本發(fā)明涉及一種信號(hào)捕獲技術(shù)，特別是涉及一種衛(wèi)星信號(hào)多維快速捕獲方法及系統(tǒng)，屬于衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著衛(wèi)星技術(shù)的飛速發(fā)展，空間飛行器的數(shù)量迅速增加，衛(wèi)星通信的需求越來越大，受天線增益、平臺(tái)規(guī)模的限制以及收發(fā)信機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通信雙方常在高動(dòng)態(tài)低信噪比環(huán)境下進(jìn)行通信，在高動(dòng)態(tài)低信噪比環(huán)境下，傳統(tǒng)的同步技術(shù)在低信噪比和高動(dòng)態(tài)的通信條件下性能較差，甚至?xí)?dǎo)致任務(wù)的失敗。這是由于高動(dòng)態(tài)環(huán)境意味著較大的多普勒頻移，這往往已經(jīng)超過了傳統(tǒng)載波鎖相環(huán)的捕獲帶，因此利用傳統(tǒng)的同步技術(shù)，將不能保證載波信號(hào)進(jìn)行正確的捕獲，為了提高接收機(jī)的捕獲帶，就必須增加環(huán)路帶寬，這樣會(huì)引入過多的帶寬噪聲，使得信噪比惡化，當(dāng)噪聲大于閾值門限時(shí)，也會(huì)使載波跟蹤環(huán)路難以鎖定，導(dǎo)致解調(diào)數(shù)據(jù)無法爭取恢復(fù)。所以在高動(dòng)態(tài)和低信噪比的環(huán)境下，傳統(tǒng)的載波同步技術(shù)將不再適用，需要根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)提出新的載波同步技術(shù)。

衛(wèi)星信號(hào)的快速捕獲是衛(wèi)星接收機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)，是接收機(jī)同步的重要組成部分，捕獲部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的載波多普勒和碼相位的粗略估計(jì)，是實(shí)現(xiàn)后續(xù)精確估計(jì)的前提和基礎(chǔ)。快速捕獲主要分為時(shí)域和頻域兩個(gè)方面，時(shí)域的快速捕獲方法主要基于匹配濾波器的并行或穿行捕獲，頻域的快速捕獲主要利用FFT作循環(huán)相關(guān)實(shí)現(xiàn)偽碼的并行搜索。上述幾種方法都需要在頻域進(jìn)行串行搜索，因此在大頻偏的情況下，搜索范圍較大，捕獲時(shí)間相應(yīng)的會(huì)變長。

我國對(duì)于高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星信號(hào)接收捕獲技術(shù)的研究起步較晚，受應(yīng)用環(huán)境、電子器件水平等方面的限制，現(xiàn)有的高動(dòng)態(tài)環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)接收捕獲技術(shù)存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、檢測頻率范圍有限、處理延時(shí)大等局限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種衛(wèi)星信號(hào)多維快速捕獲方法及系統(tǒng)，可解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)捕獲算法檢測頻偏范圍有限、硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、處理時(shí)延長等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的高效快速捕獲。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種衛(wèi)星信號(hào)多維快速捕獲方法，包括以下步驟：

1)計(jì)算多普勒頻偏初始值f_dr和多普勒頻率變化率的初始值δf_dr|_max，并確定捕獲參數(shù)；

多普勒頻偏初始值f_dr的計(jì)算公式為其中，f_r為系統(tǒng)接收載波頻率，v_dm為系統(tǒng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，c為光速，取3×10⁸米/秒；

多普勒頻率變化率初始值的計(jì)算公式為其中，為相對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度；

根據(jù)計(jì)算得到的多普勒頻偏和多普勒頻率變化率的初始值大小，確定捕獲參數(shù)；其中，捕獲參數(shù)包括快速傅里葉變換FFT的變換點(diǎn)數(shù)N和匹配濾波的塊數(shù)M；

快速傅里葉變換FFT的變換點(diǎn)數(shù)N和匹配濾波的塊數(shù)M的參數(shù)值根據(jù)處理時(shí)鐘速率f_clock、碼片速率R_c、多普勒頻偏初始值f_dr共同確定，使得捕獲后碼片誤差控制在半個(gè)碼片以內(nèi)。

