一種對衛星進行快速捕獲的方法及其實現設備的製作方法

2023-07-07 20:06:31 2

專利名稱：一種對衛星進行快速捕獲的方法及其實現設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種GPS (全球定位系統)定位導航領域，更具體的是，涉及 一種用於GPS衛星定位導航接收機的對衛星進行快速捕獲的方法及其實現設 備。
背景技術：
GPS利用導航衛星進行測時和測距，是當前最先進的精密衛星導航定位系 統。它不僅具有全球性、全天候、自動化和連續的精密三維定位能力，而且還 能實時地對接收機的速度、姿態進行測定以及精確授時。隨著它在軍事、經濟 建設和科學實驗等各個領域應用的蓬勃發展，它將在軍用、民用各個方面的滲 透必將朝著更寬廣的範圍和更深刻的層次發展，因而也會帶來對GPS導航定 位接收機的各個性能的更高要求。GPS衛星採用擴頻技術發送衛星導航電文，其頻帶高達20MHz左右，在 佔用率比較低的L波段上，易於傳送擴頻後的寬度信號。隨著衛星定位導航系 統需求的增長，應用領域的擴大，各種衛星定位導航系統也有了更高的性能要 求，需要在很多技術上進行改進，包括啟動時間、在較弱的衛星信號下工作， 以及使用功率的能源消耗等。關於啟動時間這一性能要求，這十幾年在現代社會的定位需求中逐漸被重 視起來。啟動時間包括三個方面冷啟動時間、溫啟動時間和熱啟動時間。當 前時間、用戶初始位置、曆書和星曆這些參數中已知參數的個數決定了進行它 們三個中的哪種啟動。其中，冷啟動就是當時間、初始位置、曆書和星曆中任 一項都未知的情況下啟動，從開始到產生定位結果的時間。在大部分的情況下， 進入冷啟動的誘因一般是由初始位置的變動導致的溫啟動失敗或者用戶的出 廠首次開機，因此可以改進的策略是快速搜索到第一顆衛星後，再搜索幾顆衛 星直到能直接從衛星信號的解調數據和計算得到當前接收機的定位；得到一個 大概的位置後，再進行溫啟動。
而這個冷啟動時間很大程度上決定於捕獲到足夠數量的衛星(以供較精確 的定位)的時間。所以，提高衛星定位系統捕獲速度會大大提高冷啟動時間這 一重要性能。關於在較弱的衛星信號下工作這一方面，對於由GPS衛星定位的導航定位系統，其接收到的衛星信號強弱情況決定於接收機頭頂天空視界的空曠、周 圍環境等因素。所以，在車輛或用戶經過對衛星有遮擋的建築或樹木時，或者 是衛星信號受到較強的幹擾時，衛星信號的可讀性和正確率都會受到很大影 響，會很大程度上減少衛星定位導航系統定位的精確度。而這種情況在定位導 航系統的使用中出現頻率很高，所以在民用甚至非民用的定位產品的設計中必 須最大程度上減小較弱衛星信號對衛星定位導航系統的負面影響。另外，在工作功率能耗方面，由於GPS基帶處理晶片經常用於使用電池 的可攜式設備，如掌上電腦、智慧型手機、 一體化導航儀、測量裝備和各種其他 使用GPS基帶處理晶片進行定位導航的設備，低功耗對於用戶來說是一項很 重要的指標。當GPS接收機工作時，會消耗比關閉時多很多的能量。因此， 在設計GPS接收機時，有效縮短其工作時間，例如減少捕獲時間也可以幫助 解決能耗節約的問題。另外，由於捕獲過程是一個隨機變量的遍歷過程，它包含了很多隨機性因 素，這些因素在很大程度會影響捕獲的精確性1) 碼序列(GPS採用PN碼)相位的初始不確定性；2) 信道失真(比如，衰落信道、加性幹擾等都是隨機變量)；3) 可能存在的隨機數據；4) 未知的載波相位(非相干接收)或都卜勒頻移；5) 系統前端部分的加性高斯白噪聲。所以，對GPS接收機的捕獲方法進行改善，能夠在解決這些隨機性因素 的不確定性的情況下，不僅以更快的速度進行衛星的捕獲，也能夠處理較弱的 衛星信號，是一項很有益的發明。這有助於大大減少冷啟動時間，有助於增加 較弱衛星信號下接收機捕捉衛星和定位的精確度，還有助於有效減少GPS接 收機的工作功耗。

發明內容
