一种卫星信号快速捕获方法的设计

摘要:本文介绍了常用的卫星信号捕获方法以及优缺点,包括串行、并行和FFT捕获。提出一种码并行FFT快速捕获方法。通过这种方法可以提高捕获的速度,缩短捕获时间。

关键词:快速捕获 码并行 FFT

1 引言

在卫星导航系统里,所有的信息通过扩频码进行调制,扩频码具有自相关性好、互相关性差的特点,用户可以通过复现卫星所发射的扩频码进行信号的捕获。

在实际应用中,由于卫星与用户的相对运动会造成多普勒频偏,如果用户没有同时调整复现的载波频率,那么对扩频码的相关过程将因用户接收机的频率响应的滚降特性而受到严重的衰减,导致无法捕获到信号,所以在捕获卫星信号的时候也必须补偿载波频率加多普勒频偏。

2 串行捕获

串行捕获采用单通道相关器,在不同的频率间隔以离散的方式进行顺序扫描搜索,这种方法硬件简单、易于实现,但捕获时间长,特别是在高动态、低信噪比情况下,还可能丢失数据。

为了提高捕获速度,可以采用适当安排多普勒频移搜索单元的搜索顺序,采用载波多普勒频移逐次逼近扫描法,从起始单元的两侧依次进行搜索,起始单元的设置考虑卫星相对地面静止物体的相对速度而造成的多普勒频移值。

3 并行捕获

并行捕获是在串行捕获的基础上采用多通道相关支路,在各通道内并行地搜捕信号。有扩频码并行、载波并行和扩频码载波并行捕获三种并行捕获方式。

码并行载波串行:采用N个独立的码相关器,相关器之间相差半个码片,它们共用一个载波NCO,载波多普勒采用串行扫描方式进行搜索。在一个区间扫描结束后取N个相关能量值中最大的与门限比较,超过则根据载波区间和能量最大相关器的位置得到载波和相位的估计值,优点是在每个载波单元搜索一个码周期就可以得到N个码片相位的相关值。其捕获时间是串行捕获所需要的时间除以码相关器的个数。

码串行载波并行:单个码发生器,对码进行串行搜索,N个载波相关器,载波相关器的个数与捕获范围有关, N 的取值至少是Fb/ fb , 其中Fb 为捕获范围, fb 为相关器带宽。对载波频率进行并行捕获。N个载波NCO分别产生不同频率的载波,在各个码相位上同时检查N个频点的能量,超过门限就以当前码相位及最大值所对应的载波为输入启动跟踪环,否则移动半个码片。该电路的规模与码长无关,可以在相同硬件条件下兼容多种码长,捕获时间等于Tb・N・2,也就是捕获时间与码长成正比,相当于串行捕获所用的时间除以载波相关器的个数N。

码并行载波并行:采用N个独立的码相关器,码相关器之间差半个码片。采用M个载波相关器,每个载波相关器的载波NCO分别产生不同频率的载波。每一个码相关器对应M个可能的载波频率,每一个载波频率对应N个码相位。对于伪码和载波的二维并行捕获,取N 个码相关器、M 个载波相关器中二维对应的能量最大值与捕获门限进行比较,若超过门限,则判为捕获,码并行载波并行捕获方法能够在很短的时间内就可捕获伪码相位和载波频率,所用时间是串行捕获所用时间除以码相关器个数N和载波相关器个数M。该捕获方法的缺点是计算量大,占用资源。

4 FFT捕获

FFT捕获主要是利用FFT运算的特点,对码序列进行相关运算。常用的捕获方法有两种:一种是在搜索1个多普勒频移时,同时搜索所有的码相位。另外一种是搜索1个码相位步进量时,同时对整个多普勒频移单元同时进行估计,分析信号的载波频率。

码相位频域分析捕获:由于传统的串行捕获方式的检测时间长,正比于所有的码相位数。引入了快速傅利叶变换将时域中进行的相关运算变换到频率域处理,基本思路是利用时域相关等价于频域相乘的关系,在频域计算伪码的相关函数,将本地码序列和接收到的一个周期的信号做FFT变换到频域,相乘后再反变换到时域,将各码相位的最大相关值与门限比较判断。若没有超过门限则改变载波的搜索单元,重新进行码相位的检测。由于这种方法运算复杂,所以较少采用这种捕获方式。

载波频偏频域分析进行捕获:其原理是将本地伪码与输入信号之间保持相对滑动。输入信号与本地伪码相乘后, 每P码片的数据做累加,将输入数据降速,原来N码片的数据变为现在的D点数据, ,这个过程称为部分匹配滤波(PMF ,Partial Matched Filtering)。然后利用这D点数据做D点FFT,并分析频谱。如果频谱峰值超过门限值,则说明本地码相位与输入信号码相位达到一致,该谱峰对应的值就是多普勒频移值。调整本地载波NCO 和码NCO,就可以完成捕获。

5 码并行FFT快速捕获

该方法采用并行搜索码相位的同时利用FFT进行频谱分析将传统的二维搜索变成一维搜索,节省了捕获时间,是比较合适的方法。

6 结束语

并行搜索扩频码码相位的基础上进行FFT频谱分析捕获多普勒频率的捕获方法能够提高捕获的速度和精度,在实际应用中要结合具体的要求。

参考文献

[1]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2003

[2]朱近康.扩展频谱通信及其应用[M].合肥:中国科技大学出版社,1993

[3]王伟. 基于FFT的伪码快速捕获.哈尔滨工程大学学报

[4]李菊. 直接序列扩频信号快速捕获[J], 北京理工大学学报,2005,10

[5]徐晓燕.高动态环境下扩频通信系统信号快速捕获的研究[J].遥控遥测,2005