專利名稱：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)及其捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)及其捕獲方法。
背景技術(shù)：
在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中，需要對(duì)空間中的GNSS信號(hào)進(jìn)行捕獲，而由于衛(wèi)星信號(hào)本身信號(hào)弱，易受干擾，難以捕獲。此外，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的高速性，傳送信號(hào)產(chǎn)生了較大的多普勒頻偏。為了能夠捕獲到正確的信號(hào)，就必須獲得接收信號(hào)的頻率，所以正確得到信號(hào)的多普勒頻率也就特別重要，這是后續(xù)的信號(hào)處理的前提，否則就無法獲取正確的導(dǎo)航電文。而信號(hào)捕獲時(shí)的掃頻就是對(duì)估計(jì)的多普勒頻偏進(jìn)行嘗試，先得到它的粗略范圍，然后再進(jìn)行細(xì)化。但是掃頻時(shí)，對(duì)可能的多普勒頻偏嘗試時(shí)，需要對(duì)接收信號(hào)和本地的載波，偽隨機(jī)碼片進(jìn)行復(fù)雜的操作，這些在硬件處理上運(yùn)行時(shí)，時(shí)間運(yùn)算以及空間內(nèi)存存儲(chǔ)上都有很大的限制和消耗，所以在高速實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理中，必須采取更加優(yōu)化的方法來達(dá)到掃頻的目的。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)和專利的搜索發(fā)現(xiàn) 中國(guó)發(fā)明專利《一種衛(wèi)星定位用GNSS中頻調(diào)制信號(hào)數(shù)字化采集裝置》(申請(qǐng)?zhí)?00710179978. 9)，以及《一種GPS定位方法及基于雙核處理器的GPS軟件接收機(jī)》(申請(qǐng)?zhí)?00810024488. 6)基本描述了 GNSS信號(hào)捕獲時(shí)候采用的并行碼片搜索方法，并且提出了雙核處理器的概念，但是對(duì)于掃頻的情況，依舊沿用了傳統(tǒng)的方法，有很大的局限性，而且實(shí)際的工程效果不是很理想。 中國(guó)發(fā)明專利《在GPS信號(hào)捕獲中的振蕩器頻率校正》(申請(qǐng)?zhí)?3809592.0)提
到了多普勒頻移時(shí)需要對(duì)載波頻率進(jìn)行校正，但是卻沒有對(duì)掃頻方案給出優(yōu)化，使得上述的問題依舊存在。以及中國(guó)發(fā)明專利《一種GPS的C/A碼信號(hào)的捕獲方法》也存在同樣的使用最原始的方法問題。沒有對(duì)掃頻方法進(jìn)行任何優(yōu)化和改進(jìn)，導(dǎo)致內(nèi)存空間過于龐大，計(jì)算的時(shí)間復(fù)雜度也很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)及其捕獲方法，是通過在復(fù)數(shù)域上的頻譜移位來達(dá)到時(shí)域上的頻率產(chǎn)生的相位變化，提高了硬件的速度，減少了內(nèi)存儲(chǔ)量，達(dá)到了掃頻時(shí)的優(yōu)化目的。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明涉及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)，包括前端接收數(shù)據(jù)模塊和與之相連接并接收調(diào)制序列的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，其中 前端接收數(shù)據(jù)模塊包括第一乘法器、帶通濾波器和模數(shù)采樣器，其中第一乘法器接收前端信號(hào)并與本地載波解調(diào)后輸出中頻調(diào)制信號(hào)至帶通濾波器，帶通濾波器的輸出端與模數(shù)采樣器相連接以輸出放大信號(hào)，模數(shù)采樣器將放大信號(hào)數(shù)字化后得到調(diào)制序列；
FPGA數(shù)據(jù)處理模塊包括存儲(chǔ)器、巻積器、碼片頻域庫(kù)、移位控制器和第二乘法器，其中存儲(chǔ)器將前端接收數(shù)據(jù)模塊輸出的調(diào)制序列存儲(chǔ)后輸出至巻積器進(jìn)行快速傅里葉變換得到中頻頻域信號(hào)，巻積器、碼片頻域庫(kù)和移位控制器分別與第二乘法器相連接以輸出中頻頻域信號(hào)、歷史頻域信號(hào)和移位信息，第二乘法器輸出掃頻結(jié)果。
所述的中頻調(diào)制信號(hào)包括中頻頻率及多普勒頻偏； 本發(fā)明涉及上述全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)的捕獲方法，包括以下步驟 步驟一，前端接收數(shù)據(jù)模塊接收到的GNSS信號(hào)后經(jīng)過下變頻得到了中頻調(diào)制信號(hào)，對(duì)該中頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行去除載波處理得到調(diào)制序列x(n)。
