专利名称：全球卫星导航系统信号捕获扫频系统及其捕获方法
技术领域：
本发明涉及的是一种信号处理技术领域的方法，具体是一种全球卫星导航系统(GNSS)信号捕获扫频系统及其捕获方法。
背景技术：
在卫星导航领域中，需要对空间中的GNSS信号进行捕获，而由于卫星信号本身信号弱，易受干扰，难以捕获。此外，由于卫星运动的高速性，传送信号产生了较大的多普勒频偏。为了能够捕获到正确的信号，就必须获得接收信号的频率，所以正确得到信号的多普勒频率也就特别重要，这是后续的信号处理的前提，否则就无法获取正确的导航电文。而信号捕获时的扫频就是对估计的多普勒频偏进行尝试，先得到它的粗略范围，然后再进行细化。但是扫频时，对可能的多普勒频偏尝试时，需要对接收信号和本地的载波，伪随机码片进行复杂的操作，这些在硬件处理上运行时，时间运算以及空间内存存储上都有很大的限制和消耗，所以在高速实时动态处理中，必须采取更加优化的方法来达到扫频的目的。
经过对现有技术的文献和专利的搜索发现 中国发明专利《一种卫星定位用GNSS中频调制信号数字化采集装置》(申请号200710179978. 9)，以及《一种GPS定位方法及基于双核处理器的GPS软件接收机》(申请号200810024488. 6)基本描述了 GNSS信号捕获时候采用的并行码片搜索方法，并且提出了双核处理器的概念，但是对于扫频的情况，依旧沿用了传统的方法，有很大的局限性，而且实际的工程效果不是很理想。 中国发明专利《在GPS信号捕获中的振荡器频率校正》(申请号03809592.0)提
到了多普勒频移时需要对载波频率进行校正，但是却没有对扫频方案给出优化，使得上述的问题依旧存在。以及中国发明专利《一种GPS的C/A码信号的捕获方法》也存在同样的使用最原始的方法问题。没有对扫频方法进行任何优化和改进，导致内存空间过于庞大，计算的时间复杂度也很高。

发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种全球卫星导航系统信号捕获扫频系统及其捕获方法，是通过在复数域上的频谱移位来达到时域上的频率产生的相位变化，提高了硬件的速度，减少了内存储量，达到了扫频时的优化目的。
本发明是通过以下技术方案实现的 本发明涉及全球卫星导航系统信号捕获扫频系统，包括前端接收数据模块和与之相连接并接收调制序列的FPGA数据处理模块，其中 前端接收数据模块包括第一乘法器、带通滤波器和模数采样器，其中第一乘法器接收前端信号并与本地载波解调后输出中频调制信号至带通滤波器，带通滤波器的输出端与模数采样器相连接以输出放大信号，模数采样器将放大信号数字化后得到调制序列；
FPGA数据处理模块包括存储器、巻积器、码片频域库、移位控制器和第二乘法器，其中存储器将前端接收数据模块输出的调制序列存储后输出至巻积器进行快速傅里叶变换得到中频频域信号，巻积器、码片频域库和移位控制器分别与第二乘法器相连接以输出中频频域信号、历史频域信号和移位信息，第二乘法器输出扫频结果。
所述的中频调制信号包括中频频率及多普勒频偏； 本发明涉及上述全球卫星导航系统信号捕获扫频系统的捕获方法，包括以下步骤 步骤一，前端接收数据模块接收到的GNSS信号后经过下变频得到了中频调制信号，对该中频调制信号进行去除载波处理得到调制序列x(n)。
所述的中频调制信号包括中频频率&和多普勒频偏fD。p ; 所述的去除载波处理是指利用中频fl得到本地载波信号并与中频调制信号进行相乘消除中频影响，得到调制序列x(n)，该调制序列的个数为N'。 步骤二，对调制序列x (n)进行N点的快速傅里叶变换，其中N = 2N'，对于调制序列中超过N'的长度补零。 所述的N点的N点的快速傅里叶变换是指<formula>formula see original document page 5</formula>
其中按照k的奇偶性将调制频域序列X(k)分为两部分<formula>formula see original document page 5</formula> 其中7 = C)，V''，Y —i上述的快速傅里叶变换得到的调制频域序列X(K)共有N
个值，其序数为偶数的部分，X(0)、X(2)、…、X(N-2)相当于传统方法的信号做N'点的快速傅里叶变换得到的结果。 步骤三，根据加密的移位寄存器得到本地粗码捕获码片y (n)，对y (n)进行N点的快速傅里叶变换得到本地粗码捕获码片频域序列Y(K); 步骤四，将本地粗码捕获码片频域序列Y(K)循环右移一位或循环左移一位，得到YJK)和YJK)分别与调制频域序列X(K)相乘得到频谱移位序列ZJK)和ZjK)，每移动一
