定位接收机单通道多卫星并行搜索方法.pdf

本发明涉及定位接收机单通道多卫星并行搜索方法。针对冷启动模式下，本发明在卫星搜索过程中，用多个伪随机码发生器替代单一伪随机码发生器，在同一时间段内做一次累加即可同时判断出多颗卫星在当前载波频率和伪随机码片偏移上是否可见，从而达到快速搜索卫星的目的。本发明解决了为缩短卫星搜索时间，硬件规模成倍扩大，导致硬件成本增加的问题。

1、  定位接收机单通道多卫星并行搜索方法，包括如下步骤：
1)初始化卫星信号载波频率为射频前端的中心频率；
2)初始化通道内的若干伪随机码发生器为不同卫星编号的组合；
3)在信号搜索阶段，将多个伪随机码的数学和在一个伪随机码周期内做积分累加；
4)根据累加和的大小判断卫星是否可见，以及其载波频率和伪随机码片偏移是否匹配；
5)若没有卫星匹配，重复步骤(1)。

2、  根据权利要求1所述定位接收机单通道多卫星并行搜索方法，其特征在于：所述累加值判断卫星是否可见的步骤如下：
1)如果累加值小于预先设定的门限，则将伪随机码的码片偏移向后推移半个码片；继续累加；
2)如果累加值大于或者等于预先设定的门限：
a)只留下一个卫星编号的伪随机码发生器，关闭其他的伪随机码发生器，做一个伪随机码周期的积分累加，判断是否该卫星在视野范围内；
b)如果该卫星的累加值大于或者等于门限，则该卫星即为需要搜索到的卫星，搜索阶段完成，保持该通道的伪随机码发生器配置，转入确认阶段；
c)如果该卫星的累加值小于门限，则切换伪随机码发生器到下一个卫星编号继续确认，直到找到；
d)如果没有卫星匹配，则本次搜索为虚警，重新初始化伪随机码发生器为若干卫星编号的组合；
3)如果码片偏移总数超过伪随机码周期，则调整载波频率到下一个频率点继续搜索。

