本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于fft的北斗衛(wèi)星信號快速捕獲方法。

背景技術(shù)：

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國正在實(shí)施的獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前已經(jīng)逐漸投入應(yīng)用。隨著“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”的建成，定位精度將會由米級提高到亞米級、厘米級，可為用戶提供車道級的導(dǎo)航，在未來的無人駕駛車中將會有廣泛的應(yīng)用。

衛(wèi)星定位接收機(jī)可接收全球范圍內(nèi)衛(wèi)星播發(fā)的衛(wèi)星信號并通過解調(diào)解算為用戶提供位置及導(dǎo)航信息。衛(wèi)星定位接收機(jī)可分為硬件接收機(jī)和軟件接收機(jī)兩類。相較于傳統(tǒng)的硬件接收機(jī)，軟件接收機(jī)通過更換內(nèi)部的軟件就可以實(shí)現(xiàn)性能升級，現(xiàn)已成為接收機(jī)設(shè)計(jì)方面研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)信號由衛(wèi)星傳播到地面接收機(jī)時已淹沒在噪聲中，偽隨機(jī)碼碼相位和載波頻率也發(fā)生了變化，需對信號進(jìn)行捕獲將其從噪聲中識別出來.當(dāng)軟件接收機(jī)開始定位時，其首先通過射頻前端接收到視界范圍內(nèi)的衛(wèi)星播發(fā)的信號。然后對接收到的微弱衛(wèi)星信號進(jìn)行放大、變頻，輸出頻率較低的中頻模擬信號。最后經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換模塊輸出數(shù)字化的中頻信號，并將該信號傳給后續(xù)的基帶數(shù)字信號處理部分進(jìn)行處理。基帶數(shù)字信號處理是軟件接收機(jī)的核心，通過依次完成對中頻信號的捕獲、跟蹤、解調(diào)解算來獲得衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，然后利用導(dǎo)航電文即可得出用戶的位置信息。捕獲算法是基帶數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)，其運(yùn)算時間的長短將直接影響接收機(jī)啟動的快慢。北斗cb2i碼碼速率是gpsc/a碼碼速率的兩倍，相應(yīng)的捕獲算法需處理的點(diǎn)數(shù)也會增加，因此需對其捕獲方法進(jìn)行優(yōu)化以減小接收機(jī)時延。

現(xiàn)有技術(shù)的軟件接收機(jī)廣泛采用并行碼相位捕獲算法對衛(wèi)星信號進(jìn)行捕獲。其做法是：將并行碼相位的時域相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為頻域的乘法運(yùn)算，只需對多普勒頻率進(jìn)行一維搜索，無需對信號碼相位進(jìn)行順序搜索，從而在很大程度上降低了算法的運(yùn)算量。fft(fastfouriertransformation，快速傅利葉變換)運(yùn)算是并行碼相位捕獲算法的核心。由于fft運(yùn)算結(jié)構(gòu)的原因，并行碼相位捕獲算法需計(jì)算出所有采樣點(diǎn)處的相關(guān)值。當(dāng)信號采樣頻率較高或所需處理的信號采樣點(diǎn)數(shù)較多時，該算法因運(yùn)算結(jié)構(gòu)較固定，無法根據(jù)需要調(diào)整相關(guān)運(yùn)算間隔的采樣點(diǎn)數(shù)。

