一種基于sft的ins輔助bds信號快速捕獲方法
【專利摘要】本發明是一種基于稀疏傅里葉變換的INS輔助BDS信號快速捕獲方法，屬于衛星導航領域。本方法包括：通過天線接收北斗衛星信號，經過射頻模塊處理后得到中頻信號；利用INS的慣性信息和衛星星歷計算多普勒頻率，并引入到本地載波NCO中，調整本地載波NCO的搜索頻率范圍，輸出本地載波正余弦兩路信號；將中頻信號與本地載波混頻，得到的同相I支路和正交Q支路信號構成復數序列，對復數序列和本地偽碼求快速傅里葉變換，將結果進行復數相乘；將相乘結果進行稀疏傅里葉變換得到的信號峰值，判斷是否成功捕獲。本發明可以大幅縮小BDS信號的頻率預估范圍，簡化IFFT運算的同時，保證了捕獲性能，大幅降低運算量，減少硬件消耗。
【專利說明】
_種基于SFT的I NS輔助BDS信號快速捕獲方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于稀疏傅里葉變換(SFT)的慣性導航系統（INS)輔助BDS信號快 速捕獲方法，尤其適用于高動態環境下的捕獲，屬于衛星導航領域。
【背景技術】
[0002] 目前，衛星導航技術已成為世界各國在現代化戰爭中的重要武器組成部分。北斗 衛星導航系統(BDS)是中國自行研制、自主控制的衛星定位導航系統，已經實現亞太地區的 定位、導航、授時、短報文等服務;BDS將在我國經濟軍事社會的發展中發揮重大作用。
[0003] 衛星導航系統導航技術應用十分廣泛，具有高精度、低成本、定位誤差不隨時間積 累等諸多優點，但是在尚動態環境下存在先天的局限性 不易捕獲和跟蹤衛星載波?目 號，甚至出現所謂的"周跳"現象。然而，在航空、航天、精確武器打擊等應用領域，所研究的 飛行器大都屬于高動態，如何滿足高動態環境的需要，對導彈等進行精確的導航，成為全球 衛星導航系統(GNSS)在高動態領域研究的重點。
[0004] 隨著導航技術的發展和日益成熟，GNSS/INS組合導航可以很好的改善系統的動態 性能，基于INS輔助的GNSS捕獲技術可以快速地完成衛星信號的捕獲。尤其，在衛星接收機 冷啟動以及高動態環境下衛星失鎖后的快速重捕獲方面，有非常好的優勢。利用INS的慣性 信息得到高速運動載體相對衛星的多普勒頻移，可以大幅縮小捕獲過程中頻率搜索范圍， 從而縮短衛星信號的捕獲時間。
[0005] 衛星捕獲方法的選擇直接影響著捕獲的時間和性能，目前常用的捕獲方法有:滑 動相關法、匹配濾波法、并行頻率法、并行碼相位法等。前兩種為時域法，捕獲時間較長;后 兩種為頻域法，捕獲時間短，但復雜度高運算量大。
【發明內容】
[0006] 針對現有捕獲方法存在的問題，本發明提出了 一種基于稀疏傅里葉變換的INS輔 助BDS信號快捕獲方法。本發明方法在運用并行碼相位法捕獲時利用SFT簡化離散傅里葉逆 變換（IFFT)運算，將運算的復雜度大大降低，結合INS慣性信息，可以實現高動態環境下BDS 信號的快速捕獲。
[0007] 本發明的一種基于稀疏傅里葉變換的INS輔助BDS信號快速捕獲方法，具體實現步 驟為：
[0008] 步驟一:通過天線接收北斗衛星信號，經過射頻模塊處理后得到中頻信號SIF(t)。
[0009]
)
[0010] 其中，t表示時間，？3表示信號功率;C(t)表示測距碼，其值為土 1;τ表示在傳輸過 程中的時間延時;D(t)表示導航電文，比特率是50bps; coIF表示中頻載波頻率；φ (t)表示初 始載波相位;n (t)表示白噪聲。
[0011]步驟二:利用INS的慣性信息和衛星星歷計算多普勒頻率，將得到的多普勒頻率引 入到本地載波數字控制振蕩器(NCO)中，調整本地載波N⑶的搜索頻率范圍為[_fmax，fmax]， fmax表示最大搜索頻率。
[0012] 輸出本地載波的正余弦兩路信號分別表示為：
[0013]
[0014] 其中，Ica(t)為正弦信號，Qca(t)為余弦信號，&為本地復制碼初始載波相位，Δ?為 本地搜索頻移，+ Δ&)為本地載波頻率。
