一种地基导航信号的快速捕获方法和系统

本发明涉及导航，尤其是涉及一种地基导航系统信号的快速捕获方法和系统。

背景技术：

1、作为卫星导航系统的重要补充，地基导航系统在某些方面有着独特的优势，可以克服卫星信号微弱、易受抗干、不能在室内使用等缺点。为了克服“远近效应”问题，地基导航系统在信号体制上采用了跳时/直序-码分多址信号(th/ds-cdma)，通过划分时隙，不同伪卫星在不同时隙发射扩频信号，即时分的扩频通信体制，它既能克服“远近效应”，也能具有扩频信号的测距能力。

2、th/ds-cdma不是一种连续播发的信号，系统中的伪卫星都有自己的信号发射时间窗口，只在特定的时隙发送导航信号，一般某个时隙只有一个伪卫星的发射窗口是打开的，多个伪卫星之间是分时播发信号的。即便是采取分时的方式，对于接收设备来说，与多个伪卫星之间的距离是不相等的，不同伪卫星之间的信号在接收端依然会有时间上的重叠。所以，在地基导航系统中每个伪卫星的发射窗口并不固定，而是一个已知的、具有随机特性的跳时序列，也就是跳时图案，避免两个伪卫星之间固定存在信号接收上的时间重叠。如在locata系统中，一个跳时图案的超帧结构长200，每帧时间tf内划分了10个时隙，每个时隙的持续时间ts为0.1ms，每一颗伪卫星选择在每帧10个时隙中的某个时隙发射信号，而跳时图案的循环周期为200。

3、跳时信号体制的引入使得传统的扩频信号接收技术不再适用，而问题的难点主要集中在信号的捕获阶段，需要在信号非连续播发的条件下，在时域(码相位)和频域(多普勒)两个维度检测信号，常用的检测方法有串行搜索、并行搜索、fft和匹配滤波，其捕获时间与资源占用成反比关系，一般而言，fft和匹配滤波占用较多的软硬件资源，但是捕获时间可以大为缩短。

4、地基导航信号的捕获主要有两个关键问题：

5、(1)跳时图案的捕获

6、地基导航信号的捕获不仅要在时域和频域检测信号，还要同时检测信号的多个发射时隙，与已知的跳时图案匹配，因此是时域、频域和发射时隙三个维度上的信号检测。基于传统的扩频信号捕获技术上来理解，当在某个时域和某个频域两维点上检测到信号，需要继续驻留多个时隙帧的时间来确认存在信号发射的时隙。

7、(2)信号频率的捕获

8、由于地基导航系统采用了跳时信号体制，存在频率牵引带宽和捕获带宽不匹配的问题。

9、信号检测因频率未完全匹配而带来的功率损耗符合sinc2衰减：ploss(δf)＝sinc2(πtδf)。t是检测积分时间，δf是频率偏差，典型的，当损耗约为3.9db，这对于地基信号接收强度而言有很大概率能够检测到，但是在后续的信号频率牵引中，由于跳时发射的体制，相邻的发射时隙以帧时间tf为平均间隔，对于利用相邻两个发射时隙积分值来计算频率误差的鉴频器而言，所能分辨的频率误差范围约为即频率牵引带宽与捕获带宽的不匹配，频率牵引带宽要远小于捕获带宽。为了实现频率牵引带宽和捕获带宽的匹配，在信号搜索时可以以为频率分辨率，但引起的信号功率损耗差异并不显著，且会增加捕获时间或者资源消耗。

10、因此，地基导航信号的捕获要在时域、频域和跳时发射时隙展开三维度搜索，并且信号频率的捕获减小至范围内。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题，在于提供一种地基导航信号的快速捕获方法和系统，以实现地基导航信号时域、频域和跳时图案的快速捕获，并且频率捕获的精度在范围内。

2、为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种地基导航信号的快速捕获方法，包括以下步骤：

3、步骤一，高于四倍码速率采样的地基导航数字信号经正交数字下变频、低通滤波和重量化处理，以两倍码速率重采样，获得重采样的i/q基带信号；

4、步骤二，基于重采样的i/q基带信号，以0.5个码片为分辨率，使用两组匹配滤波在时域搜索地基伪卫星信号；其中，第一组匹配滤波深度l-1，输出测距码序列前个码片积分值，第二组匹配滤波深度l+1，输出测距码序列后个码片积分值，l是测距码序列周期长度，地基导航跳时信号一个发射时隙ts播发一个完整周期长度的测距码；