定位接收机单通道多卫星并行搜索方法
技术领域
本发明涉及扩频通信中伪随机码的快速搜索方法，尤其涉及冷启动模式下定位接收机单通道多卫星并行搜索方法。
背景技术
在卫星定位技术中，卫星信号的捕获和跟踪通常分为搜索、确认、牵引、跟踪几个阶段。
图1为卫星信号的调制方式，卫星信号由载波经过伪随机码的调制产生。接收机通过本地伪随机码产生器产生与卫星信号同步的伪随机码和载波，从而实现卫星信号的跟踪和解调，进而实现定位。
通常的卫星定位接收机中，状态迁移如图2所示，根据输入信号的处理结果，在搜索、确认、牵引和跟踪四个状态之间变化。进入跟踪状态表示定位准备工作完成。
虽然卫星信号的中心频率已知，但是由于卫星信号多普勒频移的存在，接收机必须先确定卫星信号的频率和码偏移。同时，定位接收机可见的卫星编号在冷启动模式下也是未知的。这意味着，接收机必须在卫星编号(实际上就是伪随机码编号)、频率和码偏移三个自由度上搜索卫星信号。卫星信号的搜索通常耗时很长，是定位接收机首次定位时间的重要组成部分，严重制约了定位接收机的性能。目前主要有两种搜索方法，串行相关和快速傅立叶变换。由于快速傅立叶变换对的系统的运算资源需求较大，串行相关仍然是被广泛采用的一种方法。图2为定位接收机典型状态迁移图，图3为传统串行相关搜索卫星信号的功能框图，输入信号与本地振荡器产生的正弦和余弦信号分别作乘法，得到同相和正交信号，在伪随机码的一个周期内作累加，最后取平方和作为得到的相关峰值，根据得到的相关峰值大小，判断当前参数是否为可见卫星的参数。搜索卫星的串行相关系统需要对每一个卫星信号、每一个频点上的每一个码偏移作相关积分，搜索相关峰值。一个典型的搜索频率间隔为200Hz，码偏移间隔为0.5码片，较为通用的做法是，利用多个相关器并行搜索来缩短搜索时间。
参见图4，冷启动模式下，传统的串行相关法搜索卫星的流程通常包括：
1.随机挑选一个伪随机码编号，也就是卫星编号；
2.初始化本地载波频率振荡器为射频前端的中心频率；
3.在一个完整的伪随机码周期内进行积分求和运算，得到累加和；
4.对累加和进行判断：
a)如果累加和大于预先设定的门限，则完成搜索阶段，跳入确认阶段；
b)如果累加和小于预先设定的门限，则将伪随机码的相位向后移动半个码片的偏移，重复步骤(3)；
5.如果伪随机码相位移动达到完整的伪随机码周期还没有发现累加和满足条件，则改变本地载波频率振荡器的频率，重复步骤(3)和(4)；
6.如果本地载波频率振荡器的频率改变超过预先设定的搜索范围，则改变伪随机码编号，重复步骤(3)，(4)和(5)，进行下一颗卫星的搜索。
从以上搜索过程可以看出，在冷启动模式下，由于没有任何可视范围内卫星编号的信息，定位接收机必须在卫星编号、载波频率和伪随机码偏移三个自由度上进行全盲的搜索，花费的时间非常长。以最通用的民用级全球定位系统(GPS)为例，一共有24颗卫星(包含3颗备用卫星)，载波频率偏移通常在±5000赫兹，伪随机码的周期包含2046个半码片，搜索阶段的载波频率步进为200赫兹，每个伪随机码的积分累加周期为近似1毫秒，这样，单累加器单通道完全扫描所有卫星花费的时间为：
(24*(2*5000/200)*2046*(1/1000)＝2455.2秒≈41分钟
这里对时间的耗费是一个非常惊人的数目。
现有的商用定位接收机处理芯片中，为了缩短卫星搜索时间，最常用的方法是增加通道数目和通道内的累加器数目，通过并行搜索的方法同时对若干卫星、载波频率和伪随机码偏移进行搜索，以尽快找到视野范围内的卫星，实现定位功能。
这种方法的优点是可以有效缩短卫星搜索时间，带来的缺点也是显而易见，它的硬件规模成倍扩大，导致硬件成本增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述问题，提出一种在不增加硬件规模的前提下，利用串行相关累加和的线性特性，在单一通道单一累加器上，同时搜索多颗卫星的方法。
本发明实现的方法：
定位接收机单通道多卫星并行搜索方法，包括如下步骤：
1)初始化卫星信号载波频率为射频前端的中心频率；
2)初始化通道内的若干伪随机码发生器为不同卫星编号的组合，总的输出为各输出的和；
3)在信号搜索阶段，将多个伪随机码的数学和在一个伪随机码周期内做积分累加；
4)根据累加和的大小判断卫星是否可见，以及其载波频率和伪随机码片偏移是否匹配；
5)若没有卫星匹配，重复步骤(1)。
针对冷启动模式下，本发明在卫星搜索过程中，用多个伪随机码发生器替代单一伪随机码发生器，在同一时间段内做一次累加即可同时判断出多颗卫星在当前载波频率和伪随机码片偏移上是否可见，从而达到快速搜索卫星的目的。
本发明的有益效果：
将本方法应用于全球定位接收机卫星信号搜索，可以在不大幅度增加硬件规模的前提下，有效的缩短冷启动模式下卫星搜索时间，从而达到快速搜星，快速定位的目的。
利用本发明，根据实际测试结果，同等硬件规模的卫星定位接收机，本发明的算法在信号条件良好的情况下，单通道双星搜索即可缩短80％的卫星搜索时间，从而有效缩短首次定位时间，给用户带来更好的使用感受。图6为传统卫星定位搜索算法搜索成功时的相关峰值-码片偏移坐标图，图7为应用本发明后搜索成功的相关峰值-码片偏移坐标图，两者相比从中可看出，结果相同。
本发明还可应用于其他扩频通信系统中，用以缩短信号搜索的时间。
附图说明
图1卫星信号的调制方式原理图。
图2定位接收机典型状态迁移图。
图3串行相关法搜索卫星功能框图。
图4传统卫星信号的搜索过程示意图。
图5应用本发明的卫星信号的搜索过程示意图。
图6传统卫星定位搜索算法搜索成功时的相关峰值-码片偏移坐标图。
图7应用本发明后搜索成功的相关峰值-码片偏移坐标图。
具体实施方式
参见图5，冷启动模式下，以单通道单累加器为例，具体实现步骤如下：
1.初始化通道：
1)初始化卫星信号载波频率为射频前端的中心频率；
2)初始化通道内的若干伪随机码发生器为不同卫星编号的组合；如卫星编号i₁，i₂。。。。。。i_n的组合。
2.搜索阶段：
1)在一个伪随机码周期内做积分累加；
2)根据得到的累加值判断：
a)如果累加值小于预先设定的门限，则将伪随机码的码片偏移向后推移半个码片；继续累加；
b)如果累加值大于或者等于预先设定的门限：
i.只留下一个卫星编号的伪随机码发生器，关闭其他的伪随机码发生器，做一个伪随机码周期的积分累加，判断是否该卫星在视野范围内。
ii.如果该卫星的累加值大于或者等于门限，则该卫星即为需要搜索到的卫星，搜索阶段完成，保持该通道的伪随机码发生器配置，转入确认阶段。
iii.如果该卫星的累加值小于门限，则切换伪随机码发生器到下一个卫星编号继续确认，直到找到。
iv.如果没有卫星匹配，则本次搜索为虚警，重新初始化伪随机码发生器为若干卫星编号的组合。
3)如果码片偏移总数超过伪随机码周期，则调整载波频率到下一个频率点继续搜索。