本發明所涉及的科學原理及技術支持如下目前同步捕獲算法(或搜索)的使用中，成熟而廣泛採用的是相關搜索技 術，即採用不同相位的本地序列與接收序列做相關運算，由相關值的大小判斷 序列是否同步。捕獲時，判斷信號是否存在的判斷依據是用本地預設的擴頻碼 和載波對接收信號分別進行解擴和解調，判斷運算結果是否超過門限。衛星信號的搜索就是確定三個未知量衛星序號(偽隨機碼碼號)、多普 勒(D叩pler)頻移和偽隨機碼(C/A碼)的碼相位。 一個完整的GPS衛星信號搜索方案必須包括這三個未知量的三維搜索過程。冷啟動目前常採取的策略是 遍歷搜索，當捕獲到足夠多的衛星(通常3顆)時即可實現第一次定位(2D 定位)。(碼的搜索有多種方法，例如循環相關、延遲與累積搜索和串行搜索。 本文檔中為了描述方便以串行搜索為例說明。)衛星相對接收機作高速運動，這種運動將在載波頻率和碼頻率上附加一個 都卜勒頻移。在20， 000km高空運行的GPS衛星，其導航定位信號在用戶接收 天線產生的衛星都卜勒頻移為公式1都卜勒頻移的計算方法式中,為GPS衛星發射的載波頻率；,為用戶接收機收到的衛星發射的載波頻率；力為都卜勒頻移； C為光速；^為GPS衛星相對於用戶接收機的徑向速度，即偽距變化率。 其中，偽距變化率為公式2偽距變化率的計算方法式中Vs為GPS衛星的運行速度；Gamma為用戶和GPS衛星星下點之間點弧長。
由公式1和公式2可見，載波頻率越高，都卜勒頻移就越大，測量用戶 的行駛速度也越有利。例如，當,=1575'42^^， 「s=3'876^/s， c = 3xlG8—、z = 3G°時，該信號產生的最大都卜勒頻移僅為i^o^fe 。捕獲過程中的搜索策略是一個很重要的方面，即檢驗器採用某種特定的算 法遍歷整個位置相位區間的過程。通常，把整個未知相位區間分為有限個小區 間，每次檢測一個小區間。檢測可以採用相關方式或非相關方式；可以採用不 同相關積分；也可以採用不同的判決準則。在衛星序號已知情況下，以通常採 用的一套二維搜索方案為例，如

圖1所示。都卜勒頻移以—^^~^皿為範圍 的頻段(例如，-17.603^&~17.603^^範圍的頻段)被均分為 段。則在一次 遍歷都卜勒頻移範圍時要搜索的次數為公式3 —次都卜勒頻移遍歷下都卜勒頻移頻段數的計算方法式中 為一次都卜勒頻移範圍遍歷需要搜索的次數，即都卜勒頻移頻 段數；A,為都卜勒頻移搜索步長，即一個小區間的都卜勒頻移範圍。 為保證搜索的每一區間的碼相位都具有較好的碼相關特性，同時也減少搜 索的相位區間數， 一個完整周期的1023個碼片按全碼片或更小的碼片作為步 長搜索。則要一次碼相位遍歷需要搜索的次數為公式4一次碼相位遍歷下碼相位區間數的計算方法式中^為一次碼相位遍歷需要搜索的次數，即碼相位區間數; Ac為每次搜索的碼片步長。以採用半碼片為例，即^ = /2，則碼相位數目為2046個；即當以半碼片為步長搜索時，遍歷一個完整周期的1023個碼片需要搜索2046次碼片。設每一小區間(對應一個碼相位和都卜勒頻移點的組合)完成搜索需要時 間7^，則一次完整的二維搜索用時為
公式5 —次完整二維搜索所需時間式中^為一次完整二維搜索所需時間；7"為每一個小區間完成搜索需要的時間； 為要搜索的都卜勒頻移區間數目。在上述技術概念和原理關係下，本發明的首要目的是提供一種用於GPS 衛星定位導航接收機的對衛星進行快速捕獲的方法。該方法通過在對GPS衛 星進行捕獲中都卜勒頻移的首輪遍歷搜索中以較嚴格的搜索條件，控制都卜勒 頻移搜索等的相關參數的設置，以較少時間和運算量來搜索到絕大多數有效衛 星的信號；使得通過在之後的遍歷搜索中對這些搜索參數進行自適應的調整， 放寬搜索條件，從而進一步有效捕獲到衛星。採用本發明方法後可以在最少時 間和最小運算量的代價下搜索到有效衛星的信號，以達到搜索效率、搜索總時 間和運算量的最優化，有效減少平均冷啟動時間。本發明的另 一個目的是提供一種實現上述發明方法的設備。