目前，很多研究者對fft運(yùn)算結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)研究。例如，文獻(xiàn)一“improvingtheperformanceofthefft-basedparallelcode-phasesearchacquisitionofgnsssignalsbydecompositionofthecircularcorrelation(通過分解循環(huán)卷積提高基于fft的并行碼相位捕獲性能)(25thinternationalmeetingofthesatellitedivisionoftheinstituteofnavigationion.12-17september2012,nashvilletn,pp:1406-1416(導(dǎo)航協(xié)會衛(wèi)星部第25屆國際會議，2012年9月12-17，納什維爾，頁數(shù)：1406-1416))”，采取fir濾波器原理與并行碼相位捕獲算法相結(jié)合的方法，對gpsl1信號進(jìn)行了捕獲。其將信號采樣點(diǎn)分成了奇偶兩部分分別做fft運(yùn)算，然后通過融合算法得到相關(guān)結(jié)果。雖可達(dá)到快速捕獲的效果，但同時算法資源耗費(fèi)也會增加，不利于算法在資源有限的嵌入式平臺上實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)二“jointacquisitionofcmandclcodesforgpsl2civil(l2c)signals.(l2c信號cm碼cl碼聯(lián)合捕獲方法)(proceedingoftheion61stannualmeeting.27-29june2005,cambridge,pp:553-562.(導(dǎo)航協(xié)會第61屆年度會議，2005年6月27-29，劍橋，頁數(shù)：553-562))”，將分段fft算法應(yīng)用到了gpsl2c信號的捕獲中,有效解決了信號fft運(yùn)算點(diǎn)數(shù)較大的問題,但算法組合結(jié)果步驟較復(fù)雜。b2信號cb2i碼是cm碼碼長的1/10，使用該算法將增加捕獲算法的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于fft的北斗衛(wèi)星信號快速捕獲方法，其融合算法簡單易行，在進(jìn)行衛(wèi)星信號快速捕獲的同時不會增加算法資源的耗費(fèi)，有利于捕獲算法在資源有限的嵌入式平臺上實(shí)現(xiàn)。

為解決現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

本發(fā)明的一種基于fft的北斗衛(wèi)星信號快速捕獲方法，包括以下步驟：

步驟1、根據(jù)接收北斗衛(wèi)星信號中頻頻率和多普勒頻移范圍，確定本地載波頻率和搜索步長，產(chǎn)生本地載波信號并對輸入信號進(jìn)行去載波操作產(chǎn)生混頻信號；所述的去載波操作過程為：

x1(n)＝s1(n)*f1(n)(1)

其中，s1(n)為輸入北斗衛(wèi)星中頻信號，f1(n)為本地載波信號，x1(n)為混頻信號；

步驟2、得到所述的混頻信號x1(n)后，將其分成p份并分別做fft運(yùn)算，可得到頻域結(jié)果xi(k)；同時，將所述的北斗衛(wèi)星信號的i支路測距碼cb2i碼h1(n)分成p份做fft運(yùn)算和取共軛操作得到頻域結(jié)果hi*(k)；其中，p為整數(shù)，i∈[0,p-1]；

步驟3、得到所述的頻域結(jié)果xi(k)和頻域結(jié)果hi^*(k)后，再通過融合算法得到頻域相乘結(jié)果y1(k)；

步驟4：得到所述的頻域相乘結(jié)果y1(k)后，對其進(jìn)行ifft操作得到時域相關(guān)結(jié)果y1(n)；

步驟5：檢測所述的時域相關(guān)結(jié)果y1(n)中是否存在超過閾值的峰值；當(dāng)所述的超過閾值的峰值不存在時，表示本地載波頻率與輸入信號頻率不同，需調(diào)整本地載波頻率重復(fù)所述的步驟1—步驟4；當(dāng)所述的超過閾值的峰值存在時，表示捕獲成功。

進(jìn)一步的，在所述步驟2中，根據(jù)式(2)將所述的混頻信號x1(n)分成p份，形成p份長度為的信號，由x0(r)、x1(r)...xp-1(r)表示；然后對上述p份信號并分別做fft運(yùn)算從而得到所述的頻域結(jié)果xi(k)：

xi(k)＝fft(xi(r))i∈[0,p-1](3)

其中，r為整數(shù)變量，變化范圍為0到x0(r)代表第一份信號，由x1(n)中序號為p的整數(shù)倍的采樣點(diǎn)組成的；如第0個采樣點(diǎn)，第p個采樣點(diǎn)，第2p個采樣點(diǎn)，…rp個采樣點(diǎn)；x1(r)代表第二份信號，由x1(n)中序號為p的整數(shù)倍加1的采樣點(diǎn)點(diǎn)組成的，