所述的中頻調(diào)制信號(hào)包括中頻頻率&和多普勒頻偏fD。p ; 所述的去除載波處理是指利用中頻fl得到本地載波信號(hào)并與中頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相乘消除中頻影響，得到調(diào)制序列x(n)，該調(diào)制序列的個(gè)數(shù)為N'。 步驟二，對(duì)調(diào)制序列x (n)進(jìn)行N點(diǎn)的快速傅里葉變換，其中N = 2N'，對(duì)于調(diào)制序列中超過N'的長(zhǎng)度補(bǔ)零。 所述的N點(diǎn)的N點(diǎn)的快速傅里葉變換是指<formula>formula see original document page 5</formula>
其中按照k的奇偶性將調(diào)制頻域序列X(k)分為兩部分<formula>formula see original document page 5</formula> 其中7 = C)，V''，Y —i上述的快速傅里葉變換得到的調(diào)制頻域序列X(K)共有N
個(gè)值，其序數(shù)為偶數(shù)的部分，X(0)、X(2)、…、X(N-2)相當(dāng)于傳統(tǒng)方法的信號(hào)做N'點(diǎn)的快速傅里葉變換得到的結(jié)果。 步驟三，根據(jù)加密的移位寄存器得到本地粗碼捕獲碼片y (n)，對(duì)y (n)進(jìn)行N點(diǎn)的快速傅里葉變換得到本地粗碼捕獲碼片頻域序列Y(K); 步驟四，將本地粗碼捕獲碼片頻域序列Y(K)循環(huán)右移一位或循環(huán)左移一位，得到Y(jié)JK)和YJK)分別與調(diào)制頻域序列X(K)相乘得到頻譜移位序列ZJK)和ZjK)，每移動(dòng)一
位改變一個(gè)單位的^多普勒效應(yīng)影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的捕獲。 本發(fā)明通過將碼片頻域序列移位后與接收信號(hào)頻域相乘即可以實(shí)現(xiàn)不同多普勒
頻率對(duì)接收信號(hào)影響所得到的各種結(jié)果。該發(fā)明技術(shù)的理論正確性可以通過上述的時(shí)域和
頻域間的頻率影響關(guān)系得到，而實(shí)踐上的準(zhǔn)確性和優(yōu)越性已經(jīng)得到了證實(shí)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存儲(chǔ)量極小，不需要掃頻時(shí)產(chǎn)生各種不同頻率的載波信
號(hào)來進(jìn)行剝離接收信號(hào)。這些龐大的不同多普勒頻率的載波信號(hào)一般是事前存儲(chǔ)在硬件的外存中，而本發(fā)明只需要存儲(chǔ)一個(gè)載波頻率即可。其次，本發(fā)明的計(jì)算量較小，可以滿足一定范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)要求，傳統(tǒng)的方案，需要對(duì)不同多普勒頻率的載波信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，涉及到大點(diǎn)數(shù)的FFT，復(fù)數(shù)乘法等等。而本發(fā)明利用移位的原理，只需要做一次，大大簡(jiǎn)化了捕獲的時(shí)間。最后，理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)表明該發(fā)明得到的結(jié)果正確性和精度在原方案的可接受范圍內(nèi)。本發(fā)明可以推廣到任意多普勒頻偏增減變化的場(chǎng)景，具有很好的擴(kuò)展性。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。 如圖1所示，本實(shí)施例包括前端接收數(shù)據(jù)模塊和與之相連接并接收調(diào)制序列的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，其中 前端接收數(shù)據(jù)模塊包括第一乘法器、帶通濾波器和模數(shù)采樣器，其中第一乘法器接收前端信號(hào)并與本地載波解調(diào)后輸出中頻調(diào)制信號(hào)至帶通濾波器，帶通濾波器的輸出端與模數(shù)采樣器相連接以輸出放大信號(hào)，模數(shù)采樣器將放大信號(hào)數(shù)字化后得到調(diào)制序列；
FPGA數(shù)據(jù)處理模塊包括存儲(chǔ)器、巻積器、碼片頻域庫(kù)、移位控制器和第二乘法器，其中存儲(chǔ)器將前端接收數(shù)據(jù)模塊輸出的調(diào)制序列存儲(chǔ)后輸出至巻積器進(jìn)行快速傅里葉變換得到中頻頻域信號(hào)，巻積器、碼片頻域庫(kù)和移位控制器分別與第二乘法器相連接以輸出中頻頻域信號(hào)、歷史頻域信號(hào)和移位信息，第二乘法器輸出掃頻結(jié)果。