根據上述發明目的其具體技術方案如下就技術原理而言，本發明方法就是在搜索策略上通過一些參數自適應的變 化來優化搜索過程，提高搜索效率，以減少捕獲時間。本發明所指的捕獲策略 優化方法主要針對某顆衛星到捕獲過程，尤其是一顆衛星都沒有捕獲到時的搜 索策略。需要說明的是，衛星的捕獲過程是都卜勒頻移、碼相位和衛星序號的三維 搜索過程。其中都卜勒頻移的遍歷和碼相位的遍歷是相互結合的。以下說明僅 僅以先進行碼搜索，再進行都卜勒頻移遍歷為例；反之同理。碼的搜索有多種 方法，例如循環相關、延遲與累積搜索和串行搜索。本文檔中為了描述方便以 串行搜索為例說明。具體地說，本發明所提出的一種對衛星進行快速捕獲的方法，該方法包括: 為提高衛星捕獲效率，有效減少平均捕獲時間進行的自適應的都卜勒頻移具體說明如下(1) 對於某顆衛星而言，在進行捕獲的搜索過程中，首輪搜索採用較粗略較 快速的初始都卜勒頻移搜索方式；例如採用較大搜索步長或者較小的都卜勒頻 移搜索範圍先搜索都卜勒頻移值發生概率最高(例如，在零值附近)的都卜勒 頻移範圍；(2) 如果成功捕獲該衛星，則跳出該衛星的搜索過程；反之，如果當第一輪 完整的都卜勒頻移遍歷搜索完成後，仍然如果沒有捕獲到該衛星信號，則進入 步驟(3);(3) 在第二輪捕獲該衛星時，則再適當採用更嚴格的搜索方式，例如擴大多 普勒頻移的搜索範圍或者採用更小的搜索都卜勒頻移步長；(4) 以此類推，重複步驟(2)和步驟(3)，逐漸增加搜索嚴格程度，例如擴大都卜勒頻移的搜索範圍和縮小搜索步長；可按實際應用需要選擇重複的次數和每次搜索條件增加的程度，例如擴大的範圍量和每次縮小的步長量。其中搜索參數需根據實際衛星接收機的使用用途和性能需求來設定。步驟(l)中初始都卜勒頻移搜索範圍可用較小的值，例如是最大都卜勒頻移範圍四分之一的值；或者較大的都卜勒頻移步長，則搜索次數較少。因為在實際應用中，尤其是常用的信號幹擾較多的城市或信號較好的野外的定位導航應用中，通常大多衛星的都卜勒頻移都在一個較小的值。甚至採用是最大都卜勒頻移範圍四分之一的值作為搜索範圍和較大的都卜勒頻移步長，就能搜索到很大部分的有效衛星。根據公式3和公式5，因為搜索範圍_/*皿 /^減小了， 或者一個小區間的都卜勒頻移範圍A/變大，則等效於一次都卜勒頻移範圍遍歷需要搜索的次數Wy的減少，搜索時間T也減少了。因此，採用較小的初始多普 勒頻移搜索範圍，在保證絕大部分情況下搜索成功的前提下，大大減少了搜索時間。但是由於個別的實際的都卜勒頻移值不在搜索範圍之內；另外搜索的多普 勒頻移值和實際衛星的都卜勒頻移有細微的相差，該相差如果比較大會導致相 關結果的不準確，嚴重可能無法捕獲到實際有效的衛星。而採用較小的都卜勒 頻移步長搜索或者較小的搜索範圍這些比較嚴格的搜索參數，雖然 隹確度有一 定程度上的提高，所需的搜索時間卻大大增加了。所以，都卜勒頻移搜索參數 的設定也需根據實際衛星接收機的使用用途和性能需求。而在步驟(3)中的嚴格後的都卜勒頻移的搜索參數的設定和搜索次數(即重 復步驟(2)和步驟(3)的次數)需要相互結合地進行考慮使得接收機能在最少時間內搜索到有效衛星，在合適的時間代價下判定並捨棄無效衛星，以達到搜索 總時間和效率的最優化。本發明方法是通過捕獲中搜索參數自適應的調整，在首輪遍歷搜索中以較 少時間和運算量來捕獲到絕大多數有效衛星的信號，而通過在之後的遍歷搜索中放寬搜索條件來進一步有效搜索衛星在最少的時間、運算量代價下搜索到 有效衛星的信號，以達到搜索效率、搜索總時間和運算量的最優化。因此也能 有效減少平均冷啟動時間，減少接收機功率和工作能耗，同時通過再次遍歷搜 索中條件的放寬來保證弱信號下的有效搜索，對解決目前GPS的性能要求有一 定的幫助。