如第1個采樣點(diǎn)，第p+1個采樣點(diǎn)，第2p+1個采樣點(diǎn)，…rp+1個采樣點(diǎn)；xp-1(r)代表第p份信號，由x1(n)中序號為p的整數(shù)倍加p-1的采樣點(diǎn)組成的，如第p-1個采樣點(diǎn)，第2p-1個采樣點(diǎn)，第3p-1個采樣點(diǎn)，…rp+p-1個采樣點(diǎn)；

根據(jù)式(4)將本地北斗衛(wèi)星信號i支路測距碼cb2i碼h1(n)分成p份做fft運(yùn)算和取共軛操作得到頻域結(jié)果hi^*(k)：

其具體過程為：

其中，r為整數(shù)變量，變化范圍為0到h0(r)代表第一份信號，由h1(n)中序號為p的整數(shù)倍的采樣點(diǎn)組成的，如第0個采樣點(diǎn)，第p個采樣點(diǎn)，第2p個采樣點(diǎn)，…rp個采樣點(diǎn)；h1(r)代表第二份信號，由h1(n)中序號為p的整數(shù)倍加1的采樣點(diǎn)點(diǎn)組成的，如第1個采樣點(diǎn)，第p+1個采樣點(diǎn)，第2p+1個采樣點(diǎn)，…rp+1個采樣點(diǎn)；hp-1(r)代表第p份信號，由h1(n)中序號為p的整數(shù)倍加p-1的采樣點(diǎn)組成的，如第p-1個采樣點(diǎn)，第2p-1個采樣點(diǎn)，第3p-1個采樣點(diǎn)，…rp+p-1個采樣點(diǎn)；式(5)中fft代表快速傅里葉變換操作，*代表取共軛操作；hi^*(k)為對hi(n)進(jìn)行fft變換和取共軛操作后得到的結(jié)果。

進(jìn)一步的，在所述步驟3中，所述的融合算法如式(6)所示：

y1(k)為融合算法所得頻域結(jié)果。

進(jìn)一步的，在所述步驟4中，所述的ifft操作過程為：

y1(n)＝ifft(y1(k))(7)。

進(jìn)一步的，在所述的步驟2中，所述的本地cb2i碼頻域形式hi^*(k)可保存在程序數(shù)組中，以便進(jìn)行多次調(diào)用。

進(jìn)一步的，當(dāng)使用基-2fft結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所述的北斗衛(wèi)星信號快速捕獲方法時，最優(yōu)p值選擇方法過程為：

(1)首先根據(jù)式(8)確定cb2i碼半個碼片采樣點(diǎn)數(shù)l，p值應(yīng)不大于l；

(2)將和表示成式(9)形式,然后確定yn與yp關(guān)系，當(dāng)時，算法最優(yōu)p值為p2，p1、p2為不大于l的整數(shù)；當(dāng)使用混合基fft結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述算法時，最優(yōu)p值為l-1；

其中，fs為采樣頻率，1×10^-3s為cb2i碼周期，2046為cb2i碼碼片數(shù)，l為cb2i碼半個碼片上的采樣點(diǎn)數(shù)；

將和表示成如下形式，xn、xp表示整數(shù)部分，yn、yp表示小數(shù)部分；

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的并行碼相位捕獲算法結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)。本發(fā)明將信號采樣點(diǎn)分成了p份分別做fft運(yùn)算，然后通過融合算法得到相關(guān)結(jié)果?？蓪?shí)現(xiàn)每隔p個采樣點(diǎn)做一次相關(guān)運(yùn)算，并且p值可根據(jù)需要任意選取，算法運(yùn)算結(jié)構(gòu)較靈活。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明融合算法相對簡單，在進(jìn)行衛(wèi)星信號快速捕獲的同時不會增加算法資源耗費(fèi)。有利于其捕獲算法在資源有限的嵌入式平臺上實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的并行碼相位捕獲算法原理圖。

圖2是本發(fā)明的一種實(shí)施例的基于fft的北斗信號快速捕獲方法原理圖。

圖3是本發(fā)明的一種實(shí)施例的方法流程圖。

圖4是本發(fā)明的一種實(shí)施例的兩信號互相關(guān)運(yùn)算過程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的并行碼相位捕獲算法原理圖。