[0015] 步驟三:將中頻信號與本地載波混頻，得到的同相I支路和正交Q支路信號構成復 數序列信號，對其求快速傅里葉變換(FFT);對本地偽碼求FFT，并將兩個FFT結果進行復數 相乘。
[0016] 將本地載波正弦信號Wt)、余弦信號Qra(t)分別與中頻信號SIF(t)相乘，得到信 號I(t)和Q(t)，再經過積分器低通濾波后，I(t)和Q(t)簡化為：
[0017]
[0018]
[0019]得到復數序列信號H( t) = I (t)+jQ( t)，對H( t)進行FFT得到頻域值H(k)。
[0020] 設本地偽碼為Q/-i)，f為本地偽碼相位，經FFT獲得Ot-f).的頻域值C(k)。
[0021 ]將兩個FFT結果進行復數相乘，得到信號Z(k) =H(k)C(k)。
[0022] 步驟四：將相乘結果Z(k)進行稀疏傅里葉變換(SFT)。
[0023] 對Z(k)進行頻域重排，得到結果ZP(k)。然后通過SFT估計得到Z(k)的信號峰值。
[0024] 步驟五:根據步驟四得到的信號峰值判斷是否成功捕獲。
[0025] 將步驟四中得到的信號峰值，與已設定的捕獲閾值進行比較，大于閾值則信號捕 獲成功，轉入信號跟蹤環路，小于閾值則調整載波頻率和碼頻率重新捕獲，直到信號捕獲成 功為止。
[0026] 本發明的優點和積極效果在于:本發明利用INS慣性信息和歷書信息獲得載體高 速運動產生的多普勒頻移和衛星運動產生的多普勒頻移，可以大幅縮小BDS信號的頻率預 估范圍。根據捕獲相關峰的稀疏特性，在運用并行碼相位法時利用SFT簡化IFFT運算，可以 大幅降低運算量，減少硬件消耗，同時又保證了捕獲性能，從而實現了高動態環境下BDS信 號的快速捕獲。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明基于SFT的INS輔助BDS信號快速捕獲結構示意圖；
[0028]圖2是本發明基于SFT的INS輔助BDS信號快速捕獲方法的流程示意圖；
[0029]圖3是導航衛星信號軟件接收機結構圖；
[0030] 圖4是SFT運算過程不意圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面將結合附圖及【具體實施方式】對本發明加以詳細說明，需要指出的是，所描述 的實施例僅旨在便于對本發明的理解，而不起任何限定作用。
[0032] 本發明基于稀疏傅里葉變換的INS輔助BDS信號快速捕獲方法的一個實施例的實 現結構，如圖1所示，實現流程如圖2所示。本發明方法可基于衛星信號軟件接收機很方便的 實現，圖3是軟件接收機的結構圖。如圖3所示，除了射頻前端與數字采樣模塊外，在通用的 基礎硬件平臺上，將接收機的基帶信號處理(捕獲、跟蹤)與導航信息處理(解碼、導航解算） 部分都用軟件進行，軟件接收機具有低價格、小型化、方便靈活、便于擴展等優點。
[0033]下面說明本發明方法的各個步驟的具體實現。
[0034]步驟一:天線接收北斗衛星信號，經過射頻模塊處理后得到中頻信號。
[0035] 通過天線接收北斗衛星導航信號，經過射頻前端的濾波器、放大器、下變頻器、數 模轉換器等處理，輸出中頻信號SIF (t)表示為：
[0036]
(1)
[0037]式中，Ps表示信號功率;C(t)表示測距碼，其值為土 1;τ表示在傳輸過程中的時間 延時;D(t)表示導航電文，比特率是50bps ; ω IF表示中頻載波頻率，由射頻前端和多普勒頻 移決定；Φ (t)表示初始載波相位;n(t)表示白噪聲。
[0038]步驟二:利用INS的慣性和星歷、歷書信息計算多普勒頻率，并根據其調整搜索環 路的本地載波數字控制振蕩器(NCO)的載波頻率。
[0039]衛星與載體的相對運動是北斗衛星信號產生多普勒頻移的主要因素，利用衛星星 歷、歷書和INS的慣性信息可以計算出其產生的多普勒頻移為：
[0040]