另外，根據本發明方法思路所提供的一種能實現GPS衛星導航時對衛星進行快速捕獲的設備，該設備是一種提供的捕獲參數自適應調整的快速捕獲裝置，包括用於接收和解調有效衛星信號以及進行搜索捕獲的操作的接收和處理GPS 衛星信號的GPS捕獲處理模塊；用於在適當的時候自適應的調節各個捕獲參數，並控制相關器、FFT、 GPS 捕獲處理模塊的相關搜索參數的捕獲參數調節模塊；用於對離散的時域信號進行採集和傅立葉計算的快速傅立葉變換設備；用於把經過計算單元處理的接收機定位信息傳送給位置信息顯示設備或 車輛導航設備的通訊接口上述裝置中快速傅立葉變換設備可以由硬體實現，也可以由軟體實現。軟 件的實現方式為採用專用的數位訊號處理程序，程序可為C語言編程程序或專 用的數位訊號處理器專用的開發程序，採用基2或基4的算法，實現快速傅立 葉變換運算。硬體的實現方式採用專用的快速傅立葉變換運算的ASIC模塊單 元。本方法因為在搜索時，優先在最可能的範圍以最快搜索的條件進行捕獲， 然後再考慮漏補的情況，對目前現有的而維搜索的捕獲方法進行了改進和提 高，以最小的時間和運算量代價有效捕獲衛星。採用該方法後，時間和運算量
能有效減少到三分之一，甚至更少。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。 圖1為C/A碼和都卜勒頻移的二維搜索示意圖。 圖2為本發明方法的步驟流程圖。 圖3為本發明所提供的設備結構圖。圖4為實例說明中C/A碼和都卜勒頻移的二維搜索的初始情況和範圍圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解， 下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。根據上述發明內容中的技術方案，其流程如圖2所示，需要說明的是圖中 所指的"設置較粗略的初始搜索參數"是指比如較小的都卜勒頻移範圍、較大 的都卜勒頻移步長等。而"增加搜索參數的嚴格程度"是指比如擴大都卜勒頻 移範圍、減小都卜勒頻移步長等。下面列舉具體事例。本實施例中採用先捕獲碼相位，再遍歷都卜勒頻移的搜索方式；反之同理。設每一方格對應一個碼相位區間和一個都卜勒頻移頻段的組合，如圖1所 示。碼的搜索有多種方法，例如循環相關、延遲與累積搜索和串行搜索。本文檔中為了描述方便以串行搜索為例說明。如圖4所示， 一個都卜勒頻段搜索時間規定為Ar (A『為圖中的積分時間長度， 一般定為1 5個C/A碼周期)。如果初始都卜勒頻移域範圍為 -3.5*他~3.5*論，在l個較短的碼周期內做積分，設定都卜勒頻移步長A/約為 667Hz，則頻率域的都卜勒頻移範圍被均分為IO個頻段。這樣就得到了都卜勒頻移和碼相位的組合數為10X1023X2二20460。如果 在頻率域並行搜索C/A碼,則只要在這個範圍內，不管信號的都卜勒頻移和C/A 碼相位往哪個方向偏移，基本系統都可以檢測出來的。初始都卜勒頻移範圍和都卜勒頻移步長如此設置，即使在衛星信號常有幹 擾的城市環境內的車載應用中，也可以在首輪搜索中捕獲到大多數的有效衛 星。因此既保證了有較高的捕獲效率，也有效縮短了搜索時間。在進行都卜勒頻移搜索時可採用本發明提到的方式，由搜索到都卜勒頻移 的可能性最大的較小區域開始，向絕對值較大的區域搜索。在第一輪搜索中，只要捕獲到一顆或更多衛星，就能估算出實際到都卜勒 頻移，獲得衛星星曆等，即可進行天空上有效衛星的估計，進入溫啟動。所有衛星的第一輪搜索都結束後，如果沒有搜索到足夠衛星，則考慮按照 本發明的內容，對搜索參數採用更寬容的條件將都卜勒頻移搜索範圍提高到 _l7.603 fe~n.603 ;將都卜勒頻移的步長調整成300Hz。這裡以一次改變所有多個搜索參數為例。每次改變一個參數或多個參數都是同理的。另外如圖3所示，該圖示為本發明提供的捕獲參數自適應調整的快速捕獲裝置，包括一個接收和處理GPS衛星信號的GPS捕獲處理模塊，用於接收和解調有效 衛星信號以及進行搜索捕獲的操作。一個捕獲參數調節模塊，用於在適當的時候自適應的調節各個捕獲參數， 並控制相關器、FFT、 GPS捕獲處理模塊的相關搜索參數。