碼、北斗系統的P碼、Galileo系統的4ms長碼等，而對這類衛星長碼信號的捕獲一般需要較長的時間。另外，現代化的衛星導航接收機為了提高接收靈敏度，普通采用增長積分時間的計算方法，這也會導致衛星信號捕獲時間的大大加長。而捕獲衛星信號的時間相對較長，會負面地影響接收機的一個重要技術指標，即首次定位時間(Time To First Fix,簡稱TTFF)。
【發明內容】
[0004]現代化的衛星導航接收機由于使用長碼或為了提高接收靈敏度，通常衛星信號的捕獲時間較長，從而影響到衛星導航接收機的首次定位時間，本發明提供一種衛星導航信號的快速捕獲方法與裝置以解決上述問題。
[0005]本發明提供一種衛星導航信號的快速捕獲方法，包括:對接收機的晶振時鐘進行修正，以減小頻率搜索范圍；通過位置與時間等輔助信息，估計碼相位和多普勒的誤差值，最大程度的減小搜索范圍；根據估算的結果，將這個二維估計值設定為搜索中心，并采用螺旋式的搜索順序進行信號的捕獲，即從概率高的點開始，逐漸往概率低的點進行搜索；檢測衛星信號的強弱，并根據信號的強弱自適應的使用不同的積分時間與捕獲步進；采用靈活的判決模式，根據衛星信號的強弱決定使用門限判決或最大值判決，并根據捕獲的成功率調整門限大小。通過以上方式最大程度地提高捕獲速度。
[0006]本發明另提供一種衛星導航信號的快速捕獲裝置，包括:天線，用以接收到所有可見的衛星信號；RF/下變頻模塊，用以對信號進行濾波、放大與混頻，并轉換為模擬I/Q中頻信號；模數轉換器(ADC)，用以將模擬信號轉換為離散的數字中頻信號。最后ADC的輸出端與本發明的衛星導航信號的快速捕獲數字電路相連。快速捕獲數字電路包括:中頻處理模塊、存儲控制模塊、碼發生器、載波NC0、碼NC0、相關運算模塊(含相干運算與非相干運算)、捕獲控制模塊、門限處理模塊與時鐘控制模塊。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與碼發生器相連，時鐘控制模塊產生控制信號給載波NCO和碼NC0。存儲的中頻數據與本地碼進行相關運算，運算結果送到門限處理模塊進行判決處理。捕獲控制模塊作為主控制器分別與碼發生器、相關運算模塊、門限處理模塊和時鐘控制模塊相連。
[0007]本發明提供的衛星導航信號的快速捕獲方法與裝置，利用時鐘控制模塊對接收機的晶振時鐘進行修正，以及捕獲控制模塊對碼相位、多普勒與衛星信號強弱的估計，靈活調整了搜索順序、積分時間、捕獲步進與門限判決模式，從而最大程度的提高了運算效率，并提高了衛星信號的捕獲速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是衛星導航信號快速捕獲裝置圖；
圖2是衛星導航信號捕獲搜索順序示意圖。
【具體實施方式】
[0009]為便于對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構成對本發明實施例的限定。
[0010]實施例一
下面結合附圖進一步描述本發明的技術方案，如圖1所示，本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
首先，RF/下變頻模塊通過天線接收到所有可見的衛星信號，RF/下變頻經濾波、放大與混頻后，轉換為模擬I/Q中頻信號，之后再經過模數轉換器(ADC)將模擬信號轉換為離散的數字中頻信號。最后ADC的輸出端與本發明的衛星導航信號的快速捕獲數字電路相連。
[0011]快速捕獲裝置包括如下部分:中頻處理模塊、存儲控制模塊、碼發生器、載波NC0、碼NC0、相關運算模塊(含相干運算與非相干運算)、捕獲控制模塊、門限處理模塊與時鐘控制模塊。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與碼發生器相連，時鐘控制模塊產生控制信號給載波NCO和碼NC0。存儲的中頻數據與本地碼進行相關運算，運算結果送到門限處理模塊進行判決處理。捕獲控制模塊作為主控制器分別與碼發生器、相關運算模塊、門限處理模塊和時鐘控制模塊相連。