(2)
[0041] 其中，fre。表示載體運動產生的多普勒頻率;fs表示衛星運動產生的多普勒頻率;λ 表示載波的波長，表示載體的速度，P表示衛星的速度，表示衛星到用戶連線方向的 單位矢量。戶可由衛星歷書估算得到，由INS提供。
[0042]將INS和衛星歷書估算得到的多普勒頻率引入到載波NCO中，縮小頻率方向的搜索 范圍。設搜索頻率范圍為[_fmax，f max]，f max表示最大搜索頻率。
[0043]捕獲環路使用INS數據和衛星星歷、歷書數據提供的載體相對于衛星運動產生的 多普勒頻率來不斷的調整復制碼和復制的載波頻率。
[0044] NCO輸出本地載波的正余弦兩路信號分別表示為：
[004! 0)
[004< (4)
[0047]式中，Ica⑴表示輸出的正弦信號，Qca⑴表示輸出的余弦信號，&表示本地復制碼 初始載波相位，(+ Δ?)表示本地載波頻率，表示本地搜索頻移。
[0048]步驟三:將步驟一得到的中頻信號與步驟二得到的本地載波混頻，得到的同相I支 路和正交Q支路信號構成復數序列，對其求FFT;對本地偽碼求FFT，并將兩個FFT結果進行復 數相乘。
[0049] 將本地載波的正余弦兩路信號分別送給混頻器和輸入的中頻信號相乘，得到：
[0050] (5)
[0051 ] (6):
[0052] 信號I(t)和Q(t)經過積分器(LPF)實現低通濾波，忽略高頻成分，簡化為：
[0053] (7)
[0054] (8)
[0055] 同相I支路信號I(t)和正交Q支路信號Q(t)構成復數序列H(t) = I(t)+jQ(t)，j為 虛部單位。對H(t)利用FFT計算得到信號H(t)的頻域值H(k)，k表示頻點。
[0056] 假設本地偽碼發生器產生的本地偽碼表示為C(i-f)，f表示某一本地偽碼相位， 則本地偽碼和接收信號的偽碼相位相差= 利用FFT計算信號(A-〇的頻域值C (k) 〇
[0057]將兩個FFT結果進行復數相乘，得到相乘結果Z(k)，如下所示：
[0058] Z(k)=H(k)C(k) (9)
[0059] 步驟四：將相乘結果Z(k)進行稀疏傅里葉變換。
[0060] 根據捕獲相關峰的稀疏特性，在計算相關時利用SFT簡化IFFT運算。
[0061] 首先對Z(k)進行頻域重排得到ZP(k)。然后通過平滑窗函數和隨機排列處理，在控 制參量ct與m的輔助下運用SFT算法估計Z(k)的相關峰。對Z(k)進行SFT運算的過程如圖4所 不。
[0062] SFT主要包括內循環和外循環兩個環節。
[0063]外循環的主要步驟為：
[0064] (1.1)選擇參數￡、5、13、(1/、1^，滿足下式：
[0065
(10)
[0066」其中，ε規定了阻帶起始頻率與采樣頻率的比值，δ規定了阻帶和通帶共同的起伏 特性，B為頻域重排分組數，表示稀疏性因子，Ls表示內循環執行次數，η表示信號長度，K 表示稀疏度。0(.)表示空間復雜度。
[0067] (1.2)對于參數re[l，2, . . .Ls]，以滿足supp(G)<V <Ν/Κ的參數執行定位內 循環，得到向量Ir。其中，V是一個在區間[0，η-1 ]上隨機選取的奇數，N表示采樣點數，G表 示平滑窗函數，supp( ·)表示函數的支集。
[0068] 。 1
[0070] (l·5)對于re[l，2，···Ls]，在I〃上計算信號估計譜i的幅值i?=|f /vω|,得到估計 結果吞。
[0071] 其中，X表示對Z(k)頻域重排后得到的zp(k)，t為X的估計譜，為為估計的X在第i個 頻點處幅值Λω為X進行降采樣后的序列 zW的估計譜。hy(i)為映射函數，參見公式 (⑵。
[0072] 吞= ，i[表示在參數估計譜I在第i個頻點處幅值。
[0073] (1.6)對于集合1〃中的所有元素，計算中位值i / e 1。
[0074] (1.7)對于上述中位值構成的集合pi,求出其中所有元素中的最大值?7X <[為1。.
