GNSS时分信号捕获跟踪方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及卫星信号处理，具体公开了一种gnss时分信号捕获跟踪方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、在全球导航系统（gnss）接收机中，捕获和跟踪是基带信号处理的两个关键环节。接收机在开始信号跟踪之前，需要首先估算出接收信号的载波频率和码相位这2个参数，然后根据这些参数的估计值初始化跟踪环路，来帮助接收通道展开对特定卫星信号的跟踪；而信号捕获的目的正是为了获取所有可见卫星信号的载波频率和码相位的粗略估计值。无论是捕获环节还是跟踪环节，其关键核心都是相关器。相关器将本地生成的载波伪码信号与输入信号进行相关和求和，完成载波剥离和伪码剥离，并实现相干累加。

2、对于gps_l2c、glo_l1oc、glo_l2oc等gnss信号，其包含两种信号(如l2cm/l2cl,l1ocd/l1ocp,l2ocp/l2ocd),两种信号相互独立，有各自的码发生器和调制电文，两者使用相同的伪码速率，以1码片为间隔，交替发送两种信号。以gps_l2c信号为例，l2cm和l2cl的伪码速率均为511.5kbps，即1ms的时间内分别包含511.5个l2cm和l2cl的伪码码片，总共包含1023个码片，每个码片的持续时间为1/1023ms，每发送1个l2cm码后发送1个l2cl码。对l2cm信号来说，1ms内只有0.5ms为有用信号，另外0.5ms的l2cl信号对其可以看作噪声。该信号时分方式可以被称作码片时分。

3、当前还存在某些低轨卫星信号，其采用另外一种时分方式：x1信号连续发送1ms后，转而发送x2信号1ms，再切换为发送x1信号1ms。可以将这种信号时分方式称作毫秒时分。

4、对上述两种时分信号的捕获和跟踪，内部相关器一般采用两种方式：一种是将非目标信号的部分也视作目标信号，一起进行捕获跟踪；另外一种方法是通过计数器分辨目标信号，跳过对非目标信号部分的处理。以gps_l2c信号为例，第一种方案是将本地生成511.5khz的l2cm伪码信号与输入信号进行伪码解调，该方案实现较为简单，但是会额外引入1倍的噪声信号，导致最终得到的载噪比降低3db。第二种方案是通过设置计数器，每处理1个采样点，载波nco和伪码nco相应累加，伪码nco累加溢出则对应处理完1个码片，假定当前处理的1码片时长样点对应目标信号，则下一个码片时长样点对应噪声信号，对非噪声信号进行正常的相干累加处理，对噪声信号则不进行处理，仅对载波nco和伪码nco逐点累加，直到再次溢出；对目标信号每完成一个码片时长样点，本地伪码相位加1；该方案可以避免引入额外的噪声，但是其载波nco和伪码nco仍然是与方案1一样进行逐点累加，因此其处理耗时仍与方案1相当。

5、捕获处理速度加快不仅可以提高搜星速度，还可以提高捕获灵敏度。在有限的时间内，对单颗卫星的捕获处理速度加快，则可以处理的卫星数增多，对应到单颗卫星则捕获次数增多，那么捕获概率相同的情况下，捕获成功的概率相应增大，最终捕获灵敏度提高。

6、而跟踪处理速度的提高，可以提高硬件的处理效率。一般的跟踪硬件相关器的资源有限，通过复用的方式实现单个相关器对多个软件通道的实时信号处理。因此，提高硬件的处理效率可以增大接收机的最大通道数；在确定通道数的情况下，可以减少硬件处理耗时，降低功耗。

7、目前，专利《一种gps l2c信号跟踪方法》，公开号cn103439719b，使用无迹卡尔曼滤波，采用cm码和cl码同时跟踪以降低载波和码跟踪门限，避免能量浪费与精度损失。但该专利没有具体描述硬件如何实现对cm和cl的各自跟踪处理细节，重点描述的是将两者的跟踪得到的积分结果，用于卡尔曼滤波，以提高跟踪精度。

8、专利《一种gps l2c信号cl码的快速捕获方法》，公开号cn115469341a，该专利通过将cm码折叠，与接收信号相关，再逐步展开折叠信号，以获得精准码相位，最终得到cl码的码相位。该折叠过程对捕获精度有损失，且没有描述如何解决码片时分带来的额外噪声。