圖2是本發(fā)明的一種實(shí)施例的基于p-fft的北斗b2信號快速捕獲方法原理圖，圖3是該方法的流程圖。

本發(fā)明實(shí)施例的方法的過程包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)接收北斗衛(wèi)星信號中頻頻率和多普勒頻移范圍，確定本地載波頻率和搜索步長，產(chǎn)生本地載波信號并對輸入信號進(jìn)行去載波操作產(chǎn)生混頻信號；所述的去載波操作過程為：

x1(n)＝s1(n)*f1(n)(1)

其中，s1(n)為輸入北斗衛(wèi)星中頻信號，f1(n)為本地載波信號，x1(n)為混頻信號；

步驟2、得到所述的混頻信號x1(n)后，將其分成p份并分別做fft運(yùn)算，可得到頻域結(jié)果xi(k)；同時，將所述的北斗衛(wèi)星信號的i支路測距碼cb2i碼h1(n)分成p份做fft運(yùn)算和取共軛操作得到頻域結(jié)果hi^*(k)；其中，p為整數(shù)，i∈[0,p-1]；

步驟3、得到所述的頻域結(jié)果xi(k)和頻域結(jié)果hi^*(k)后，再通過融合算法得到頻域相乘結(jié)果y1(k)；

步驟4：得到所述的頻域相乘結(jié)果y1(k)后，對其進(jìn)行ifft操作得到時域相關(guān)結(jié)果y1(n)；

步驟5：檢測所述的時域相關(guān)結(jié)果y1(n)中是否存在超過閾值的峰值；當(dāng)所述的超過閾值的峰值不存在時，表示本地載波頻率與輸入信號頻率不同，需調(diào)整本地載波頻率重復(fù)所述的步驟1—步驟4；當(dāng)所述的超過閾值的峰值存在時，表示捕獲成功。

在上述步驟2中，根據(jù)下式(2)將所述的混頻信號x1(n)分成p份，形成p份長度為(n/p)的信號，由x0(r)、x1(r)...xp-1(r)表示；然后對上述p份信號并分別做fft運(yùn)算從而得到所述的頻域結(jié)果xi(k)：

xi(k)＝fft(xi(r))i∈[0,p-1](3)

其中，r為整數(shù)變量，變化范圍為0到x0(r)代表第一份信號，由x1(n)中序號為p的整數(shù)倍的采樣點(diǎn)組成的；如第0個采樣點(diǎn)，第p個采樣點(diǎn)，第2p個采樣點(diǎn)，…rp個采樣點(diǎn)；x1(r)代表第二份信號，由x1(n)中序號為p的整數(shù)倍加1的采樣點(diǎn)點(diǎn)組成的，如第1個采樣點(diǎn)，第p+1個采樣點(diǎn)，第2p+1個采樣點(diǎn)，…rp+1個采樣點(diǎn)；xp-1(r)代表第p份信號，由x1(n)中序號為p的整數(shù)倍加p-1的采樣點(diǎn)組成的，如第p-1個采樣點(diǎn)，第2p-1個采樣點(diǎn)，第3p-1個采樣點(diǎn)，…rp+p-1個采樣點(diǎn)；

根據(jù)式(4)將本地北斗衛(wèi)星信號i支路測距碼cb2i碼h1(n)分成p份做fft運(yùn)算和取共軛操作得到頻域結(jié)果hi^*(k)：

其具體過程為：

其中，r為整數(shù)變量，變化范圍為0到h0(r)代表第一份信號，由h1(n)中序號為p的整數(shù)倍的采樣點(diǎn)組成的，如第0個采樣點(diǎn)，第p個采樣點(diǎn)，第2p個采樣點(diǎn)，…rp個采樣點(diǎn)；h1(r)代表第二份信號，由h1(n)中序號為p的整數(shù)倍加1的采樣點(diǎn)點(diǎn)組成的，如第1個采樣點(diǎn)，第p+1個采樣點(diǎn)，第2p+1個采樣點(diǎn)，…rp+1個采樣點(diǎn)；hp-1(r)代表第p份信號，由h1(n)中序號為p的整數(shù)倍加p-1的采樣點(diǎn)組成的，如第p-1個采樣點(diǎn)，第2p-1個采樣點(diǎn)，第3p-1個采樣點(diǎn)，…rp+p-1個采樣點(diǎn)；式(5)中fft代表快速傅里葉變換操作，*代表取共軛操作；hi^*(k)為對hi(n)進(jìn)行fft變換和取共軛操作后得到的結(jié)果。

