基于伪码重构的伪码捕获方法及装置

摘要

本发明涉及卫星导航及通信领域，提供一种伪码重构方法，其特征在于包括如下步骤：根据采样率fs、伪码速率fc和FFT长度2N，计算重构参数K；根据待搜索的码相位范围，按伪码速率生成本地伪码序列，并按如下方式对其进行重构：用第2(i-1)+K个码片替代第2i个码片，其中i＝1,2,3,...，直到处理完整个伪码序列;S3）按采样率fs对重构后的本地伪码序列进行采样；S4）从步骤S3生成的采样信号中选择2N点信号，然后进行FFT运算；S5）将步骤S03和步骤S4的结果相乘并进行IFFT处理，然后得到2N个相关值，保留前N+1个相关值，丢弃后N-1个相关值；S6）若前N+1个相关值中最大相关值大于预设的捕获门限，则根据该最大相关值所对应的码相位M，对第M和M+K个码相位进行检测，以去除因重构导致的码相位模糊。本发明不仅适用于时分数据复用长码信号，而且具有运算量小、捕获速度快的优点，方法简单易行。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航及通信领域，尤其涉及一种基于伪码重构的伪 码捕获方法。

背景技术

全球导航卫星系统，包括GPS、GAL ILEO、GLONASS、COMPASS等， 均通过扩频序列来对信号进行扩频，为用户提供伪距信息和数据信息， 进而为用户提供定位服务。扩频技术中，一种是采用传统的长周期扩 频序列（简称长码）对信号进行扩频、加密，例如GPS P（Y）码信号， 其采用逐码片数据调制方式即导航电文会调制每个伪码码片，这使得 P(Y)码信号的捕获、跟踪等性能受到了限制。另一种是采用时分数据 复用长码信号，由于导航电文仅调制伪码序列的奇码片而不调制偶码 片，可通过长时预检测积分获得更好的捕获、跟踪性能，以进一步提 高系统的抗干扰能力。

对伪码进行捕获是导航系统工作的前提条件。只有完成了伪码捕 获才能在接收端与发射端建立同步，才能在接收端实现伪距测量，进 而为用户提供定位服务。现有技术中，常用的伪码捕获方法有分段补 零算法（主要原理如图1所示）、扩展复制重叠捕获搜索技术（XFAST， Extended replica Folding Acquisition Search Technique）（主要 原理如图2所示）、奇偶码片触发开关伪码捕获方法，其中分段补零算 法、XFAST是全球导航卫星系统中针对以GPS P(Y)码为代表的传统长 码信号（即未使用时分数据复用技术的导航信号）比较常用的伪码捕 获方法，若采用这两种方法，一旦奇码片上导航电文为“-1”，将会导 致奇、偶码片能量抵消，进而造成捕获失败。因此，已有的针对传统 长码信号的伪码捕获方法并不适用于时分数据复用长码信号。奇偶码 片触发开关伪码捕获方法是针对时分数据复用长码信号专门设计的一 种伪码捕获方法，该方法只能采用时域相关技术实现，但时域相关技 术存在运算量较大、捕获速度较慢的问题。

发明内容

（一）技术问题

现有的伪码捕获方法不适用于时分数据复用长码信号，而且存在 计算量较大、捕获速度较慢的问题。

（二）技术方案

本发明提供一种伪码重构方法，其特征在于包括如下步骤：

S1）根据采样率f_s、伪码速率f_c和FFT长度2N，计算重构参数K：

其中表示不大于的最大整数；

S2）根据待搜索的码相位范围，按伪码速率生成本地伪码序列，并 按如下方式对其进行重构：用第2(i-1)+K个码片替代第2i个码片，其 中i＝1,2,3,...，直到处理完整个伪码序列;

S3）按采样率f_s对重构后的本地伪码序列进行采样；

可选的，所述采样率f_s为10.23MHz，伪码速率f_c为5.115MHz，N 的取值为2048。

本发明还提供一种基于伪码重构的伪码捕获方法，其包括前面所 述的伪码重构方法，还包括下述步骤：

S01）对经接收机前端处理后的信号，按采样率f_s进行A/D采样， 生成采样后的数字信号；

S02）将所述采样后的数字信号下变频到基带，并选择N个采样点， 然后补充N个零，得到2N点信号；

S03）对所述2N点信号进行FFT和共轭处理；

可选的，所述伪码捕获方法在对重构后的本地伪码序列进行采样 后还包括下述步骤：

S4）对步骤S3中生成的采样信号中选择2N点信号，然后进行FFT 运算；

S5）将步骤S03和步骤S4的结果相乘并进行IFFT处理，然后得到 2N个相关值，保留前N+1个相关值，丢弃后N-1个相关值；

S6）若前N+1个相关值中最大相关值大于预设的捕获门限，则根据 该最大相关值所对应的码相位M，对第M和M+K个码片进行检测，以去 除因重构导致的码相位模糊；

S7）若前N+1个相关值中不存在大于预设门限的相关值，则移动 本地码相位，重复步骤S3~S6，对后续码相位进行搜索 直到搜索完整个码相位空间或找到大于预设捕获门限的相关值为止， 表示不小于f_s/f_c的最小整数。