位改变一个单位的^多普勒效应影响，实现对全球卫星导航系统信号的捕获。 本发明通过将码片频域序列移位后与接收信号频域相乘即可以实现不同多普勒
频率对接收信号影响所得到的各种结果。该发明技术的理论正确性可以通过上述的时域和
频域间的频率影响关系得到，而实践上的准确性和优越性已经得到了证实。 与现有技术相比，本发明存储量极小，不需要扫频时产生各种不同频率的载波信
号来进行剥离接收信号。这些庞大的不同多普勒频率的载波信号一般是事前存储在硬件的外存中，而本发明只需要存储一个载波频率即可。其次，本发明的计算量较小，可以满足一定范围内的实时要求，传统的方案，需要对不同多普勒频率的载波信号和接收信号进行复杂计算，涉及到大点数的FFT，复数乘法等等。而本发明利用移位的原理，只需要做一次，大大简化了捕获的时间。最后，理论推导和实验得到的数据表明该发明得到的结果正确性和精度在原方案的可接受范围内。本发明可以推广到任意多普勒频偏增减变化的场景，具有很好的扩展性。


图1为本发明结构示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 如图1所示，本实施例包括前端接收数据模块和与之相连接并接收调制序列的FPGA数据处理模块，其中 前端接收数据模块包括第一乘法器、带通滤波器和模数采样器，其中第一乘法器接收前端信号并与本地载波解调后输出中频调制信号至带通滤波器，带通滤波器的输出端与模数采样器相连接以输出放大信号，模数采样器将放大信号数字化后得到调制序列；
FPGA数据处理模块包括存储器、巻积器、码片频域库、移位控制器和第二乘法器，其中存储器将前端接收数据模块输出的调制序列存储后输出至巻积器进行快速傅里叶变换得到中频频域信号，巻积器、码片频域库和移位控制器分别与第二乘法器相连接以输出中频频域信号、历史频域信号和移位信息，第二乘法器输出扫频结果。
所述的中频调制信号包括中频频率及多普勒频偏；本实施例中的中频调制信号为4. 129MHz，模数采样器的采样频率为16. 368MHz。 FPGA模块采用Xilinx的Spartan3系列，PR0M可以利用配套的XCS32P来完成。 本实施例中，多普勒频移的范围为_7腿2 71(^，扫频的步长为500Hz，采样频率为
16. 368MHz，中频为4. 129MHz，码片的生成速率为1. 023MHz，导航电文为50bps，每次硬件
FPGA和DSP处理的信号为lms，则处理的采样点数为16368。 本实施例具体通过以下步骤实现全球卫星导航系统信号的捕获 步骤一，前端接收数据模块接收到的GNSS信号后经过下变频得到了含有中频调
制的信号点数16368个，对该信号进行去除载波处理。 所述的载波处理，即用中频4. 129MHz产生载波并且存储到FPGA的RAM里面，用来剥去中频调制。 步骤二，对步骤一中去除载波后的信号进行32768个点的FFT (16384*2)，不足的部分补零，得到复频域上的信号X(K)，长度为32768。 步骤三，产生本地的C/A码片(粗码/捕获)，码片的原始长度为1023，根据采样定理，同样计算得到16368个采样后的码片，进行32768个点的FFT，得到Y (K)，存储在硬件设备中。
步骤四，将Y(K)左右滑动相应的位数，再与X(K)相乘，得到不同的值Z(K)，取其偶
数序数的部分，就是不同的多普勒频移影响后的结果。
所述的滑动的每一位，在频域上可以产生的多普勒频移为W32768 ，就达
到了扫频的目的。
所述相乘的操作可以优化为下面的图表
柳
X(l)
潜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)
为了窗口滑动的方便，「的长度增加了14，足将Y的最后14个数据提到Y'的最前面，将
X与Y'对应的每一位相乘，得到Z，就得到了多普勒频移为 JV 的结果，将Y'每次
13*^ = 6.5版
向左移动一位，再"X相乘，这样得到的结果，为多普勒频移 W 。以此重复，
便可以对要求的步长进行扫频，达到优化的结果。
