一种地基导航信号的快速捕获方法和系统

1.本发明涉及导航技术领域，尤其是涉及一种地基导航系统信号的快速捕获方法和系统。


背景技术：

2.作为卫星导航系统的重要补充，地基导航系统在某些方面有着独特的优势，可以克服卫星信号微弱、易受抗干、不能在室内使用等缺点。为了克服“远近效应”问题，地基导航系统在信号体制上采用了跳时/直序-码分多址信号(th/ds-cdma)，通过划分时隙，不同伪卫星在不同时隙发射扩频信号，即时分的扩频通信体制，它既能克服“远近效应”，也能具有扩频信号的测距能力。
3.th/ds-cdma不是一种连续播发的信号，系统中的伪卫星都有自己的信号发射时间窗口，只在特定的时隙发送导航信号，一般某个时隙只有一个伪卫星的发射窗口是打开的，多个伪卫星之间是分时播发信号的。即便是采取分时的方式，对于接收设备来说，与多个伪卫星之间的距离是不相等的，不同伪卫星之间的信号在接收端依然会有时间上的重叠。所以，在地基导航系统中每个伪卫星的发射窗口并不固定，而是一个已知的、具有随机特性的跳时序列，也就是跳时图案，避免两个伪卫星之间固定存在信号接收上的时间重叠。如在locata系统中，一个跳时图案的超帧结构长200，每帧时间tf内划分了10个时隙，每个时隙的持续时间ts为0.1ms，每一颗伪卫星选择在每帧10个时隙中的某个时隙发射信号，而跳时图案的循环周期为200。
4.跳时信号体制的引入使得传统的扩频信号接收技术不再适用，而问题的难点主要集中在信号的捕获阶段，需要在信号非连续播发的条件下，在时域(码相位)和频域(多普勒)两个维度检测信号，常用的检测方法有串行搜索、并行搜索、fft和匹配滤波，其捕获时间与资源占用成反比关系，一般而言，fft和匹配滤波占用较多的软硬件资源，但是捕获时间可以大为缩短。
5.地基导航信号的捕获主要有两个关键问题：
6.(1)跳时图案的捕获
7.地基导航信号的捕获不仅要在时域和频域检测信号，还要同时检测信号的多个发射时隙，与已知的跳时图案匹配，因此是时域、频域和发射时隙三个维度上的信号检测。基于传统的扩频信号捕获技术上来理解，当在某个时域和某个频域两维点上检测到信号，需要继续驻留多个时隙帧的时间来确认存在信号发射的时隙。
8.(2)信号频率的捕获
9.由于地基导航系统采用了跳时信号体制，存在频率牵引带宽和捕获带宽不匹配的问题。
10.信号检测因频率未完全匹配而带来的功率损耗符合sinc2衰减：p
loss
(δf)＝sinc2(πtδf)。t是检测积分时间，δf是频率偏差，典型的，当损耗约为3.9db，这对于地基信号接收强度而言有很大概率能够检测到，但是在后续的信号频
率牵引中，由于跳时发射的体制，相邻的发射时隙以帧时间tf为平均间隔，对于利用相邻两个发射时隙积分值来计算频率误差的鉴频器而言，所能分辨的频率误差范围约为即频率牵引带宽与捕获带宽的不匹配，频率牵引带宽要远小于捕获带宽。为了实现频率牵引带宽和捕获带宽的匹配，在信号搜索时可以以为频率分辨率，但引起的信号功率损耗差异并不显著，且会增加捕获时间或者资源消耗。
11.因此，地基导航信号的捕获要在时域、频域和跳时发射时隙展开三维度搜索，并且信号频率的捕获减小至范围内。


技术实现要素：

12.本发明所要解决的技术问题，在于提供一种地基导航信号的快速捕获方法和系统，以实现地基导航信号时域、频域和跳时图案的快速捕获，并且频率捕获的精度在范围内。
13.为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种地基导航信号的快速捕获方法，包括以下步骤：
14.步骤一，高于四倍码速率采样的地基导航数字信号经正交数字下变频、低通滤波和重量化处理，以两倍码速率重采样，获得重采样的i/q基带信号；