本发明提供一种伪码重构装置，其包括：

重构参数计算单元，用于根据采样率f_s、伪码速率f_c和FFT长度2N 计算重构参数K：

重构单元，用于根据待搜索的码相位范围，按伪码码速率生成本地 伪码序列，并按所述重构参数K对其进行重构：用第2(i-1)+K个码片 替代第2i个码片，其中i＝1,2,3,...，直到处理完整个伪码序列;

采样单元，用于按采样率f_s对重构后的本地伪码序列进行采样，生 成采样后的本地伪码信号；

本发明提供一种包括前面所述伪码重构装置的伪码捕获装置，其还 包括：

A/D单元，用于对模拟信号按采样率f_s进行数字采样，生成采样后 的数字信号；

N点选择单元，用于将所述采样后的信号数字下变频到基带，并选 择N个采样点，得到N点信号；

补零单元，用于在N点接收信号后面补充N个零，得到第一2N点 信号；

FFT/共轭单元，用于对所述第一2N点信号进行快速傅里叶变换和 共轭运算，生成第一频域共轭信号；

可选的，所述伪码捕获装置还包括：

本地伪码发生器，用于生成本地长周期扩频码；

2N点选择单元，用于从所述采样后的本地伪码信号中选择第二2N 点信号；

FFT单元，用于对所述第二2N点信号进行快速傅里叶变换，生成第 二频域信号；

IFFT单元，用于将第一频域共轭信号和第二频域信号相乘并对乘积 进行IFFT处理，然后得到2N个相关值，保留前N+1个相关值，丢弃 后N-1个相关值；

比较单元，用于将前N+1个相关值中的最大相关值与预设的捕获门 限进行比较；

去模糊单元，用于：在最大相关值大于预设的捕获门限时，根据该 最大相关值对应的码相位，对重构后的本地伪码序列进行检测以找出 与接收信号对齐的码相位；

本地伪码调整单元，用于在前N+1个相关值中的最大相关值不大于 预设的捕获门限时，调整本地伪码发生器使生成的本地伪码序列与接 收信号间产生码相位滑动。

（三）技术效果

本发明不仅适用于时分数据复用长码信号，而且具有运算量小、捕 获速度快的优点，方法简单易行。

附图说明

图1为现有技术中分段补零算法的原理图；

图2为现有技术中扩展复制重叠捕获搜索技术XFAST的原理图；

图3为本发明基于伪码重构的伪码快速捕获方法的流程图；

图4为本发明基于伪码重构的伪码快速捕获装置的结构图。

图4为应用分段补零方法的捕获结果

图5为应用本发明基于伪码重构的伪码快速捕获方法的捕获结果；

图6为应用本发明进行伪码捕获所节省的乘法运算量；

图7为应用本发明进行伪码捕获所节省的加法运算量；

具体实施方式

本发明通过对本地伪码进行重构，改变伪码序列固有的内在关系， 使接收信号奇、偶码片不可能同时与本地信号对齐，即当接收信号奇 码片与本地信号对齐时偶码片不可能与本地信号对齐，当接收信号偶 码片与本地信号对齐时奇码片不可能与本地信号对齐。这样，就可以 避免奇、偶码片同时对齐所导致的奇、偶码片能量抵消问题，然后在 此基础上使用频域相关技术实现对伪码的快速捕获，如图3所示是本 发明的原理图。由于本方法是通过重构本地伪码进行的，不需要奇偶 码片触发开关进行控制，因此可以采用频域相关技术来实现，进而达 到减小计算量、提高捕获速度的目的。

实施例1：

具体地，本发明提供一种基于伪码重构的快速捕获方法，其具体包 括如下步骤：

1）对经接收机前端处理后的信号，按采样率f_s进行A/D采样，生 成采样后的数字信号；

2）将所述采样后的数字信号下变频到基带，并选择N个采样点， 然后补充N个零，得到2N点信号；

3）对所述2N点信号进行FFT和共轭处理；

4）根据采样率f_s、伪码速率f_c和FFT长度2N，计算重构参数K：

其中表示不大于的最大整数；

5）根据待搜索的码相位范围，按伪码码速率生成本地伪码序列， 并按如下方式对其进行重构：用第2(i-1)+K个码片替代第2i个码片， 其中i＝1,2,3,...，直到处理完整个伪码序列;

6）按采样率f_s对重构后的本地伪码序列进行采样；

7）对步骤6中生成的采样信号中选择2N点信号，然后进行FFT运 算；

8）将步骤3和步骤7的结果相乘并进行IFFT处理，然后得到2N 个相关值，保留前N+1个相关值，丢弃后N-1个相关值；

9）若步骤8中最大相关值大于预设的捕获门限，则根据该最大相 关值所对应的码相位（假定为M），对第M和M+K个码片进行检测，以 去除因重构导致的码相位模糊；

若步骤8中不存在大于预设门限的相关值，则移动本地码相位，重复步骤6~9，对后续码相位进行搜索直到搜索完整个码 相位空间或找到大于预设捕获门限的相关值为止，表示不小于 f_s/f_c的最小整数。