[0012]衛星導航信號快速捕獲方法包括以下步驟:
1.天線接收到所有可見的衛星信號的電磁波信號。
[0013]2.RF/下變頻模塊接收天線傳送過來的衛星信號，后經濾波、放大與混頻，轉換為模擬I/Q中頻信號。
[0014]3.模擬中頻信號經過模數轉換器(ADC)將模擬信號轉換為離散的數字中頻信號。
[0015]4.衛星導航信號的快速捕獲數字電路對ADC輸出的數字中頻信號進行捕獲處理運算。首先數字中頻信號進入捕獲單元的中頻處理模塊，中頻處理模塊將數字中頻信號進行無損壓縮，調整為固定通道數及固定位寬的數據。
[0016]5.中頻處理模塊輸出數據進入存儲控制模塊，該模塊對采樣的中頻數據進行分段控制處理，以便數據塊順序地保存于中頻數據存儲器中。
[0017]6.存儲控制模塊根據設定的順序取出中頻采樣數據，并與碼發生器模塊產生本地PN碼數據進行分段相關運算，分別得到I路和Q路的相干計算值，并存儲于內部存儲器中。
[0018]7.非相干積分模塊對I/Q相干運算結果進行非相干積分，得到非相干積分幅值V。
[0019]8.利用時鐘控制模塊修正晶振時鐘頻率，以減小頻率搜索范圍。首先通過計數單元對IPPS秒脈沖進行計數，之后對計數結果進行滑動平均濾波，并計算出晶振的時鐘偏差。然后調整模擬電壓信號輸送給壓控晶振，通過電壓的變化調整晶振的頻率輸出，使得載波NCO和碼NCO能夠得到準確的時鐘頻率。通過對晶振頻率進行進行修正，減小頻率誤差，從而減少信號捕獲時的多普勒搜索范圍。
[0020]9.捕獲控制模塊作為主控制器分別與碼發生器、相關運算模塊、門限處理模塊和時鐘控制模塊相連，并對這些模塊進行控制。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，本發明采用螺旋式的搜索方式進行信號的捕獲。即首先估計碼相位和多普勒的誤差值，然后根據碼相位和多普勒的誤差估計值，并將這個二維估計值設定為搜索中心，然后從搜索中心螺旋往四周進行搜索，可靈活配置采用順時針或逆時針進行搜索。簡單的說，即從概率高的點開始，逐漸往概率低的點進行搜索。
[0021](2)估算誤差與搜索范圍
最大程度的減少搜索范圍，從而降低搜索時間:通過位置輔助的方式進行估計；通過時間輔助的方式進行估計；每次定位完成后對，對位置與星歷進行保存。接收機下一次開機時對保存的數據進行讀取，利用已知信息估算誤差范圍，以減少搜索范圍，從而降低搜索時間。
[0022](3)積分時間的控制
當衛星信號較強時，對接收機的接收靈敏度要求不高，捕獲使用短的積分時間；當衛星信號較弱時，對接收機的接收靈敏度要求高，捕獲使用長的積分時間。本發明采取的方式時，先對衛星信號的強度進行技術測試與估計，然后自適應的確定積分時間的長短，衛星信號強時使用短的積分時間，衛星信號弱時使用短的積分時間。當應用場景復雜，無法準確估計衛星信號的強弱時，我們采用的方法是:先配置使用短的積分時間進行捕獲，若幾輪捕獲之后還無法搜索到衛星信號，則再配置使用長的積分時間進行捕獲。
[0023](4)捕獲步進的控制
衛星捕獲過程中，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。捕獲步進大小的設置方法與前面講的積分時間長短的設置方法類似:
當衛星信號較強時，對接收機的接收靈敏度要求不高，捕獲使用粗的步進；當衛星信號較弱時，對接收機的接收靈敏度要求高，捕獲使用細的步進。本發明采取的方式時，先對衛星信號的強度進行技術測試與估計，然后自適應的確定搜索步進的長短，衛星信號強時使用粗的步進，衛星信號弱時使用細的步進。當應用場景復雜，無法準確估計衛星信號的強弱時，我們采用的方法是:先配置使用粗的步進進行捕獲，若幾輪捕獲之后還無法搜索到衛星信號，則再配置使用細的步進進行捕獲。