9、专利《一种gps l2c导频信号接收装置及方法》，公开号cn105717520a，利用了同一颗gps卫星播发的gps_l1ca与gps_l2c信号之间的相互联系，通过捕获gps_l1ca信号并进行跟踪，使用gps_l1ca信号的观测量辅助跟踪gps_l2c信号;并未直接对gps_l2c信号进行捕获，且也没有描述如何解决码片时分带来的额外噪声。

10、因此，现有技术无法在不损失信号精度、不引入噪声的前提下，同时降低码片时分、毫秒时分两类gnss信号捕获与跟踪的运算量，提高捕获与跟踪的处理效率。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是现有技术无法在不损失信号精度、不引入噪声的前提下降低运算量、提高处理效率。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种gnss时分信号捕获跟踪方法，包括：

4、获取各参数并配置到寄存器中；

5、根据时分类型和各参数建立不同的时分跳转机制，时分类型包括码片时分和毫秒时分，时分跳转机制包括码片时分跳转机制和毫秒时分跳转机制；

6、获取gnss信号的时分类型，基于gnss信号的时分类型采用对应的时分跳转机制对输入信号进行处理。

7、进一步，参数包括：

8、状态标志、伪码频率fcode、伪码nco累加步进codestep、载波nco累加步进carrstep、跳转点数addrjump、伪码nco跳转步进codejump、载波nco跳转步进carrjump、码片计数codecnt、码相位索引codeldx和样点地址readaddr。

9、进一步，fcode、codestep、carrstep、codejump和carrjump的计算公式分别为：

10、fcode = fcode_std + doppler*fcode_std/fcarr，

11、codestep=2^a/fs*fcode，

12、carrstep=2^b/fs*doppler，

13、codejump=(addrjump*codestep)%2^a，

14、carrjump=(addrjump*carrstep)%2^b，

15、对于码片时分信号，addrjump的计算公式为：

16、addrjump=int(fs/fcode/2)，

17、对于毫秒时分信号，addrjump的计算公式为：

18、addrjump=int(fs/1000)，

19、其中，doppler为多普勒频率，fcode_std为伪码速率，fcarr为载波频率，fs为采样率,a为伪码nco使用的累加器的阶数，b为载波nco使用的累加器的阶数。

20、进一步，对于码片时分信号采用的码片时分跳转机制，包括：

21、s11、相关器从寄存器中读取各参数，并设置目标地址的采样点的状态标志为目标信号；

22、s12、若当前采样点的状态标志为目标信号时，根据各参数进行载波剥离、伪码剥离和相干累加；

23、s13、伪码nco加上伪码nco累加步进，载波nco加上载波nco累加步进，样点地址加1；

24、s14、判断是否存在伪码nco溢出，若是则状态标志切换为非目标信号，并清除溢出位，然后伪码nco加上伪码nco跳转步进，载波nco加上载波nco跳转步进，样点地址加上跳转点数，码片计数加1，若码片计数达到目标信号的码片长度，则码片计数重置为0；若否则返回s12；

25、s15、判断跳转后是否存在伪码nco溢出，若是则状态标志切换为目标信号，并清除溢出位，然后返回s12；若否则伪码nco加上伪码nco累加步进，载波nco加上载波nco累加步进，样点地址加1，此时伪码nco必然溢出，然后状态标志切换为目标信号，并清除溢出位后，返回s12。

26、进一步，对于毫秒时分信号采用的毫秒时分跳转机制，包括：

27、s21、相关器从寄存器中读取各参数，并设置目标地址的采样点的状态标志为目标信号；

28、s22、码片计数设置为零；

29、s23、若当前采样点的状态标志为目标信号时，根据各参数进行载波剥离、伪码剥离和相干累加；

30、s24、伪码nco加上伪码nco累加步进，载波nco加上载波nco累加步进，样点地址加1；

31、s25、判断是否存在伪码nco溢出，若是则码片计数加1，码片索引加1；若否则返回s23；

32、s26、判断码片计数是否大于或等于预设的码片数，若是则状态标志切换为非目标信号，并清除溢出位，然后伪码nco加上伪码nco跳转步进，载波nco加上载波nco跳转步进，样点地址加上跳转点数，码片计数加1；若否则返回s23；