工程中的GNSS信号捕获优化扫频方法及其装贾的实现可以按照上述专利方法，根据装贾图，釆用Xilinx的Spartan3系列的FPGA作为硬件基础來实现，所要用到的空间人小和计算时间的耗费，在下面的"IH方案的对比分析中进行了阐述。
该GNSS信号捕获优化扫频方法及其装贾实现得到的实施例和传统的技术参数对比足明显的。该方法所需要的存储空间相对于传统方法，减少了约1.8M字节(28*2*16384*16bit)的外设存储空间，优化后的方案使用的空间相当于原來的1/30。同时减少了约28*2*16384次的short类型的乘法计算。而且扫频的步长和范M，可以根据不同的情况进行调整，^冇很好的扩展性。
权利要求
一种全球卫星导航系统信号捕获扫频系统，包括前端接收数据模块和与之相连接并接收调制序列的FPGA数据处理模块，其特征在于前端接收数据模块包括第一乘法器、带通滤波器和模数采样器，其中第一乘法器接收前端信号并与本地载波解调后输出中频调制信号至带通滤波器，带通滤波器的输出端与模数采样器相连接以输出放大信号，模数采样器将放大信号数字化后得到调制序列；FPGA数据处理模块包括存储器、卷积器、码片频域库、移位控制器和第二乘法器，其中存储器将前端接收数据模块输出的调制序列存储后输出至卷积器进行快速傅里叶变换得到中频频域信号，卷积器、码片频域库和移位控制器分别与第二乘法器相连接以输出中频频域信号、历史频域信号和移位信息，第二乘法器输出扫频结果。
2. —种根据权利要求1所述的全球卫星导航系统信号捕获扫频系统的捕获方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一，前端接收数据模块接收到的GNSS信号后经过下变频得到了中频调制信号，对该中频调制信号进行去除载波处理得到调制序列x(n);步骤二，对调制序列x(n)进行N点的快速傅里叶变换，其中N二 2N'，对于调制序列中超过N'的长度补零；步骤三，根据加密的移位寄存器得到本地粗码捕获码片y (n)，对y (n)进行N点的快速傅里叶变换得到本地粗码捕获码片频域序列Y(K);步骤四，将本地粗码捕获码片频域序列Y(K)循环右移一位或循环左移一位，得到Y1(K)和Y2(K)分别与调制频域序列X(K)相乘得到频谱移位序列Z1(K)和Z2 (K)，每移动一位改变一个单位的4多普勒效应影响，实现对全球卫星导航系统信号的捕获。
3. 根据权利要求2所述的全球卫星导航系统信号捕获扫频系统的捕获方法，其特征是，所述的中频调制信号包括中频频率fl和多普勒频偏fDop。
4. 根据权利要求2所述的全球卫星导航系统信号捕获扫频系统的捕获方法，其特征是，所述的去除载波处理是指利用中频fl得到本地载波信号并与中频调制信号进行相乘消除中频影响，得到调制序列x(n)，该调制序列的个数为N'。
5. 根据权利要求2所述的全球卫星导航系统信号捕获扫频系统的捕获方法，其特征是，所述的N点的N点的快速傅里叶变换是指<formula>formula see original document page 2</formula>其中按照k的奇偶性将调制频域序列X(k)分为两部分<formula>formula see original document page 2</formula>其中r = 0,1,'"，^-1上述的快速傅里叶变换得到的调制频域序列X(K)共有N个值，其序数为偶数的部分，X(0)、X(2)、…、X(N-2)相当于传统方法的信号做N'点的快速傅里叶变换得到的结果。
全文摘要
一种信号处理技术领域的全球卫星导航系统信号捕获扫频系统及其捕获方法，包括前端接收数据模块接收到的GNSS信号后经过下变频得到了中频调制信号，对该中频调制信号进行去除载波处理得到调制序列。对调制序列进行N点的快速傅里叶变换，根据加密的移位寄存器得到本地粗码捕获码片，对进行N点的快速傅里叶变换得到本地粗码捕获码片频域序列；将本地粗码捕获码片频域序列循环右移一位或循环左移一位，分别与调制频域序列相乘得到频谱移位序列，每移动一位改变一个单位的多普勒效应影响，通过将码片频域序列移位后与接收信号频域相乘即可以实现不同多普勒频域对接收信号影响所得到的各种结果。
文档编号G01S19/39GK101788677SQ201010300278
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者刘婷, 张鹏, 杨峰, 邱方, 陈晨 申请人:上海交通大学