2)基帶信號(hào)剝離并存儲(chǔ)；

通過數(shù)字中頻混頻器從接收到的衛(wèi)星信號(hào)剝離出I、Q兩路基帶信號(hào)，并將I、Q兩路基帶信號(hào)存儲(chǔ)入存儲(chǔ)器；

3)本地碼序列生成；

在剝離出I、Q兩路基帶信號(hào)的同時(shí)，按照I、Q兩路基帶信號(hào)的碼生成多項(xiàng)式，通過本地碼發(fā)生器產(chǎn)生兩路本地碼序列，記為PN_I、PN_Q；

4)進(jìn)行分段匹配濾波；

采用循環(huán)移位的方式，通過分段匹配濾波器PMF以M個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)為單元依次從存儲(chǔ)器中分段讀取I、Q兩路基帶信號(hào)，依次與本地碼發(fā)生器輸出的兩路本地碼序列PN_I、PN_Q進(jìn)行匹配相關(guān)，得到兩路匹配濾波數(shù)據(jù)，記為PMF_real、PMF_imag；

每完成一個(gè)單元的M個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)的分段匹配濾波，將循環(huán)計(jì)數(shù)器Counter_flag自動(dòng)加1；

5)進(jìn)行快速傅里葉變換；

將兩路匹配濾波數(shù)據(jù)PMF_real、PMF_imag送入變換點(diǎn)數(shù)為N點(diǎn)的快速傅里葉變換FFT模塊中，經(jīng)快速傅里葉變換后，通過頻率抽取得到兩路變換數(shù)據(jù)，記為FFT_real、FFT_imag；

6)捕獲檢測；

通過捕獲檢測模塊對(duì)兩路變換數(shù)據(jù)FFT_real、FFT_imag進(jìn)行取模平方運(yùn)算，得到N個(gè)實(shí)部數(shù)據(jù)；并對(duì)該N個(gè)實(shí)部數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索查找，得到N個(gè)實(shí)部數(shù)據(jù)的最大值A(chǔ)cc_Max和最大值位置Max_pos；

將最大值A(chǔ)cc_Max送入存儲(chǔ)深度為K的存儲(chǔ)空間，K取16或32，計(jì)算出這K個(gè)最大值的平均值averg_Max；

設(shè)定判決用的門限值Decide_TH，該門限值Decide_TH為計(jì)算出的平均值averg_Max的N倍，N取4～16之間的自然數(shù)；

當(dāng)存儲(chǔ)空間每送進(jìn)一個(gè)新的最大值A(chǔ)cc_Max，則更新一次門限值Decide_TH；

將存儲(chǔ)空間中的最大值A(chǔ)cc_Max與門限值Decide_TH相比較，當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)值大于門限值時(shí)，依次搜索該值后的最大值，如果依次搜索的最大值都大于門限值，則認(rèn)為捕獲到最大值，輸出捕獲鎖定指示，并記錄最大值和最大值位置；否則，沒有捕獲到衛(wèi)星信號(hào)，執(zhí)行步驟9)；

7)捕獲驗(yàn)證；

通過捕獲驗(yàn)證模塊將捕獲時(shí)刻的快速傅里葉變換FFT模塊輸出的最大值與所計(jì)算的平均值進(jìn)行作比，當(dāng)兩者的比值大于設(shè)定閾值時(shí)，則認(rèn)為此次捕獲是一次正確捕獲；否則，認(rèn)為捕獲失敗；

8)捕獲判決；

通過捕獲判決模塊將通過捕獲驗(yàn)證后的最大值位置Max_pos和捕獲鎖定指示進(jìn)行輸出，并根據(jù)最大值位置Max_pos和捕獲鎖定指示計(jì)算得到所檢測的多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位Initial_phase，

Initial_phase＝M*Counter_flag

其中，f_s為采樣速率；

將計(jì)算得到的多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位Initial_phase送入數(shù)字中頻混頻器中進(jìn)行補(bǔ)償；