另外，在上述的步驟2中，由于需對載波頻率進(jìn)行多次搜索，所以，所述的本地cb2i碼頻域形式hi^*(k)可保存在程序數(shù)組中，以便進(jìn)行多次調(diào)用。

在上述步驟3中，所述的融合算法如下式(6)所示：

y1(k)為融合算法所得頻域結(jié)果。

本發(fā)明的算法將待處理信號分成了p份，每一份單獨(dú)進(jìn)行fft運(yùn)算。由上式(6)可知，在頻域內(nèi)y1(k)對應(yīng)混頻信號xi(k)與本地cb2i碼做相乘運(yùn)算，再做加和；對應(yīng)在時域內(nèi)xi(r)與hi(r)做互相關(guān)運(yùn)算再做加和。

在上述步驟4中，所述的ifft操作過程為：

y1(n)＝ifft(y1(k))(7)。

當(dāng)使用基-2fft結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所述的北斗衛(wèi)星信號快速捕獲方法時，最優(yōu)p值選擇方法過程為：

(1)首先根據(jù)式(8)確定cb2i碼半個碼片采樣點(diǎn)數(shù)l，p值應(yīng)不大于l；

(2)將和表示成式(9)形式,然后確定yn與yp關(guān)系，當(dāng)時，算法最優(yōu)p值為p2，p1、p2為不大于l的整數(shù)；當(dāng)使用混合基fft結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述算法時，最優(yōu)p值為l-1；

其中，fs為采樣頻率，1×10^-3s為cb2i碼周期，2046為cb2i碼碼片數(shù)，l為cb2i碼半個碼片上的采樣點(diǎn)數(shù)；

將和表示成如下形式，xn、xp表示整數(shù)部分，yn、yp表示小數(shù)部分；

此處取p＝3進(jìn)行示例分析：當(dāng)n增加1時，hi(r)均向右移動一位，則h1(n)序列相較于原序列移動了三個采樣點(diǎn)。當(dāng)n＝m時，y1(n)則代表第3m個采樣點(diǎn)處的相關(guān)值。相當(dāng)于兩信號每隔3個采樣點(diǎn)做一次相關(guān)運(yùn)算。相比于現(xiàn)有技術(shù)的算法每1個采樣點(diǎn)做一次相關(guān)運(yùn)算，本發(fā)明算法可有效減少算法計(jì)算量，加快了信號捕獲速度。

圖4是本發(fā)明的一種實(shí)施例的兩信號互相關(guān)運(yùn)算過程圖。本發(fā)明實(shí)施例的方法將待處理信號分成了p份，每一份單獨(dú)進(jìn)行fft運(yùn)算。由式(6)可知，在頻域內(nèi)y1(k)對應(yīng)混頻信號xi(k)與本地cb2i碼做相乘運(yùn)算，再做加和；對應(yīng)在時域內(nèi)xi(r)與hi(r)做互相關(guān)運(yùn)算再做加和。兩信號互相關(guān)運(yùn)算過程如圖4所示，此處取p＝3為例進(jìn)行示例分析。當(dāng)n增加1時，hi(r)均向右移動一位，則h1(n)序列相較于原序列移動了三個采樣點(diǎn)。當(dāng)n＝m時，y1(n)則代表第3m個采樣點(diǎn)處的相關(guān)值。相當(dāng)于兩信號每隔3個采樣點(diǎn)做一次相關(guān)運(yùn)算。相比于現(xiàn)有技術(shù)的方法每1個采樣點(diǎn)做一次相關(guān)運(yùn)算，本發(fā)明方法可有效減少算法計(jì)算量，加快信號捕獲速度。