所述的中頻調(diào)制信號(hào)包括中頻頻率及多普勒頻偏；本實(shí)施例中的中頻調(diào)制信號(hào)為4. 129MHz，模數(shù)采樣器的采樣頻率為16. 368MHz。 FPGA模塊采用Xilinx的Spartan3系列，PR0M可以利用配套的XCS32P來完成。 本實(shí)施例中，多普勒頻移的范圍為_7腿2 71(^，掃頻的步長(zhǎng)為500Hz，采樣頻率為
16. 368MHz，中頻為4. 129MHz，碼片的生成速率為1. 023MHz，導(dǎo)航電文為50bps，每次硬件
FPGA和DSP處理的信號(hào)為lms，則處理的采樣點(diǎn)數(shù)為16368。 本實(shí)施例具體通過以下步驟實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的捕獲 步驟一，前端接收數(shù)據(jù)模塊接收到的GNSS信號(hào)后經(jīng)過下變頻得到了含有中頻調(diào)
制的信號(hào)點(diǎn)數(shù)16368個(gè)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行去除載波處理。 所述的載波處理，即用中頻4. 129MHz產(chǎn)生載波并且存儲(chǔ)到FPGA的RAM里面，用來剝?nèi)ブ蓄l調(diào)制。 步驟二，對(duì)步驟一中去除載波后的信號(hào)進(jìn)行32768個(gè)點(diǎn)的FFT (16384*2)，不足的部分補(bǔ)零，得到復(fù)頻域上的信號(hào)X(K)，長(zhǎng)度為32768。 步驟三，產(chǎn)生本地的C/A碼片(粗碼/捕獲)，碼片的原始長(zhǎng)度為1023，根據(jù)采樣定理，同樣計(jì)算得到16368個(gè)采樣后的碼片，進(jìn)行32768個(gè)點(diǎn)的FFT，得到Y(jié) (K)，存儲(chǔ)在硬件設(shè)備中。
步驟四，將Y(K)左右滑動(dòng)相應(yīng)的位數(shù)，再與X(K)相乘，得到不同的值Z(K)，取其偶
數(shù)序數(shù)的部分，就是不同的多普勒頻移影響后的結(jié)果。
所述的滑動(dòng)的每一位，在頻域上可以產(chǎn)生的多普勒頻移為W32768 ，就達(dá)
到了掃頻的目的。
所述相乘的操作可以優(yōu)化為下面的圖表
柳
X(l)
潛W
X(13) X(M)
X(N~2J X(IH)
YftH3)
柳 Z(l)
,1) Y(O) Y(l) Y(2)
Y'
Z(13) Z(l'1)
來l)
Y(M)
為了窗口滑動(dòng)的方便，「的長(zhǎng)度增加了14，足將Y的最后14個(gè)數(shù)據(jù)提到Y(jié)'的最前面，將
X與Y'對(duì)應(yīng)的每一位相乘，得到Z，就得到了多普勒頻移為 JV 的結(jié)果，將Y'每次
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向左移動(dòng)一位，再"X相乘，這樣得到的結(jié)果，為多普勒頻移 W 。以此重復(fù)，
便可以對(duì)要求的步長(zhǎng)進(jìn)行掃頻，達(dá)到優(yōu)化的結(jié)果。
工程中的GNSS信號(hào)捕獲優(yōu)化掃頻方法及其裝賈的實(shí)現(xiàn)可以按照上述專利方法，根據(jù)裝賈圖，釆用Xilinx的Spartan3系列的FPGA作為硬件基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)，所要用到的空間人小和計(jì)算時(shí)間的耗費(fèi)，在下面的"IH方案的對(duì)比分析中進(jìn)行了闡述。
該GNSS信號(hào)捕獲優(yōu)化掃頻方法及其裝賈實(shí)現(xiàn)得到的實(shí)施例和傳統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)對(duì)比足明顯的。該方法所需要的存儲(chǔ)空間相對(duì)于傳統(tǒng)方法，減少了約1.8M字節(jié)(28*2*16384*16bit)的外設(shè)存儲(chǔ)空間，優(yōu)化后的方案使用的空間相當(dāng)于原來的1/30。同時(shí)減少了約28*2*16384次的short類型的乘法計(jì)算。而且掃頻的步長(zhǎng)和范M，可以根據(jù)不同的情況進(jìn)行調(diào)整，^冇很好的擴(kuò)展性。
權(quán)利要求