实施例2：

下面以具体参数为例讲述该方法的实施步骤，方法的实施并不局限 于这些具体的参数，可以灵活选择，各实施步骤如下：

对经接收机前端处理后的信号，按10.23MHz采样率进行A/D采样；

将步骤1采样后的信号数字下变频到基带，并选择2048个采样点， 然后补充2048个零，得到4096点信号，然后进行FFT和共轭处理；

根据采样率为f_s=10.23MHz、伪码速率f_c=5.115MHz和FFT长度4096， 可得重构参数K=1025；

根据待搜索的码相位范围，以5.115MHz伪码速率生成本地伪码。 用第1025个码片代替第2个码片，用第1027个码片代替第4个码片， 用第1029个码片代替第6个码片，…，依次处理后续码片，直到处理 完所生成的伪码序列；

以10.23MHz采样率对重构后的本地伪码序列进行采样；

从步骤5中选择4096点信号，然后进行FFT运算；

将步骤2和步骤6所得结果相乘并进行IFFT运算，然后得到4096 个相关值，保留前2049个相关值，丢弃后2047个相关值；

若步骤7中最大相关值大于预设捕获门限，则根据该最大相关值所 对应的码相位（假定为M）对第M和1025+M个码片进行检测，以去除 因重构导致的码相位模糊；

若步骤7中不存在大于预设捕获门限的相关值，则移动4094本地 码相位，重复步骤6~9，对后续码相位进行搜索，直到搜索完整个码相 位空间或找打大于预设捕获门限的相关值为止。

实施例3：

本发明还提供一种基于伪码重构快速捕获装置，该装置包括如下部 件：

A/D单元，用于对模拟信号按采样率f_s进行数字采样，生成采样后 的数字信号；

N点选择单元，用于将所述采样后的信号数字下变频到基带，并选 择N个采样点，得到N点信号；

补零单元，用于在N点接收信号后面补充N个零，得到第一2N点 信号；

FFT/共轭单元，用于对所述第一2N点信号进行快速傅里叶变换和 共轭运算，生成第一频域共轭信号；

本地伪码发生器，用于生成本地长周期扩频码；

重构参数计算单元，用于根据采样率f_s、伪码速率f_c和FFT长度2N 计算重构参数K：

重构单元，用于根据待搜索的码相位范围，按伪码码速率生成本地 伪码序列，并按所述重构参数K对其进行重构：用第2(i-1)+K个码片 替代第2i个码片，其中i＝1,2,3,...，直到处理完整个伪码序列;

采样单元，用于按采样率f_s对重构后的本地伪码序列进行采样，生 成采样后的本地伪码信号；

2N点选择单元，用于从所述采样后的本地伪码信号中选择第二2N 点信号；

FFT单元，用于对所述第二2N点信号进行快速傅里叶变换，生成第 二频域信号；

乘法器，用于将第一频域共轭信号和第二频域信号相乘；

IFFT单元，用于对乘积进行IFFT处理，然后得到2N个相关值，保 留前N+1个相关值，丢弃后N-1个相关值；

比较单元，用于将前N+1个相关值中的最大相关值与预设的捕获门 限进行比较；

本地伪码调整单元，：调整本地伪码发生器使生成的本地伪码序列 与接收信号间产生码相位滑动；

去模糊单元：根据该最大相关值对应的码相位，对重构后的本地伪 码序列进行检测，找出与接收信号对齐的码相位；

如图4所示是采用已有的分段补零方法对时分数据复用长码信号捕 获时所得的结果。从图中可以看到，当导航电文为“+1”时，可看到 明显的相关峰值，此时捕获成功。但当导航电文为“-1”时，找不到 明显的相关峰，此时捕获失败。当采用XFAST等传统伪码捕获方法进 行捕获时，所得结果与之相似。由此可见，传统伪码捕获方法不适用 于时分数据复用长码信号。

图5给出了当采用本发明所提新方法时的捕获效果。从图中可见， 无论导航电文为“+1”还是“-1”，该新方法均有明显的相关峰存在， 能完成伪码捕获工作。这说明，本发明所提新方法适用于时分数据复 用长码信号。

本发明采用频域相关技术来实现本地信号与接收信号间相关，相比 只能采用时域相关技术的奇偶触发开关捕获方法，可以大大节省运算 量。图6、图7给出了在不同N时（2N表示FFT长度），本发明与奇偶 触发开关方法相比所节省的乘法运算量和加法运算量。以常用的FFT 长度2048计，从图6、7中可以看到，本发明提出的新方法和新设备 可节省99%乘法运算量和98%的加法运算量，因为大大节省了的运算量， 从而可大大提高伪码捕获速度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。