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一种卫星导航信号快速捕获方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明有提供一种卫星导航信号的快速捕获方法与装置。其中卫星导航信号的快速捕获方法包括：对接收机的晶振时钟进行修正，以减小频率搜索范围；通过位置与时间等辅助信息，估计码相位和多普勒的误差值，最大程度的减小搜索范围；根据估算的结果，将这个二维估计值设定为搜索中心，并采用螺旋式的搜索顺序进行信号的捕获，即从概率高的点开始，逐渐往概率低的点进行搜索；检测卫星信号的强弱，并根据信号的强弱自适应的使用不同的积分时间与捕获步进；采用灵活的判决模式，根据卫星信号的强弱决定使用门限判决或最大值判决，并根据捕获的成功率调整门限大小。本发明提供的卫星导航信号快速捕获方法与装置可最大程度的提高捕获运算效率，并提高卫星信号的捕获速度。
【专利说明】一种卫星导航信号快速捕获方法与装置

【技术领域】
[0001 ] 本发明有关于一种卫星导航信号的快速捕获方法与装置。

【背景技术】
[0002]目前全球的卫星系统包括:美国的GPS系统、俄罗斯的GL0NASS系统、中国的北斗系统和欧洲的Galileo系统，日本和印度也提出了各自的导航卫星系统计划。
[0003]对以上各种卫星导航系统，卫星导航定位原理都是相似的，定位前都需要先进行卫星信号的捕获。在现代化的GNSS中一些系统使用长码，如:GPS的P码、北斗系统的P码、Galileo系统的4ms长码等，而对这类卫星长码信号的捕获一般需要较长的时间。另外，现代化的卫星导航接收机为了提高接收灵敏度，普通采用增长积分时间的计算方法，这也会导致卫星信号捕获时间的大大加长。而捕获卫星信号的时间相对较长，会负面地影响接收机的一个重要技术指标，即首次定位时间(Time To First Fix,简称TTFF)。


【发明内容】

[0004]现代化的卫星导航接收机由于使用长码或为了提高接收灵敏度，通常卫星信号的捕获时间较长，从而影响到卫星导航接收机的首次定位时间，本发明提供一种卫星导航信号的快速捕获方法与装置以解决上述问题。
[0005]本发明提供一种卫星导航信号的快速捕获方法，包括:对接收机的晶振时钟进行修正，以减小频率搜索范围；通过位置与时间等辅助信息，估计码相位和多普勒的误差值，最大程度的减小搜索范围；根据估算的结果，将这个二维估计值设定为搜索中心，并采用螺旋式的搜索顺序进行信号的捕获，即从概率高的点开始，逐渐往概率低的点进行搜索；检测卫星信号的强弱，并根据信号的强弱自适应的使用不同的积分时间与捕获步进；采用灵活的判决模式，根据卫星信号的强弱决定使用门限判决或最大值判决，并根据捕获的成功率调整门限大小。通过以上方式最大程度地提高捕获速度。
[0006]本发明另提供一种卫星导航信号的快速捕获装置，包括:天线，用以接收到所有可见的卫星信号；RF/下变频模块，用以对信号进行滤波、放大与混频，并转换为模拟I/Q中频信号；模数转换器(ADC)，用以将模拟信号转换为离散的数字中频信号。最后ADC的输出端与本发明的卫星导航信号的快速捕获数字电路相连。快速捕获数字电路包括:中频处理模块、存储控制模块、码发生器、载波NC0、码NC0、相关运算模块(含相干运算与非相干运算)、捕获控制模块、门限处理模块与时钟控制模块。I/Q中频与载波NCO混频后，与中频处理模块的输入端相连，存储控制模块的输入端与中频处理模块的输出端相连，码NCO与码发生器相连，时钟控制模块产生控制信号给载波NCO和码NC0。存储的中频数据与本地码进行相关运算，运算结果送到门限处理模块进行判决处理。捕获控制模块作为主控制器分别与码发生器、相关运算模块、门限处理模块和时钟控制模块相连。
[0007]本发明提供的卫星导航信号的快速捕获方法与装置，利用时钟控制模块对接收机的晶振时钟进行修正，以及捕获控制模块对码相位、多普勒与卫星信号强弱的估计，灵活调整了搜索顺序、积分时间、捕获步进与门限判决模式，从而最大程度的提高了运算效率，并提高了卫星信号的捕获速度。