以接收和解碼來自 GPS衛星的信號，進行衛星信號碼剝離和載波剝離。一個FFT (快速傅立葉變換設備)，用於對離散的時域信號進行採集和傅立 葉計算。FFT可以由硬體實現，也可以由軟體實現。一個通訊接口 ，用於把經過計算單元處理的接收機定位信息傳送給位置信 息顯示設備或車輛導航設備。以上列舉的僅僅是基於本發明較佳的基本實施例，並不能用來限定本發明 的範圍。任何對本發明實施步驟、各個參數的綜合變化和等同改變均不超過本 發明的揭露以及保護範圍。
權利要求
1、一種對衛星進行快速捕獲的方法，該方法包括為提高衛星捕獲效率，有效減少平均捕獲時間進行的自適應的都卜勒頻移搜索的參數調整步驟；其特徵在於，(1)對於某顆衛星而言，在進行捕獲的搜索過程中，首輪搜索採用較粗略較快速的初始都卜勒頻移搜索方式；即採用較大搜索步長或者較小的都卜勒頻移搜索範圍先搜索都卜勒頻移值發生概率最高的都卜勒頻移範圍；(2)如果成功捕獲該衛星，則跳出該衛星的搜索過程；反之，如果當第一輪完整的都卜勒頻移遍歷搜索完成後，仍然如果沒有捕獲到該衛星信號，則進入步驟(3)；(3)在第二輪捕獲該衛星時，則再適當採用更嚴格的搜索方式；即擴大都卜勒頻移的搜索範圍或者採用更小的搜索都卜勒頻移步長；(4)以此類推，重複步驟(2)和步驟(3)，逐漸增加搜索嚴格程度，即擴大都卜勒頻移的搜索範圍和縮小搜索步長；可按實際應用需要選擇重複的次數和每次搜索條件增加的程度，擴大的範圍量和每次縮小的步長量。
2、 根據權利要求1的對衛星進行快速捕獲的方法，其特徵在於，所述步 驟中搜索參數需根據實際衛星接收機的使用用途和性能需求來設定例如初始 都卜勒頻移搜索範圍可用較小的值是最大都卜勒頻移範圍四分之一的值，或者 較大的都卜勒頻移步長，從而實現搜索次數的減少。
3、 根據權利要求1的對衛星進行快速捕獲的方法，其特徵在於，所述步 驟中增加搜索嚴格程度後的都卜勒頻移的搜索參數的設定和搜索次數還需要 相互結合地進行考慮，以便使得接收機能在最少時間內搜索到有效衛星，在合 適的時間代價下判定並捨棄無效衛星，從而達到搜索總時間和效率的最優化。
4、 根據權利要求1所提供的對衛星進行快速捕獲的設備，該設備是一種 提供的捕獲參數自適應調整的快速捕獲裝置，其特徵在於，包括-用於接收和解調有效衛星信號以及進行搜索捕獲的操作的接收和處理GPS 衛星信號的GPS捕獲處理模塊；用於在適當的時候自適應的調節各個捕獲參數，並控制相關器、FFT、 GPS 捕獲處理模塊的相關搜索參數的捕獲參數調節模塊； 用於對離散的時域信號進行採集和傅立葉計算的快速傅立葉變換設備； 用於把經過計算單元處理的接收機定位信息傳送給位置信息顯示設備或車輛導航設備的通訊接口。
5、根據權利要求4的對衛星進行快速捕獲的設備，其特徵在於，該裝置中快速傅立葉變換設備可以由硬體實現，也可以由軟體實現。
全文摘要
本發明公開了一種用於GPS衛星定位導航接收機的對衛星進行快速捕獲的方法及其實現設備。所述方法通過在對GPS衛星進行捕獲中的首輪遍歷搜索中以較嚴格的搜索條件，控制都卜勒頻移等搜索的參數的設置，以較少時間和運算量來搜索到絕大多數有效衛星的信號；而通過在之後的遍歷搜索中對這些搜索參數進行自適應的調整，放寬搜索條件，進一步有效捕獲到衛星。通過本發明的操作，可以在最少時間和最小運算量的代價下搜索到有效衛星的信號，以達到搜索效率、搜索總時間和運算量的最優化，有效減少平均冷啟動時間。另外，根據該方法本發明還提供了相應的實現設備。
文檔編號G01S5/14GK101109793SQ200710044460
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月1日 優先權日2007年8月1日
發明者劉春暉, 張達文, 李興仁, 峻 楊, 楊一茜, 林錦麟, 金榮偉 申請人:上海華龍信息技術開發中心