[0075] (1.8)設集合中不小于& Waxpj共有m個，其中ct是算法選擇的一個比例系 數，其數值根據實際需要確定。
[0076] (1.9)4
對于re[l，2, · · .Ls]，在f上運行估計循 環，得到估計結果i;…?;:=丨尤l·· e
[0077] (1.10)對于集合]^中的所有元素，計算中位值劣=Zwetittsg
[0078] 內循環的主要步驟為：
[0079] (2.1)隨機選取參數(/ e [n]與[n]，使得(/是奇數。n表示信號長度，[n]表示 一個數集[0，η-1]。
[0080] (2.2)記1經過窗函數濾波和隨機排列的結果為7，即少=(^心，.^,滿足條件：
[0081]
(11)
[0082] 其中乂V,表示隨機排列方式，ω表示濾波器長度，[ω ]表示一個數集[0，ω -I ]，i ￡[8]，8為頻域重排分組數，[8]表示一個數集[03-1]。心^表示1在第(^+^個頻點處信 號，yi表示y的第i個頻點處信號,G 1為第i個頻點對應的平滑窗函數。
[0083] (2.3)對于舊叫，定義序歹
對序列Z1進行傅里葉變換得到爲。
[0084] (2.4)設映射函數h/ (i)和ο/ (i)滿足下面條件：
[0085]
(12)
[0086] 其中round( ·)表示取整操作。
[0087] (2.5)定位內循環:將Ii中幅值最大的(TK個譜峰表示為集合J，對于J中的每個元 素，令集合H滿足條件:H= {i e [n] I h/ (i) E J}。
[0088] (2.6)估計內循環:對于iEH，對輸入信號譜矣進行估計，按下式計算
[0089]
(13)
[0090] 其中，在映射ο。'⑴下平滑窗函數<^νω的譜。
[0091] 為就是最后得到的?目號峰值。
[0092] 外循環是為了檢驗內循環的結果。由于重排具備隨機性，且整個過程受能量泄漏 與降采樣的影響，為了使計算的峰值位置與峰值幅值結果具有較高的置信度，增加了外循 環過程。
[0093]步驟五:根據步驟四中結果判斷是否成功捕獲。
[0094]將步驟四中得到的信號峰值，與已設定的捕獲閾值進行比較，大于閾值則信號捕 獲成功，得到碼相位估計和粗略的載波頻率，進行碼環跟蹤。根據碼相位估計調整本地偽碼 發生器，同輸入的中頻信號調制將Bl碼剝離;然后根據粗略的載波頻率調整本地載波NC0， 在粗略的載波頻率附近窄帶頻率范圍利用Zoom-FFT頻率細化方法進行頻率細化處理，得到 精細的載波頻率，轉入信號跟蹤環路。若小于閾值，則轉步驟二繼續執行，調整本地載波頻 率和碼頻率重新進行信號捕獲，直到信號捕獲成功為止。
[0095] 本發明在高動態環境下，利用INS慣性信息可以計算出載體高速運動產生的多普 勒頻移，利用歷書信息可以得到衛星運動產生的多普勒頻移，利用以上信息可以大幅縮小 BDS信號的頻率預估范圍，運用并行碼相位捕獲可以實現2046個碼相位的并行搜索，因此本 發明方法可以明顯減少捕獲時間。經過計算，本發明提出的方法相較于傳統的基于FFT的方 法可以把運算復雜度降低1個數量級以上。綜述，本發明即實現了高動態環境下的快速捕獲 有可以大幅降低運算復雜度，具有很好的工程應用價值。
[0096] 以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發 明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍 之內。
【主權項】
1. 一種基于稀疏傅里葉變換的INS輔助抓S信號快速捕獲方法，其特征在于，包括如下 步驟： 步驟一，天線接收北斗衛星信號，經過射頻模塊處理后得到中頻信號SlF( t )，如下：其中，t表示時間，Ps表示信號功率;C(t)表示測距碼，其值為±1;τ表示在傳輸過程中的 時間延時;D(t)表示導航電文，比特率是50bps; ωιρ表示中頻載波頻率；Φ (t)表示初始載波 相位;n(t)表示白噪聲； 步驟二:利用INS的慣性信息和衛星歷書計算多普勒頻率，將得到的多普勒頻率引入到 本地載波NCO中，調整本地載波NCO的捜索頻率范圍;NCO表示數字控制振蕩器； 輸出本地載波正余弦兩路信號分別表示為：其中，Ica(t)為正弦信號，Qca(t)為余弦信號，^為本地復制碼初始載波相位，Δ涼為本地 捜索頻移，(巧f +Δ蹲為本地載波頻率； 步驟Ξ:將中頻信號與本地載波混頻，得到的同相I支路和正交Q支路信號構成復數序 列，對其求FFT;對本地偽碼求FFT，將兩個FFT結果進行復數相乘;FFT表示快速傅里葉變換； 將本地載波正弦信號、余弦信號分別與中頻信號相乘，得到同相I支路信號I(t)和正交 Q支路信號Q( t )，經過積分器低通濾波后，簡化為：得到的復數序列H(t) = I(t)+jQ(t)，對H(t)進行FFT得到頻域值Η化）； 設本地偽碼為Ο?