15.步骤二，基于重采样的i/q基带信号，以0.5个码片为分辨率，使用两组匹配滤波在时域搜索地基伪卫星信号；其中，第一组匹配滤波深度l-1，输出测距码序列前个码片积分值，第二组匹配滤波深度l+1，输出测距码序列后个码片积分值，l是测距码序列周期长度，地基导航跳时信号一个发射时隙ts播发一个完整周期长度的测距码；
16.步骤三，基于两组匹配滤波积分值计算ts时间2l个采样点的功率值，当功率值大于设定门限p
th
，以采样点连续计数值kk为时间戳，将两组匹配滤波积分值i
k1
/q
k1
、i
k2
/q
k2
、功率值pk记录到捕获信息列表；
17.步骤四，根据捕获信息列表，基于时间戳计算捕获时隙值tk构成跳时图案子样本，完成信号的跳时图案捕获；
18.步骤五，根据捕获信息列表，基于两组匹配滤波积分值计算信号频率估计
19.优选的，所述正交数字下变频处理以为频率间隔对信号进行频域搜索。
20.优选的，所述捕获信息列表在2l个采样间隔内只存储有最大功率值的一条捕获信息。
21.优选的，所述匹配滤波搜索，在连续的两帧时间2tf内未检测到信号，则退出当前目标伪卫星的搜索或者清空捕获信息列表重新启动搜索，其中tf是地基导航信号跳时发射的帧时间，包含n个发射时隙ts。
22.优选的，所述捕获时隙值tk相对于第一条记录时间戳k1计算：
[0023][0024]
优选的，所述信号频率估计采取的计算方法：
[0025][0026][0027]
其中，m是捕获信息列表的记录条数。
[0028]
优选的，所述信号频率估计是在完成跳时图案捕获删除虚警捕获信息记录后计算。
[0029]
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种地基导航信号的快速捕获系统，包括：
[0030]
载波数控振荡器，产生本地参考载波信号；
[0031]
数字下变频器，与所述载波数控振荡器相连，将输入的中频采样信号正交下变频至零中频，输出i/q基带信号；
[0032]
低通滤波及重量化模块，与所述数字下变频器相连，根据码速率对信号低通滤波，并重量化为2比特的i/q信号；
[0033]
采样数控振荡器，产生重采样的时钟信号；
[0034]
采样点连续计数器，与所述采样数控振荡器相连，对重采样后的采样点连续计数；
[0035]
抽取器，与所述低通滤波及重量化模块、采样数控振荡器相连，对低通滤波及重量化模块输出的信号重采样，获得两倍码速率的重采样i/q信号；
[0036]
匹配搜索器，与所述抽取器、采样数控振荡器、采样点连续计数器相连，使用匹配滤波器对信号进行搜索；
[0037]
跳时图案捕获和频率估计模块，与所述匹配搜索器相连，基于匹配搜索结果进行跳时图案的捕获和信号频率估计；
[0038]
所述匹配搜索器包含两组匹配滤波器：第一组匹配滤波器，输出测距码序列前个码片l-1个采样点的i/q积分值；第二组匹配滤波器，输出测距码序列后个码片l+1个采样点的i/q积分值；
[0039]
所述匹配搜索器还包含一个峰值记录器，与所述第一组匹配滤波器、第二组匹配滤波器、采样点连续计数器相连，计算功率值与预设的门限比较，若大于门限，记录一条信息：第一组匹配滤波器输出的i/q积分值l
k1
/q
k1
、第二组匹配滤波输出的i/q积分值i
k2
/q
k2
、功率值和采样点连续计数值kk。
[0040]
优选的，所述峰值记录器在2l个采样点内只记录具有最大功率值的一条信息。
[0041]
优选的，所述跳时图案捕获和频率估计模块，根据峰值记录器记录的采样点连续计数值kk计算捕获时隙值tk：构成跳时图案的子样本，进行跳时图案捕获，根据峰值记录器记录的第一组、第二组匹配滤波器输出的i/q积分值计算频率估计
[0042][0043]
其中，m是峰值记录器中的记录条数。
