CN113031025B - 基于北斗下行信号频率辅助时分体制信号捕获方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法及装置，所述方法包括：通过Ka频段天线接收星间链路Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号，对上述下行信号进行滤波和低噪声放大处理，分别送至时分体制信号接收机和连续体制信号接收机；在连续体制信号接收机中，对连续信号的射频接收和基带信号处理，得到卫星相对于地面站的多普勒频移和伪距信息，送入频率字转换模块，转换为辅助信息；在时分体制信号接收机中，借助所述辅助信息对本地信号进行补偿，压缩多普勒频率和码相位搜索范围，捕获信号。根据本发明方法，压缩捕获时分体制信号的大多普勒频率范围，节约了硬件资源，提高了捕获速度。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航接收机领域，尤其涉及一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法及装置。
背景技术
星间测距与通信链路的建立是保障卫星导航系统实现自主运行的一项关键技术，通过星间双向测距、数据交换等处理，能够帮助卫星自主修正地面系统注入的预报星历等参数，这样不仅可以有效提高卫星星座的整体测量通信性能，还能降低卫星对地面站的依赖程度，增强导航系统的稳定性和抗干扰性。
北斗全球卫星导航系统星间链路已经成为我国新一代全球卫星导航系统建设和发展的关键技术之一。这项技术采用单频时分技术体制，可以支持在不同卫星之间实现快速轮询建链。但是由于卫星一直处于围绕地球的高速圆周运动，与地面站之间存在很大的相对运动速度，给时分体制信号带来较大的多普勒频移，从而增大信号的捕获范围。而且时分体制信号的前向测量时隙较短，前导测距时段只有毫秒量级，基带必须在较短时间内完成信号捕获跟踪和测距，这对捕获的性能提出了更高的要求。
中国发明专利（申请发布号：CN106291619A），发明名称为一种导航卫星星间链路无线长周期扩频码信号高性能捕获方法，在保留时域捕获算法的优势的同时，大幅降低对存储资源的需求，提高了硬件资源利用率，但并非从缩小捕获范围的方面入手。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法及装置，利用捕获卫星连续下行信号的结果，对本地信号进行动态补偿，辅助压缩时分体制信号的搜索范围，提高捕获的性能。
根据本发明的第一方面，提供一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：通过Ka频段天线接收星间链路Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号，对Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号进行滤波和低噪声放大处理，分别送至时分体制信号接收机和连续体制信号接收机；
步骤S102：在连续体制信号接收机中，对连续信号的射频接收和基带信号进行处理，得到卫星相对于地面站的多普勒频移和伪距信息，送入频率字转换模块，转换为辅助信息；
步骤S103：在时分体制信号接收机中，借助所述辅助信息对本地信号进行补偿，压缩多普勒频率和码相位搜索范围，实现对星间链路信号的捕获。
根据本发明第二方面，提供一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获装置，所述装置包括：
信号接收模块：配置为通过Ka频段天线接收星间链路Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号，对Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号进行滤波和低噪声放大处理，分别送至时分体制信号接收机和连续体制信号接收机；
转换模块：配置为在连续体制信号接收机中，对连续信号的射频接收和基带信号进行处理，得到卫星相对于地面站的多普勒频移和伪距信息，送入频率字转换模块，转换为辅助信息；
捕获模块：配置为在时分体制信号接收机中，借助所述辅助信息对本地信号进行补偿，压缩多普勒频率和码相位搜索范围，实现对星间链路信号的捕获。
根据本发明第三方面，提供一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获系统，包括：
处理器，用于执行多条指令；
存储器，用于存储多条指令；
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法。
根据本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的包含基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法。
根据本发明的上述方案，本发明提出一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号快速捕获技术，借助地面站捕获同一颗北斗卫星的B1/B2/B3任一频点的下行信号，得到卫星此时的多普勒频移和伪码相位，进行相应处理后，在捕获时分体制信号的过程中对本地载波信号和本地伪码信号进行动态补偿，从而压缩搜索范围，提高捕获的速度。本发明借助对卫星连续下行信号的捕获结果，实现对时分体制信号接收的本地信号的动态补偿，从而辅助压缩时分体制信号的搜索范围，提高捕获的性能。能够通过L频段的全向天线接收所有可见卫星，获得所有可见卫星的实时动态特征，从而使得时分体制信号接收机可以在每个时隙快速切换、接收不同卫星的时分体制信号，压缩捕获范围从而实现稳定的信号捕获和跟踪处理。本发明压缩了捕获时分体制信号的大多普勒频率范围，既节约了硬件资源，也提高捕获的速度，满足实际需要。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附图进行说明。在附图中：