33、s27、判断跳转后是否存在伪码nco溢出，若是则状态标志切换为目标信号，并清除溢出位，然后返回s22；若否则伪码nco加上伪码nco累加步进，载波nco加上载波nco累加步进，样点地址加1，此时伪码nco必然溢出，然后状态标志切换为目标信号，并清除溢出位后，返回s22。

34、本发明还涉及一种gnss时分信号捕获跟踪系统，用于上述的一种gnss时分信号捕获跟踪方法，包括：

35、参数获取模块，用于获取各参数并配置到寄存器中；

36、时分跳转机制生成模块，用于根据时分类型和各参数建立不同的时分跳转机制，时分类型包括码片时分和毫秒时分，时分跳转机制包括码片时分跳转机制和毫秒时分跳转机制；

37、时分跳转机制执行模块，用于获取gnss信号的时分类型，基于gnss信号的时分类型采用对应的时分跳转机制对输入信号进行处理。

38、进一步，时分跳转机制执行模块包括码片时分跳转机制执行单元，码片时分跳转机制执行单元包括：

39、s11、相关器从寄存器中读取各参数，并设置目标地址的采样点的状态标志为目标信号；

40、s12、若当前采样点的状态标志为目标信号时，根据各参数进行载波剥离、伪码剥离和相干累加；

41、s13、伪码nco加上伪码nco累加步进，载波nco加上载波nco累加步进，样点地址加1；

42、s14、判断是否存在伪码nco溢出，若是则状态标志切换为非目标信号，并清除溢出位，然后伪码nco加上伪码nco跳转步进，载波nco加上载波nco跳转步进，样点地址加上跳转点数，码片计数加1，若码片计数达到目标信号的码片长度，则码片计数重置为0；若否则返回s12；

43、s15、判断跳转后是否存在伪码nco溢出，若是则状态标志切换为目标信号，并清除溢出位，然后返回s12；若否则伪码nco加上伪码nco累加步进，载波nco加上载波nco累加步进，样点地址加1，此时伪码nco必然溢出，然后状态标志切换为目标信号，并清除溢出位后，返回s12。

44、进一步，时分跳转机制执行模块还包括毫秒时分跳转机制执行单元，毫秒时分跳转机制执行单元包括：

45、s21、相关器从寄存器中读取各参数，并设置目标地址的采样点的状态标志为目标信号；

46、s22、码片计数设置为零；

47、s23、若当前采样点的状态标志为目标信号时，根据各参数进行载波剥离、伪码剥离和相干累加；

48、s24、伪码nco加上伪码nco累加步进，载波nco加上载波nco累加步进，样点地址加1；

49、s25、判断是否存在伪码nco溢出，若是则码片计数加1，码片索引加1；若否则返回s23；

50、s26、判断码片计数是否大于或等于预设的码片数，若是则状态标志切换为非目标信号，并清除溢出位，然后伪码nco加上伪码nco跳转步进，载波nco加上载波nco跳转步进，样点地址加上跳转点数，码片计数加1；若否则返回s23；

51、s27、判断跳转后是否存在伪码nco溢出，若是则状态标志切换为目标信号，并清除溢出位，然后返回s22；若否则伪码nco加上伪码nco累加步进，载波nco加上载波nco累加步进，样点地址加1，此时伪码nco必然溢出，然后状态标志切换为目标信号，并清除溢出位后，返回s22。

52、本发明还涉及一种电子设备，包括：处理器和存储器；存储器用于存储处理器的可执行指令，处理器配置为经由执行可执行指令来执行上述的一种gnss时分信号捕获跟踪方法。

53、本发明还涉及一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的一种gnss时分信号捕获跟踪方法。

54、本发明的有益效果是：通过由载波nco和伪码nco的跳转形成的码片时分跳转机制和毫秒时分跳转机制，实现了捕获和跟踪的相关器在不损失信号精度、不引入噪声的前提下，跳过对非目标信号的处理，只对目标信号处理，将实际处理的耗时减半，大大降低运算量，显著提高处理效率。对捕获来说，gnss时分信号的捕获处理速度加快，单位时间内对每一颗卫星的捕获轮转次数增多，可以提高捕获成功概率，从而提高捕获灵敏度。对于跟踪来说，gnss时分信号的跟踪处理速度加快，单个硬件相关器在有限时间内可以处理的卫星通道数增多，可以提高接收机整体的最大跟踪通道数，在接收机处理性能足够的情况下，相关器可以更快完成所有卫星的跟踪处理，空闲时长增多，因此整体功耗降低。