[0044]
本发明实现的地基导航信号快速捕获方法和系统的主要优点：
[0045]
(1)通过匹配滤波实现地基导航信号时域、频域和发射时隙的三维度快速搜索，在5～10个子帧时间内，就可以捕获到信号；
[0046]
(2)通过分组匹配滤波实现在大范围内信号频率的精确估计；
[0047]
(3)频域搜索以为间隔，大幅度减少了高动态应用中多普勒频点的搜索个数，缩短了捕获时间；
[0048]
(4)通过测距码序列码相位完整检测，能有效抑制自相关函数的旁瓣干扰，准确捕获主峰。
附图说明
[0049]
附图用于提供对本发明的进一步理解，并且构成本技术的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0050]
图1为地基导航信号跳时发射的示意图；
[0051]
图2为本发明地基导航信号快速捕获方法实施例的流程图；
[0052]
图3为本发明地基导航信号快速捕获系统实施例的组成示意图；
[0053]
图4为本发明实施例中匹配搜索器的组成示意图。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0055]
在地基导航系统中，一个跳时图案使用超帧、子帧和时隙来描述。如图1所示，跳时图案的一个周期称为超帧，一个超帧包含了m个子帧，每个子帧中划分了n个时隙，每个时隙时间为ts，一般与测距码周期相同，一个子帧的时间tf即为n
·
ts。具体应用中，地基伪卫星部署数量的上限取决于n，即在一个子帧内，每一个时隙只允许一个伪卫星发射信号，且伪卫星在子帧内的发射时隙并不固定。
[0056]
实施例1
[0057]
图2为本发明地基导航信号快速捕获方法实施例的流程示意图。图2所示的方法实施例主要包括如下步骤：
[0058]
步骤s101，高于四倍码速率采样的地基导航数字信号经正交数字下变频、低通滤波和重量化处理，以两倍码速率重采样，获得重采样的i/q基带信号；
[0059]
步骤s102，基于重采样的i/q基带信号，以0.5个码片为分辨率，使用两组匹配滤波在时域搜索地基伪卫星信号；其中，第一组匹配滤波深度l-1，输出测距码序列前个码片
积分值，第二组匹配滤波深度l+1，输出测距码序列后个码片积分值，l是测距码序列周期长度，地基导航跳时信号一个发射时隙ts播发一个完整周期长度的测距码；
[0060]
步骤s103，基于两组匹配滤波积分值计算ts时间2l个采样点的功率值，当功率值大于设定门限p
th
，以采样点连续计数值kk为时间戳，将两组匹配滤波积分值i
k1
/q
k1
、i
k2
/q
k2
、功率值pk记录到捕获信息列表；
[0061]
步骤s104，根据捕获信息列表，基于时间戳计算捕获时隙值tk构成跳时图案子样本，完成信号的跳时图案捕获；
[0062]
步骤s105，根据捕获信息列表，基于两组匹配滤波积分值计算信号频率估计
[0063]
其中，步骤s101的正交数字下变频处理，为适应不同的载体应用场景，对于静态或者低动态应用，以数字信号的标称中频进行混频，在高动态应用中，正交数字下变频处理还要以为频率间隔对信号进行频域搜索；原始地基导航数字信号的采样率需高于四倍码速率，便于低通滤波截止频率指标的设计和产生两倍码速率的重采样时钟信号。
[0064]
其中，步骤s102的第一组、第二组匹配滤波的深度可以互换，测距码为伪随机序列，l为奇数，两组匹配滤波的积分长度几近相等。次优的，两组深度都是l。
[0065]
其中，步骤s103基于两组匹配滤波积分值计算ts时间2l个采样点的功率值，是根据第一组、第二组匹配滤波i/q积分值的和来计算。
[0066]
其中，为进一步提高对自相关函数旁瓣干扰的抑制，步骤s103中可约束捕获信息列表在2l个采样间隔内只存储有最大功率值的一条捕获信息，根据自相关函数峰值的唯一性，在2l个采样间隔内检测到更高功率值时，则替换已有记录。