5、步骤三，基于两组匹配滤波积分值计算ts时间2l个采样点的功率值，当功率值大于设定门限pth，以采样点连续计数值kk为时间戳，将两组匹配滤波积分值ik1/qk1、ik2/qk2、功率值pk记录到捕获信息列表；

6、步骤四，根据捕获信息列表，基于时间戳计算捕获时隙值tk构成跳时图案子样本，完成信号的跳时图案捕获；

7、步骤五，根据捕获信息列表，基于两组匹配滤波积分值计算信号频率估计

8、优选的，所述正交数字下变频处理以为频率间隔对信号进行频域搜索。

9、优选的，所述捕获信息列表在2l个采样间隔内只存储有最大功率值的一条捕获信息。

10、优选的，所述匹配滤波搜索，在连续的两帧时间2tf内未检测到信号，则退出当前目标伪卫星的搜索或者清空捕获信息列表重新启动搜索，其中tf是地基导航信号跳时发射的帧时间，包含n个发射时隙ts。

11、优选的，所述捕获时隙值tk相对于第一条记录时间戳k1计算：

12、

13、优选的，所述信号频率估计采取的计算方法：

14、

15、

16、其中，m是捕获信息列表的记录条数。

17、优选的，所述信号频率估计是在完成跳时图案捕获删除虚警捕获信息记录后计算。

18、为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种地基导航信号的快速捕获系统，包括：

19、载波数控振荡器，产生本地参考载波信号；

20、数字下变频器，与所述载波数控振荡器相连，将输入的中频采样信号正交下变频至零中频，输出i/q基带信号；

21、低通滤波及重量化模块，与所述数字下变频器相连，根据码速率对信号低通滤波，并重量化为2比特的i/q信号；

22、采样数控振荡器，产生重采样的时钟信号；

23、采样点连续计数器，与所述采样数控振荡器相连，对重采样后的采样点连续计数；

24、抽取器，与所述低通滤波及重量化模块、采样数控振荡器相连，对低通滤波及重量化模块输出的信号重采样，获得两倍码速率的重采样i/q信号；

25、匹配搜索器，与所述抽取器、采样数控振荡器、采样点连续计数器相连，使用匹配滤波器对信号进行搜索；

26、跳时图案捕获和频率估计模块，与所述匹配搜索器相连，基于匹配搜索结果进行跳时图案的捕获和信号频率估计；

27、所述匹配搜索器包含两组匹配滤波器：第一组匹配滤波器，输出测距码序列前个码片l-1个采样点的i/q积分值；第二组匹配滤波器，输出测距码序列后个码片l+1个采样点的i/q积分值；

28、所述匹配搜索器还包含一个峰值记录器，与所述第一组匹配滤波器、第二组匹配滤波器、采样点连续计数器相连，计算功率值与预设的门限比较，若大于门限，记录一条信息：第一组匹配滤波器输出的i/q积分值lk1/qk1、第二组匹配滤波输出的i/q积分值ik2/qk2、功率值和采样点连续计数值kk。

29、优选的，所述峰值记录器在2l个采样点内只记录具有最大功率值的一条信息。

30、优选的，所述跳时图案捕获和频率估计模块，根据峰值记录器记录的采样点连续计数值kk计算捕获时隙值tk：构成跳时图案的子样本，进行跳时图案捕获，根据峰值记录器记录的第一组、第二组匹配滤波器输出的i/q积分值计算频率估计

31、

32、

33、其中，m是峰值记录器中的记录条数。

34、本发明实现的地基导航信号快速捕获方法和系统的主要优点：

35、(1)通过匹配滤波实现地基导航信号时域、频域和发射时隙的三维度快速搜索，在5～10个子帧时间内，就可以捕获到信号；

36、(2)通过分组匹配滤波实现在大范围内信号频率的精确估计；

37、(3)频域搜索以为间隔，大幅度减少了高动态应用中多普勒频点的搜索个数，缩短了捕获时间；

38、(4)通过测距码序列码相位完整检测，能有效抑制自相关函数的旁瓣干扰，准确捕获主峰。