[0024]10.門限處理模塊用于計算捕獲門限Vt，并對搜索計算結果V進行判決，判斷V是否超過門限值Vt。本發明的門限計算采用自適應的算法，先對衛星信號強度進行預檢測計算，根據計算結果決定采用的門限判決方式:若衛星信號弱，則對所有多普勒范圍和碼延時的相關運算值進行比較，找出其中的最大值，最大值即認為為捕獲結果，這種方式可最大限度的提高捕獲靈敏度；若衛星信號強，當判決到V>vt時，則認為捕獲成功。若捕獲完一輪后還未找到超過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]上述本發明實施例所述方法和裝置適用于中國北斗2代、美國GPS、俄羅斯GL0NASS以及歐洲Galineo衛星導航系統的接收機。
[0026]綜上所述，本發明實施例實現了一種新型的衛星導航信號快速捕獲方法與裝置，利用時鐘控制模塊對接收機的晶振時鐘進行修正，以及捕獲控制模塊對碼相位、多普勒與衛星信號強弱的估計，靈活調整了搜索順序、積分時間、捕獲步進與門限判決模式，從而最大程度的提高了運算效率，并提高了衛星信號的捕獲速度。
[0027]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應包括在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種衛星導航信號的快速捕獲方法，包括: 對接收機的晶振時鐘進行修正，以減小頻率搜索范圍； 通過位置與時間等輔助信息，估計碼相位和多普勒的誤差值，最大程度的減小搜索范圍； 根據估算的結果，將這個二維估計值設定為搜索中心，并采用螺旋式的搜索順序進行信號的捕獲，即從概率高的點開始，逐漸往概率低的點進行搜索； 檢測衛星信號的強弱，根據信號的強弱自適應的使用不同的積分時間； 根據衛星信號的強弱，自適應的使用不同的捕獲步進； 采用靈活的判決模式，根據衛星信號的強弱決定使用門限判決或最大值判決，并根據捕獲的成功率調整門限大小。
2.如權利要求1所述的衛星導航信號的快速捕獲方法，其特征在于，對接收機的晶振時鐘進行修正時，首先通過計數單元對IPPS秒脈沖進行計數，之后對計數結果進行滑動平均濾波，并計算出晶振的時鐘偏差。
3.如權利要求1所述的衛星導航信號的快速捕獲方法，其特征在于，估計碼相位和多普勒的誤差值，是通過位置或時間輔助的方式進行，以及每次定位完成后對，都對位置與星歷進行保存，接收機下一次開機時對保存的數據進行讀取，利用已知信息估算誤差范圍。
4.如權利要求1所述的衛星導航信號的快速捕獲方法，其特征在于，使用不同的積分時間，積分時間的長短是根據衛星信號強弱以及對接收靈敏度要求的聯合估計進行確定。
5.如權利要求1所述的衛星導航信號的快速捕獲方法，其特征在于，使用不同的捕獲步進，捕獲步進的大小是根據衛星信號強弱以及對接收靈敏度要求的聯合估計進行確定。
6.如權利要求1所述的衛星導航信號的快速捕獲方法，其特征在于，判決模式的選擇采用自適應的算法，對衛星信號強度進行預檢測計算，根據計算結果決定采用的門限判決方式。
7.—種衛星導航信號的快速捕獲裝置，其特征在于，裝置包含了一種快速捕獲數字電路，快速捕獲數字電路包括:時鐘控制模塊、捕獲控制模塊與門限處理模塊。
8.如權利要求7所述的衛星導航信號的快速捕獲裝置，其特征在于，時鐘控制模塊通過IPPS秒脈沖對接收機的晶振時鐘進行修正。
9.如權利要求7所述的衛星導航信號的快速捕獲裝置，其特征在于，捕獲控制模塊通過對碼相位、多普勒與衛星信號強弱的估計，靈活調整了搜索順序、積分時間與捕獲步進。
10.如權利要求7所述的衛星導航信號的快速捕獲裝置，其特征在于，門限處理模塊采用自適應的算法，先對衛星信號強度進行預檢測計算，根據計算結果決定采用的門限判決方式。
【文檔編號】G01S19/30GK104345322SQ201310637268
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年7月26日
【發明者】不公告發明人 申請人:成都海亨利科技有限公司
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