[0067]
其中，为进一步提高信号搜索的效率，步骤s102、s103的匹配滤波搜索在连续的两帧时间2tf内未检测到信号，则退出当前目标伪卫星的搜索或者清空捕获信息列表重新启动搜索，在高动态应用中，可更换搜索频点后再启动匹配滤波搜索。
[0068]
其中，步骤s104，捕获时隙值相对于第一条记录时间戳k1计算，捕获信息列表的第一个记录标记为时隙0，计算后续记录采样点计数值的增量，根据每个时隙有2l个采样点，折算到时隙值：
[0069][0070]
其中，步骤s105中的信号频率估计基于每一条捕获记录独立计算频率偏差后再求均值：
[0071][0072][0073]
m是捕获信息列表的记录条数。由于两组匹配滤波的积分时间近似为因此，上述信号频率估计的可检测范围为基于地基导航的信号接收功率相对较强以及求平
均处理，的估计精度在范围内。
[0074]
另外，为进一步提高信号频率估计的精度，信号频率估计可以在完成跳时图案捕获且删除虚警捕获信息记录后计算。
[0075]
实施例2
[0076]
图3为本发明地基导航信号快速捕获系统实施例的组成示意图。如图3所示，实施例包括：载波数控振荡器120、数字下变频器130、低通滤波及重量化模块(170、180)、采样数控振荡器140、采样点连续计数器150、抽取器(190、200)、匹配搜索器210、跳时图案捕获和频率估计模块220。
[0077]
载波数控振荡器120产生本地参考载波信号205，参考载波信号205一般是一个3～5比特的信号。数字下变频器130将输入地基导航数字信号205与本地参考载波信号205正交混频，输出多比特的i/q基带信号211、212。
[0078]
i/q基带信号211、212经过低通滤波和重量化模块170、180，得到2～4比特的重量化i/q基带信号213、214。为兼顾量化损失和资源消耗，优选的，i/q基带信号213、214可以为2比特。
[0079]
采样数控振荡器140产生两倍码速率重采样时钟信号218。在静态或低动态应用中，可以以标称的码速率来计算所需重采样时钟信号218的频率，而在高动态应用中，应考虑多普勒效应引起的实际码速率的微小变化。采样点连续计数器150以采样时钟信号218为基准，进行连续计数，输出连续计数值217，作为捕获过程的时间戳。
[0080]
重量化的i/q基带信号213、214，进入抽取器190、200，以重采样时钟信号218进行抽取，获得重采样的i/q基带信号215、216，并进入匹配搜索器210。
[0081]
匹配搜索器210的搜索结果219，作为跳时图案捕获和频率估计模块220的输入，进行跳时图案的捕获和信号频率的估计。
[0082]
图4是实施例匹配搜索器的组成示意图。如图4所示，包括：延迟寄存器(310、320)、加法器(330、340)、2分频器400、3比特2l级移位寄存器(350、360)、选择器(370、380)、1比特l级移位寄存器390、第一组匹配滤波器(410、430)、第二组匹配滤波器(420、440)、峰值记录器450。
[0083]
重采样的i/q基带信号215、216进入延迟寄存器310、320，得到延迟信号301、302，与未延迟的信号215、216进入加法器330、340，得到相邻采样点两两之和的信号311、312，若输入的重采样i/q基带信号215、216为2比特，则信号311、312为3比特。
[0084]
采样点两两之和311、312进入3比特2l级移位寄存器350、360，分为长度l的奇数延迟数据组313、315和偶数延迟数据组314、316输出，并进入选择器370、380。
[0085]