图1为本发明一个实施方式的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法流程示意图；
图2为本发明一个实施方式的捕获时分体制信号的流程示意图；
图3为本发明一个实施方式的原理组成框图；
图4为本发明一个实施方式的捕获时分体制信号的原理组成框图；
图5为本发明一个实施方式的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获装置结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先结合图1说明为本发明一个实施方式的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法。所述方法包括以下步骤：
步骤S101：通过Ka频段天线接收星间链路Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号，对Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号进行滤波和低噪声放大处理，分别送至时分体制信号接收机和连续体制信号接收机；
步骤S102：在连续体制信号接收机中，对连续信号的射频接收和基带信号进行处理，得到卫星相对于地面站的多普勒频移和伪距信息，送入频率字转换模块，转换为辅助信息；
步骤S103：在时分体制信号接收机中，借助所述辅助信息对本地信号进行补偿，压缩多普勒频率和码相位搜索范围，实现对星间链路信号的捕获。
所述步骤S102：在连续体制信号接收机中，实现对连续信号的射频接收和基带信号处理，得到卫星相对于地面站的多普勒频移和伪距信息，送入频率字转换模块，转换为辅助信息，包括：
转换后的多普勒频移和初始多普勒频移关系如下：
f d1 =f d0 *f K /f L
其中，f d1 为转换后的多普勒频移，f d0 为初始多普勒频移，f K 为时分体制信号载波频点，f L 为连续信号载波频点。
在所述步骤S102中，捕获到的北斗B1和/或B2和/或B3频点的多普勒频率和伪距信息经过载波频率的变化可以转换为时分体制信号的多普勒频率和伪距信息，再进行频率字的转化，送到时分体制信号捕获模块中的本地载波NCO和码NCO进行补偿，辅助压缩搜索范围。
如图2所示，所述步骤S103中对星间链路信号的捕获包括：
步骤S1031：在射频前端模块对天线接收到的连续信号进行处理，转换为数字中频信号；
步骤S1032：在正交下变频模块利用转换得到的载波多普勒补偿值，与中频频率的初始频率字N1进行运算，得到补偿后的载波频率字N2，由载波数字控制振荡器（NCO）对补偿后的载波频率字N2进行处理，生成补偿后的本地载波信号，用于对所述数字中频信号进行下变频处理，使所述数字中频信号转化为基带信号；
步骤S1033：在本地伪码生成模块中利用转换得到的码相位补偿值，与码时钟基准频率字相加，得到补偿后的码时钟频率字，输入到本地码NCO中，生成补偿后的本地伪码信号，再将整个匹配滤波器等分成多个部分匹配滤波器，在每段滤波器中实现本地伪码信号与时分体制输入信号的移位相关计算；
步骤S1034：对所有移位相关计算得到的相关结果补零后进行FFT运算，再进行非相干后积累，找到所得结果中的最大值，进行门限检测，如果通过，则对星间链路信号捕获成功。
上述过程中，北斗连续下行信号采用常规方式接收，当需要接收某颗卫星的时分体制信号时，在预定的时刻将该卫星连续下行信号的捕获结果送到频率字转换模块进行辅助。
本实施例中，在捕获时分体制信号的过程中，利用对卫星连续下行信号的快速捕获得到的结果进行动态补偿，辅助压缩信号的搜索范围。
本实施例的原理如图3-4所示。
本发明实施例进一步给出一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获装置，如图5所示，所述装置包括：
信号接收模块：配置为通过Ka频段天线接收星间链路Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号，对Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号进行滤波和低噪声放大处理，分别送至时分体制信号接收机和连续体制信号接收机；
转换模块：配置为在连续体制信号接收机中，对连续信号的射频接收和基带信号进行处理，得到卫星相对于地面站的多普勒频移和伪距信息，送入频率字转换模块，转换为辅助信息；
捕获模块：配置为在时分体制信号接收机中，借助所述辅助信息对本地信号进行补偿，压缩多普勒频率和码相位搜索范围，实现对星间链路信号的捕获。
本发明实施例进一步给出一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获系统，包括：
处理器，用于执行多条指令；
存储器，用于存储多条指令；
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法。