一種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)，包括前端接收數(shù)據(jù)模塊和與之相連接并接收調(diào)制序列的FPGA數(shù)據(jù)處理模塊，其特征在于前端接收數(shù)據(jù)模塊包括第一乘法器、帶通濾波器和模數(shù)采樣器，其中第一乘法器接收前端信號(hào)并與本地載波解調(diào)后輸出中頻調(diào)制信號(hào)至帶通濾波器，帶通濾波器的輸出端與模數(shù)采樣器相連接以輸出放大信號(hào)，模數(shù)采樣器將放大信號(hào)數(shù)字化后得到調(diào)制序列；FPGA數(shù)據(jù)處理模塊包括存儲(chǔ)器、卷積器、碼片頻域庫(kù)、移位控制器和第二乘法器，其中存儲(chǔ)器將前端接收數(shù)據(jù)模塊輸出的調(diào)制序列存儲(chǔ)后輸出至卷積器進(jìn)行快速傅里葉變換得到中頻頻域信號(hào)，卷積器、碼片頻域庫(kù)和移位控制器分別與第二乘法器相連接以輸出中頻頻域信號(hào)、歷史頻域信號(hào)和移位信息，第二乘法器輸出掃頻結(jié)果。
2. —種根據(jù)權(quán)利要求1所述的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)的捕獲方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，前端接收數(shù)據(jù)模塊接收到的GNSS信號(hào)后經(jīng)過下變頻得到了中頻調(diào)制信號(hào)，對(duì)該中頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行去除載波處理得到調(diào)制序列x(n);步驟二，對(duì)調(diào)制序列x(n)進(jìn)行N點(diǎn)的快速傅里葉變換，其中N二 2N'，對(duì)于調(diào)制序列中超過N'的長(zhǎng)度補(bǔ)零；步驟三，根據(jù)加密的移位寄存器得到本地粗碼捕獲碼片y (n)，對(duì)y (n)進(jìn)行N點(diǎn)的快速傅里葉變換得到本地粗碼捕獲碼片頻域序列Y(K);步驟四，將本地粗碼捕獲碼片頻域序列Y(K)循環(huán)右移一位或循環(huán)左移一位，得到Y(jié)1(K)和Y2(K)分別與調(diào)制頻域序列X(K)相乘得到頻譜移位序列Z1(K)和Z2 (K)，每移動(dòng)一位改變一個(gè)單位的4多普勒效應(yīng)影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的捕獲。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)的捕獲方法，其特征是，所述的中頻調(diào)制信號(hào)包括中頻頻率fl和多普勒頻偏fDop。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)的捕獲方法，其特征是，所述的去除載波處理是指利用中頻fl得到本地載波信號(hào)并與中頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相乘消除中頻影響，得到調(diào)制序列x(n)，該調(diào)制序列的個(gè)數(shù)為N'。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)的捕獲方法，其特征是，所述的N點(diǎn)的N點(diǎn)的快速傅里葉變換是指<formula>formula see original document page 2</formula>其中按照k的奇偶性將調(diào)制頻域序列X(k)分為兩部分<formula>formula see original document page 2</formula>其中r = 0,1,'"，^-1上述的快速傅里葉變換得到的調(diào)制頻域序列X(K)共有N個(gè)值，其序數(shù)為偶數(shù)的部分，X(0)、X(2)、…、X(N-2)相當(dāng)于傳統(tǒng)方法的信號(hào)做N'點(diǎn)的快速傅里葉變換得到的結(jié)果。
全文摘要
一種信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)捕獲掃頻系統(tǒng)及其捕獲方法，包括前端接收數(shù)據(jù)模塊接收到的GNSS信號(hào)后經(jīng)過下變頻得到了中頻調(diào)制信號(hào)，對(duì)該中頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行去除載波處理得到調(diào)制序列。對(duì)調(diào)制序列進(jìn)行N點(diǎn)的快速傅里葉變換，根據(jù)加密的移位寄存器得到本地粗碼捕獲碼片，對(duì)進(jìn)行N點(diǎn)的快速傅里葉變換得到本地粗碼捕獲碼片頻域序列；將本地粗碼捕獲碼片頻域序列循環(huán)右移一位或循環(huán)左移一位，分別與調(diào)制頻域序列相乘得到頻譜移位序列，每移動(dòng)一位改變一個(gè)單位的多普勒效應(yīng)影響，通過將碼片頻域序列移位后與接收信號(hào)頻域相乘即可以實(shí)現(xiàn)不同多普勒頻域?qū)邮招盘?hào)影響所得到的各種結(jié)果。
文檔編號(hào)G01S19/39GK101788677SQ201010300278
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者劉婷, 張鵬, 楊峰, 邱方, 陳晨 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)