重采样时钟信号218经2分频器400，输出频率为码速率占空比为50％的选择信号355，在选择信号355的控制下，选择器370、380选择奇数延迟数据组313、315或者偶数延迟数据组314、316作为输出317、318，并将317、318的前个数据321、323送入第一组匹配滤波器410、430，后个数据322、324送入第二组匹配滤波器420、440。
[0086]
1比特l级移位寄存器390存放测距码序列的l个码片，序列的前个码片351送入
第一组匹配滤波器410、430，后个码片352送入第二组匹配滤波器420、440。
[0087]
第一组、第二组匹配滤波器分别产生的积分值361(i
k1
)、363(q
k1
)和362(i
k2
)、364(q
k2
)，输入到峰值记录器450。峰值记录器450将先计算两组滤波器积分值的和，再计算功率值，与预设的门限比较，若大于门限，记录以下信息：第一组匹配滤波器410、430输出的i/q积分值361、363(i
k1
、q
k1
)、第二组匹配滤波器420、440输出的i/q积分值362、364(i
k2
、q
k2
)、功率值和采样点连续计数值kk。峰值记录器450在2l个采样点内只记录具有最大功率值的一条信息。
[0088]
跳时图案捕获和频率估计模块220，根据峰值记录器450记录的采样点连续计数值kk计算捕获时隙值tk：构成跳时图案的子样本，进行跳时图案捕获；根据峰值记录器450记录的第一组匹配滤波器、第二组匹配滤波输出的i/q积分值计算频率估计
[0089][0090][0091]
其中，m是峰值记录器中的记录条数。
[0092]
本发明基于匹配滤波技术，实现了地基导航信号时域、频域和发射时隙的三维度快速搜索。以locata系统设计参数为例：本发明可以在5～10ms内捕获目标伪卫星信号，50～100ms内搜索、捕获系统内所有的伪卫星；对信号频率的估计范围达到-10～+10khz，对于静态或低动态应用而言，不需要额外的多普勒频点搜索；频域搜索间隔为10khz，在高动态应用中，当视距速度达到5km/s时，对应的多普勒频移范围-40～40khz，搜索频点数为9个，最坏情况也能在21～26ms内捕获到目标伪卫星。
[0093]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种地基导航信号的快速捕获方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，高于四倍码速率采样的地基导航数字信号经正交数字下变频、低通滤波和重量化处理，以两倍码速率重采样，获得重采样的i/q基带信号；步骤二，基于重采样的i/q基带信号，以0.5个码片为分辨率，使用两组匹配滤波在时域搜索地基伪卫星信号；其中，第一组匹配滤波深度l-1，输出测距码序列前个码片积分值，第二组匹配滤波深度l+1，输出测距码序列后个码片积分值，l是测距码序列周期长度，地基导航跳时信号一个发射时隙t
s
播发一个完整周期长度的测距码；步骤三，基于两组匹配滤波积分值计算t
s
时间2l个采样点的功率值，当功率值大于设定门限p
th
，以采样点连续计数值k
k
为时间戳，将两组匹配滤波积分值i
k1
/q
k1
、i
k2
/q
k2
、功率值p
k
记录到捕获信息列表；步骤四，根据捕获信息列表，基于时间戳计算捕获时隙值t
k
构成跳时图案子样本，完成信号的跳时图案捕获；步骤五，根据捕获信息列表，基于两组匹配滤波积分值计算信号频率估计2.如权利要求1所述的一种地基导航信号的快速捕获方法，其特征在于：所述正交数字下变频处理以为频率间隔对信号进行频域搜索。3.如权利要求1所述的一种地基导航信号的快速捕获方法，其特征在于：所述捕获信息列表在2l个采样间隔内只存储有最大功率值的一条捕获信息。4.如权利要求1所述的一种地基导航信号的快速捕获方法，其特征在于：所述匹配滤波搜索，在连续的两帧时间2t