本发明实施例进一步给出一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装Windows或者Windows Server操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：通过Ka频段天线接收星间链路Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号，对Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号进行滤波和低噪声放大处理，分别送至时分体制信号接收机和连续体制信号接收机；
步骤S102：在连续体制信号接收机中，对连续信号的射频接收和基带信号进行处理，得到卫星相对于地面站的多普勒频移和伪距信息，送入频率字转换模块，转换为辅助信息；
步骤S103：在时分体制信号接收机中，借助所述辅助信息对本地信号进行补偿，压缩多普勒频率和码相位搜索范围，实现对星间链路信号的捕获。
2.如权利要求1所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法，其特征在于，所述步骤S102中，转换后的多普勒频移和初始多普勒频移关系如下：
fd1＝fd0*fK/fL
其中，fd1为转换后的多普勒频移，fd0为初始多普勒频移，fK为时分体制信号载波频点，fL为连续信号载波频点。
3.如权利要求2所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法，其特征在于，所述步骤S103中对星间链路信号的捕获包括：
步骤S1031：在射频前端模块对天线接收到的连续信号进行处理，转换为数字中频信号；
步骤S1032：在正交下变频模块利用转换得到的载波多普勒补偿值，与中频频率的初始频率字N1进行运算，得到补偿后的载波频率字N2，由载波数字控制振荡器(NCO)对补偿后的载波频率字N2进行处理，生成补偿后的本地载波信号，用于对所述数字中频信号进行下变频处理，使所述数字中频信号转化为基带信号；
步骤S1033：在本地伪码生成模块中利用转换得到的码相位补偿值，与码时钟基准频率字相加，得到补偿后的码时钟频率字，输入到本地码NCO中，生成补偿后的本地伪码信号，再将整个匹配滤波器等分成多个部分匹配滤波器，在每段滤波器中实现本地伪码信号与所述基带信号的移位相关计算；
步骤S1034：对所有移位相关计算得到的相关结果补零后进行FFT运算，再进行非相干后积累，找到所得结果中的最大值，进行门限检测，如果通过，则对星间链路信号捕获成功。
4.一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获装置，其特征在于，所述装置包括：
信号接收模块：配置为通过Ka频段天线接收星间链路Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号，对Ka频点时分体制下行信号、以及北斗B1和/或B2和/或B3任一频点下行信号进行滤波和低噪声放大处理，分别送至时分体制信号接收机和连续体制信号接收机；
转换模块：配置为在连续体制信号接收机中，对连续信号的射频接收和基带信号进行处理，得到卫星相对于地面站的多普勒频移和伪距信息，送入频率字转换模块，转换为辅助信息；
捕获模块：配置为在时分体制信号接收机中，借助所述辅助信息对本地信号进行补偿，压缩多普勒频率和码相位搜索范围，实现对星间链路信号的捕获。
5.如权利要求4所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获装置，其特征在于，所述转换模块中，转换后的多普勒频移和初始多普勒频移关系如下：
fd1＝fd0*fK/fL
其中，fd1为转换后的多普勒频移，fd0为初始多普勒频移，fK为时分体制信号载波频点，fL为连续信号载波频点。
6.如权利要求5所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获装置，其特征在于，所述捕获模块包括：
处理子模块：配置为在射频前端模块对天线接收到的连续信号进行处理，转换为数字中频信号；
第一转化子模块：配置为在正交下变频模块利用转换得到的载波多普勒补偿值，与中频频率的初始频率字N1进行运算，得到补偿后的载波频率字N2，由载波数字控制振荡器(NCO)对补偿后的载波频率字N2进行处理，生成补偿后的本地载波信号，用于对所述数字中频信号进行下变频处理，使所述数字中频信号转化为基带信号；
第一计算子模块：配置为在本地伪码生成模块中利用转换得到的码相位补偿值，与码时钟基准频率字相加，得到补偿后的码时钟频率字，输入到本地码NCO中，生成补偿后的本地伪码信号，再将整个匹配滤波器等分成多个部分匹配滤波器，在每段滤波器中实现本地伪码信号与所述基带信号的移位相关计算；
第二计算子模块：配置为对所有移位相关计算得到的相关结果补零后进行FFT运算，再进行非相干后积累，找到所得结果中的最大值，进行门限检测，如果通过，则对星间链路信号捕获成功。
7.一种基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获系统，其特征在于，包括：
处理器，用于执行多条指令；
存储器，用于存储多条指令；
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如权利要求1-3中任意一项所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如权利要求1-3中任意一项所述的基于北斗下行信号频率辅助的时分体制信号捕获方法。
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