【专利附图】

【附图说明】
[0008]图1是卫星导航信号快速捕获装置图；
图2是卫星导航信号捕获搜索顺序示意图。

【具体实施方式】
[0009]为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0010]实施例一
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，如图1所示，本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
首先，RF/下变频模块通过天线接收到所有可见的卫星信号，RF/下变频经滤波、放大与混频后，转换为模拟I/Q中频信号，之后再经过模数转换器(ADC)将模拟信号转换为离散的数字中频信号。最后ADC的输出端与本发明的卫星导航信号的快速捕获数字电路相连。
[0011]快速捕获装置包括如下部分:中频处理模块、存储控制模块、码发生器、载波NC0、码NC0、相关运算模块(含相干运算与非相干运算)、捕获控制模块、门限处理模块与时钟控制模块。I/Q中频与载波NCO混频后，与中频处理模块的输入端相连，存储控制模块的输入端与中频处理模块的输出端相连，码NCO与码发生器相连，时钟控制模块产生控制信号给载波NCO和码NC0。存储的中频数据与本地码进行相关运算，运算结果送到门限处理模块进行判决处理。捕获控制模块作为主控制器分别与码发生器、相关运算模块、门限处理模块和时钟控制模块相连。
[0012]卫星导航信号快速捕获方法包括以下步骤:
1.天线接收到所有可见的卫星信号的电磁波信号。
[0013]2.RF/下变频模块接收天线传送过来的卫星信号，后经滤波、放大与混频，转换为模拟I/Q中频信号。
[0014]3.模拟中频信号经过模数转换器(ADC)将模拟信号转换为离散的数字中频信号。
[0015]4.卫星导航信号的快速捕获数字电路对ADC输出的数字中频信号进行捕获处理运算。首先数字中频信号进入捕获单元的中频处理模块，中频处理模块将数字中频信号进行无损压缩，调整为固定通道数及固定位宽的数据。
[0016]5.中频处理模块输出数据进入存储控制模块，该模块对采样的中频数据进行分段控制处理，以便数据块顺序地保存于中频数据存储器中。
[0017]6.存储控制模块根据设定的顺序取出中频采样数据，并与码发生器模块产生本地PN码数据进行分段相关运算，分别得到I路和Q路的相干计算值，并存储于内部存储器中。
[0018]7.非相干积分模块对I/Q相干运算结果进行非相干积分，得到非相干积分幅值V。
[0019]8.利用时钟控制模块修正晶振时钟频率，以减小频率搜索范围。首先通过计数单元对IPPS秒脉冲进行计数，之后对计数结果进行滑动平均滤波，并计算出晶振的时钟偏差。然后调整模拟电压信号输送给压控晶振，通过电压的变化调整晶振的频率输出，使得载波NCO和码NCO能够得到准确的时钟频率。通过对晶振频率进行进行修正，减小频率误差，从而减少信号捕获时的多普勒搜索范围。
[0020]9.捕获控制模块作为主控制器分别与码发生器、相关运算模块、门限处理模块和时钟控制模块相连，并对这些模块进行控制。捕获控制模块的具体功能包括:
(I)捕获顺序的控制
如图2所示，本发明采用螺旋式的搜索方式进行信号的捕获。即首先估计码相位和多普勒的误差值，然后根据码相位和多普勒的误差估计值，并将这个二维估计值设定为搜索中心，然后从搜索中心螺旋往四周进行搜索，可灵活配置采用顺时针或逆时针进行搜索。简单的说，即从概率高的点开始，逐渐往概率低的点进行搜索。
[0021](2)估算误差与搜索范围
最大程度的减少搜索范围，从而降低搜索时间:通过位置辅助的方式进行估计；通过时间辅助的方式进行估计；每次定位完成后对，对位置与星历进行保存。接收机下一次开机时对保存的数据进行读取，利用已知信息估算误差范围，以减少搜索范围，从而降低搜索时间。
[0022](3)积分时间的控制
当卫星信号较强时，对接收机的接收灵敏度要求不高，捕获使用短的积分时间；当卫星信号较弱时，对接收机的接收灵敏度要求高，捕获使用长的积分时间。本发明采取的方式时，先对卫星信号的强度进行技术测试与估计，然后自适应的确定积分时间的长短，卫星信号强时使用短的积分时间，卫星信号弱时使用短的积分时间。当应用场景复杂，无法准确估计卫星信号的强弱时，我们采用的方法是:先配置使用短的积分时间进行捕获，若几轮捕获之后还无法搜索到卫星信号，则再配置使用长的积分时间进行捕获。
[0023](4)捕获步进的控制
卫星捕获过程中，我们将相邻码相位之间以及相邻多普勒之间的距离称之为捕获步进。捕获步进大小的设置方法与前面讲的积分时间长短的设置方法类似:
当卫星信号较强时，对接收机的接收灵敏度要求不高，捕获使用粗的步进；当卫星信号较弱时，对接收机的接收灵敏度要求高，捕获使用细的步进。本发明采取的方式时，先对卫星信号的强度进行技术测试与估计，然后自适应的确定搜索步进的长短，卫星信号强时使用粗的步进，卫星信号弱时使用细的步进。当应用场景复杂，无法准确估计卫星信号的强弱时，我们采用的方法是:先配置使用粗的步进进行捕获，若几轮捕获之后还无法搜索到卫星信号，则再配置使用细的步进进行捕获。
[0024]10.门限处理模块用于计算捕获门限Vt，并对搜索计算结果V进行判决，判断V是否超过门限值Vt。本发明的门限计算采用自适应的算法，先对卫星信号强度进行预检测计算，根据计算结果决定采用的门限判决方式:若卫星信号弱，则对所有多普勒范围和码延时的相关运算值进行比较，找出其中的最大值，最大值即认为为捕获结果，这种方式可最大限度的提高捕获灵敏度；若卫星信号强，当判决到V>vt时，则认为捕获成功。若捕获完一轮后还未找到超过Vt的值，则降低Vt重新搜索，这种方式可最大程度提高捕获速度。
[0025]上述本发明实施例所述方法和装置适用于中国北斗2代、美国GPS、俄罗斯GL0NASS以及欧洲Galineo卫星导航系统的接收机。
[0026]综上所述，本发明实施例实现了一种新型的卫星导航信号快速捕获方法与装置，利用时钟控制模块对接收机的晶振时钟进行修正，以及捕获控制模块对码相位、多普勒与卫星信号强弱的估计，灵活调整了搜索顺序、积分时间、捕获步进与门限判决模式，从而最大程度的提高了运算效率，并提高了卫星信号的捕获速度。
[0027]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，都应包括在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种卫星导航信号的快速捕获方法，包括: 对接收机的晶振时钟进行修正，以减小频率搜索范围； 通过位置与时间等辅助信息，估计码相位和多普勒的误差值，最大程度的减小搜索范围； 根据估算的结果，将这个二维估计值设定为搜索中心，并采用螺旋式的搜索顺序进行信号的捕获，即从概率高的点开始，逐渐往概率低的点进行搜索； 检测卫星信号的强弱，根据信号的强弱自适应的使用不同的积分时间； 根据卫星信号的强弱，自适应的使用不同的捕获步进； 采用灵活的判决模式，根据卫星信号的强弱决定使用门限判决或最大值判决，并根据捕获的成功率调整门限大小。
2.如权利要求1所述的卫星导航信号的快速捕获方法，其特征在于，对接收机的晶振时钟进行修正时，首先通过计数单元对IPPS秒脉冲进行计数，之后对计数结果进行滑动平均滤波，并计算出晶振的时钟偏差。
3.如权利要求1所述的卫星导航信号的快速捕获方法，其特征在于，估计码相位和多普勒的误差值，是通过位置或时间辅助的方式进行，以及每次定位完成后对，都对位置与星历进行保存，接收机下一次开机时对保存的数据进行读取，利用已知信息估算误差范围。
4.如权利要求1所述的卫星导航信号的快速捕获方法，其特征在于，使用不同的积分时间，积分时间的长短是根据卫星信号强弱以及对接收灵敏度要求的联合估计进行确定。
5.如权利要求1所述的卫星导航信号的快速捕获方法，其特征在于，使用不同的捕获步进，捕获步进的大小是根据卫星信号强弱以及对接收灵敏度要求的联合估计进行确定。
6.如权利要求1所述的卫星导航信号的快速捕获方法，其特征在于，判决模式的选择采用自适应的算法，对卫星信号强度进行预检测计算，根据计算结果决定采用的门限判决方式。
7.—种卫星导航信号的快速捕获装置，其特征在于，装置包含了一种快速捕获数字电路，快速捕获数字电路包括:时钟控制模块、捕获控制模块与门限处理模块。
8.如权利要求7所述的卫星导航信号的快速捕获装置，其特征在于，时钟控制模块通过IPPS秒脉冲对接收机的晶振时钟进行修正。
9.如权利要求7所述的卫星导航信号的快速捕获装置，其特征在于，捕获控制模块通过对码相位、多普勒与卫星信号强弱的估计，灵活调整了搜索顺序、积分时间与捕获步进。
10.如权利要求7所述的卫星导航信号的快速捕获装置，其特征在于，门限处理模块采用自适应的算法，先对卫星信号强度进行预检测计算，根据计算结果决定采用的门限判决方式。
【文档编号】G01S19/30GK104345322SQ201310637268
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年7月26日
【发明者】不公告发明人 申请人:成都海亨利科技有限公司