f
内未检测到信号，则退出当前目标伪卫星的搜索或者清空捕获信息列表重新启动搜索，其中t
f
是地基导航信号跳时发射的帧时间，包含n个发射时隙t
s
。5.如权利要求1所述的一种地基导航信号的快速捕获方法，其特征在于：所述捕获时隙值t
k
相对于第一条记录时间戳k1计算：6.如权利要求1所述的一种地基导航信号的快速捕获方法，其特征在于：所述信号频率估计采取的计算方法：采取的计算方法：其中，m是捕获信息列表的记录条数。7.如权利要求6所述的一种地基导航信号的快速捕获方法，其特征在于：所述信号频率估计是在完成跳时图案捕获删除虚警捕获信息记录后计算。8.一种地基导航信号的快速捕获系统，其特征在于，包括：载波数控振荡器，产生本地参考载波信号；
数字下变频器，与所述载波数控振荡器相连，将输入的中频采样信号正交下变频至零中频，输出i/q基带信号；低通滤波及重量化模块，与所述数字下变频器相连，根据码速率对信号低通滤波，并重量化为2比特的i/q信号；采样数控振荡器，产生重采样的时钟信号；采样点连续计数器，与所述采样数控振荡器相连，对重采样后的采样点连续计数；抽取器，与所述低通滤波及重量化模块、采样数控振荡器相连，对低通滤波及重量化模块输出的信号重采样，获得两倍码速率的重采样i/q信号；匹配搜索器，与所述抽取器、采样数控振荡器、采样点连续计数器相连，使用匹配滤波器对信号进行搜索；跳时图案捕获和频率估计模块，与所述匹配搜索器相连，基于匹配搜索结果进行跳时图案的捕获和信号频率估计；所述匹配搜索器包含两组匹配滤波器：第一组匹配滤波器，输出测距码序列前个码片l-1个采样点的i/q积分值；第二组匹配滤波器，输出测距码序列后个码片l+1个采样点的i/q积分值；所述匹配搜索器还包含一个峰值记录器，与所述第一组匹配滤波器、第二组匹配滤波器、采样点连续计数器相连，基于两组匹配滤波器的积分值计算功率值与预设的门限比较，若大于门限，记录一条信息：第一组匹配滤波器输出的i/q积分值i
k1
/q
k1
、第二组匹配滤波输出的i/q积分值i
k2
/q
k2
、功率值和采样点连续计数值k
k
。9.如权利要求8所述的一种地基导航信号的快速捕获系统，其特征在于：所述峰值记录器在2l个采样点内只记录具有最大功率值的一条信息。10.如权利要求8所述的一种地基导航信号的快速捕获系统，其特征在于：所述跳时图案捕获和频率估计模块：根据峰值记录器记录的采样点连续计数值k
k
计算捕获时隙值t
k
：构成跳时图案的子样本，进行跳时图案捕获；根据峰值记录器记录的第一组、第二组匹配滤波器输出的i/q积分值计算频率估计峰值记录器记录的第一组、第二组匹配滤波器输出的i/q积分值计算频率估计峰值记录器记录的第一组、第二组匹配滤波器输出的i/q积分值计算频率估计其中，m是峰值记录器中的记录条数。

技术总结
本发明公开了一种地基导航信号的快速捕获方法和系统。通过对数字信号正交下变频、低通滤波、重量化和重采样处理，获得重采样的I/Q基带信号，基于该信号实施捕获，在一个测距码周期内使用两组匹配滤波来检测，以采样点连续计数为时间戳采集捕获信息列表，根据时间戳计算捕获时隙值构成跳时图案子样本，完成跳时图案的捕获，根据两组匹配滤波积分值计算信号频率的估计，实现了地基导航信号时域、频域和发射时隙三维度的快速搜索，具有捕获速度快、信号频率估计范围大、有效抑制旁瓣干扰的优势。有效抑制旁瓣干扰的优势。有效抑制旁瓣干扰的优势。


技术研发人员：屠惠斌 黎湧 王建峰 屈志航
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/9