[发明专利]一种COMPASS信号的快速捕获方法

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航领域，具体涉及COMPASS信号的捕获方法。

背景技术

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，分为北斗一代(Beidou I)和北斗二代(COMPASS或Beidou II)两个阶段。COMPASS卫星导航系统建成后将提供两种服务，一种是针对非授权用户的开放服务，另一种是针对授权用户的授权服务。开放服务在全球范围内定位精度可达10m，授时精度可达20ns，测速精度为0.2m/s。授权服务可以提供更高精度的定位、授时、测速服务。局部区域内差分定位精度可以达到1m，并且可以利用COMPASS卫星进行报文通信。

COMPASS卫星导航系统与GPS、伽利略系统在载波频率、信号结构和定位原理等方面有很多相似之处。根据国际电信联盟的登记，COMPASS卫星将发射B1、B2、B3、B1-2四种频率的信号，这些信号均采用QPSK调制，B3为单通道信号，B1、B2、B1-2信号分为同相I和正交Q两个通道，其中，I通道由余弦载波调制，开发服务，Q通道由正弦载波调制，授权服务，接收信号可以表示为：

s_b(b)＝D(t-τ_d)C(t-τ_d)exp(j2πf_Dt+θ)+n_b(t)

其中，D(t)为导航电文，C(t)为扩频码序列，τ_d为时延，f_D为包含多普勒频移的载波频率，θ为初始相位，n_b(t)为噪声，t为信号产生时间。

B1和B2上调制的伪随机码都是码长2046bits的Gold码，由11级移位寄存器产生，B1的I通道Gold码是由两个11级移位寄存器模2和生成。

目前，导航卫星信号的常见捕获方法主要有三种：

(1)滑动相关捕获法

滑动相关捕获算法采用码相关器和载波相关器，对码相位和载波进行串行的搜索方式。先设置载波频率为某一值，在这个基础上将当地产生的某一卫星的伪随机码码元每次移动1/2位，与输入信号进行相关运算，每次的相关结果与捕获门限进行比较。如果当地码元移动了一个伪随机码周期时仍未超过捕获门限，则重新设置载波频率，再次重复上述过程；只有当载波频率、当地码元与信号的真实值接近时，相关结果会超过捕获门限，如果遍历所有情况仍然未超过捕获门限，则说明信号中不存在该卫星的信号。

滑动相关捕获法运算量非常大，一般适合硬件处理，软件接收机采用滑动相关捕获法的话，捕获速度会非常慢。该搜索方法的优点是结构简单清晰，易于实现，缺点是搜索耗时较长。

(2)频域并行捕获算法

由于滑动相关捕获算法运算量大，要搜索到全部可视卫星需要时间很长，如果对两个需要搜索的方面同时进行，可以大大地节省时间，基于这种思想就有了频域并行捕获算法。频域并行捕获算法计算过程是本地产生的所对应卫星的伪随机码序列，输入信号先与本地伪随机码相乘解扩，相乘后的信号通过FFT转换到频域。只有当本地伪随机码和输入信号的码相位接近时，FFT后输出的频域信号波形将显示一个特别的峰值，这个峰值对应的一个频率点，如果这个峰值大于预设门限，该频率就是捕获到的载波频率，该峰值对应的码相位就是捕获到的码相位。如果输入信号中含有其他卫星的信号，由于各个卫星的伪随机码具有良好的自相关性，但其互相关性很差，所以其他卫星信号与本地伪随机码相乘后将被衰减而没有出现显著的峰值。

滑动相关捕获要分别搜索码相位和载波频率，而频域并行捕获只需搜索码相位，减少了运算量，但要对每个码相位作一次FFT，增加了运算复杂程度。

(3)码相位并行捕获法

搜索空间的码相位数量大于频率数量，频域并行捕获省去了频率搜索，但增加了每个码相位的FFT变换，如果对码相位搜索并行处理而频率搜索串行处理，则总耗时将比滑动相关捕获和频域并行捕获都小，根据这种思路设计了并行码相位捕获算法。

接收输入信号先与本地载波相乘解调得到X(n)，然后进行FFT运算变换到频域。本地伪随机码先FFT变换到频域，再作复共轭变换后与X(n)的频域信号相乘，其结果再通过IFFT输出，结果反映了输入信号和本地伪随机码的相关性。如果输出信号出现相关峰，如果峰值大于预设门限，则峰值对应的码相位就是捕获到的码相位，对应的频率就是捕获到的载波频率。