-巧，#為本地偽碼相位，經FFT獲得-訝的頻域值(Xk); 將兩個FFT結果進行復數相乘，得到信號Z(k) =H(k)C(k); 步驟四：將信號Z(k)進行頻域重排得到信號Zp(k)，再進行SFT，獲得Z(k)的信號峰值； SFT表示稀疏傅里葉變換； 步驟五:將步驟四中得到的信號峰值，與已設定的捕獲闊值進行比較，大于闊值則信號 捕獲成功，轉入信號跟蹤環路，小于闊值則轉步驟二執行，調整本地載波頻率和碼頻率重新 捕獲，直到信號捕獲成功為止。2. 根據權利要求1所述的基于稀疏傅里葉變換的INS輔助抓S信號快速捕獲方法，其特 征在于，所述的步驟二中，利用衛星歷書和INS的慣性信息計算得到的多普勒頻移為：其中，fre。表示載體運動產生的多普勒頻率;fs表示衛星運動產生的多普勒頻率;λ表示 載波的波長，f'Ee表示載體的速度，r表示衛星的速度，表示衛星到用戶連線方向的單位 矢量。3. 根據權利要求1所述的基于稀疏傅里葉變換的INS輔助抓S信號快速捕獲方法，其特 征在于，所述的步驟四中，進行SFT，包括內循環和外循環兩個環節； 實現外循環的步驟包括(1.1)~（1.10); (1.1) 選擇參數6、8、8、(1/、1^3，滿足下式：其中，ε規定了阻帶起始頻率與采樣頻率的比值，δ規定了阻帶和通帶共同的起伏特性， Β為頻域重排分組數，cT表示稀疏性因子，Ls表示內循環執行次數，η表示信號長度，Κ表示稀 疏度，〇(.)表示空間復雜度； (1.2) 對于參數re[l，2,…Ls]，W滿足supp(G)<〇'<N/K的參數0'執行定位內循環， 得到向量Ir;其中，〇/是一個在區間[〇，n-U上隨機選取的奇數，N表示采樣點數，G表示平滑 窗函數，supp( ·)表示函數的支集； (1.3) 令集合I = IiUI如...Ulr，對于參數iei，令參數si= I {r| ieir} I ; (1.4) 計莫(1.5) 對于re [1，2，..丄s]，在I"上計算信號X的估計譜i的幅值，得到估計結果薦，其 中，x = Zp(k)，.磚={.引ζ·Ε_Τ}，《表示在參數r下估計譜克在第i個頻點處幅值； (1.6) 對于集合I"中的所有元素，計算中位值?； = "??妃m托！ / e /"}; (1.7) 對于中位值構成的集合{;,'}，求出其中的最大值胃片}; (1.8) 設集合料中不小于巧.《0小;}共有m個，其中ct為設定的比例系數； (1.9) 令/'二[/ E /" I豐'> ? . "w.Y'<| y.，對于r e [ 1，2，…Ls]，在1'上運行估計循環，得到 估計結果；;Ι'·ε4; (1.10) 對于集合1'中的所有元素，計算中位值考=/ Ε/'}; 實現內循環的步驟包括(2.1)~(2.6); (2.1) 隨機選取參數(/ e [η]與TsE [η]，且〇/是奇數； (2.2) 記礎行隨機排列和頻域濾波的結果為y，y二滿足條件：其中，表示隨機排列方式，ω表示濾波器長度，ie[B]，yi表示y的第i個頻點處信 號，心心，表示X在第c/i + Ts個頻點處信號，Gi為第i個頻點對應的平滑窗函數； (2.3閑巧￡[8]，定義序列，對序列Z進行傅里葉變換得到信號與.; (2.4) 設映射函數W (i)和ο。'（ i)滿足下面條件：其中rouncK ·)表示取整操作； (2.5) 定位內循環:將寫中幅值最大的cTK個譜峰表示為集合J，對于J中的每個元素，令 集合Η滿足條件:Η=αΕ[η]|?να)Ε"; (2.6) 估計內循環:對于iEH，按下式計算信號峰值.?,'，如下：其中，嗦示在傳輸過程中的時間延時，為X在映射〇。<。)下平滑窗函數G。。,,職譜。
【文檔編號】G01S19/25GK105842713SQ201610370220
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】孟照魁, 高爽, 王文杰, 李慧鵬, 李先慕, 張曉嬌, 李勝臣, 張維睿
【申請人】北京航空航天大學