9)頻率自適應(yīng)調(diào)整；

初始狀態(tài)時(shí)，數(shù)字中頻混頻器中的數(shù)控振蕩器NCO設(shè)置的起始頻率f_init等于f_r；

若無法捕獲到衛(wèi)星信號(hào)，則輸入多普勒頻偏不在檢測范圍內(nèi)的指示給數(shù)字中頻混頻器，此時(shí)數(shù)字中頻混頻器中的數(shù)控振蕩器NCO對(duì)起始頻率f_init進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以f_init＝f_r±10KHz頻率步進(jìn)調(diào)整數(shù)控振蕩器NCO輸出頻率進(jìn)行重新捕獲，重復(fù)步驟6)～步驟8)，直至捕獲到衛(wèi)星信號(hào)為止。

本發(fā)明的捕獲方法進(jìn)一步設(shè)置為：所述步驟2)中的通過數(shù)字中頻混頻器從接收到的衛(wèi)星信號(hào)剝離出I、Q兩路基帶信號(hào)，具體為，數(shù)字中頻混頻器對(duì)接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻及采樣，截取信號(hào)有效位數(shù)進(jìn)行基帶信號(hào)剝離。

本發(fā)明的捕獲方法進(jìn)一步設(shè)置為：所述步驟3)中的I、Q兩路基帶信號(hào)的特征多項(xiàng)式為

f_I(x)＝1+x³+x¹⁰

f_Q(x)＝1+x¹⁰

其中，x為變量。

本發(fā)明的捕獲方法進(jìn)一步設(shè)置為：所述步驟4)中的匹配相關(guān)，具體為，利用復(fù)數(shù)乘法器進(jìn)行共軛相乘，依次計(jì)算出M個(gè)復(fù)數(shù)乘法器的共軛相乘結(jié)果，將M個(gè)共軛相乘結(jié)果送入累加器進(jìn)行累加，依次延時(shí)一個(gè)碼元寬度完成累加，從而得到兩路匹配濾波數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的捕獲方法進(jìn)一步設(shè)置為：所述步驟5)中的快速傅里葉變換采用頻域的FFT算法。

本發(fā)明還提供一種衛(wèi)星信號(hào)多維快速捕獲系統(tǒng)，包括數(shù)字中頻混頻器，本地碼發(fā)生器，分段匹配濾波器PMF，快速傅里葉變換FFT模塊，捕獲檢測模塊，捕獲驗(yàn)證模塊和捕獲判決模塊；

所述數(shù)字中頻混頻器，用于對(duì)接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻及采樣，截取信號(hào)有效位數(shù)從而剝離出I、Q兩路基帶信號(hào)，并將I、Q兩路基帶信號(hào)存儲(chǔ)入存儲(chǔ)器，以及從捕獲判決模塊中獲得多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位進(jìn)行補(bǔ)償，且在無法捕獲到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)對(duì)起始頻率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；

所述本地碼發(fā)生器，用于按照I、Q兩路基帶信號(hào)的碼生成多項(xiàng)式產(chǎn)生兩路本地碼序列；

所述分段匹配濾波器PMF，用于從存儲(chǔ)器中分段讀取I、Q兩路基帶信號(hào)，以M個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)為單元，依次與本地碼發(fā)生器輸出的兩路本地碼序列進(jìn)行匹配相關(guān)，得到兩路匹配濾波數(shù)據(jù)；

所述快速傅里葉變換FFT模塊，用于對(duì)兩路匹配濾波數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，從時(shí)域和頻域二維搜索，并進(jìn)行頻率抽取得到兩路變換數(shù)據(jù)；

所述捕獲檢測模塊，用于對(duì)兩路變換數(shù)據(jù)進(jìn)行取模平方運(yùn)算和最大值搜索，捕獲到最大值，輸出捕獲鎖定指示，并記錄最大值和最大值位置；

所述捕獲驗(yàn)證模塊，用于驗(yàn)證捕獲檢測模塊所捕獲到的最大值是否正確，輸出捕獲驗(yàn)證結(jié)果；

所述捕獲判決模塊，用于將捕獲驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行判決輸出，并計(jì)算得到所檢測的多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位，將多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位送入數(shù)字中頻混頻器。

本發(fā)明的捕獲系統(tǒng)進(jìn)一步設(shè)置為：所述數(shù)字中頻混頻器包括數(shù)控振蕩器NCO、混頻器復(fù)數(shù)乘法器和低通濾波器，數(shù)控振蕩器NCO與混頻器復(fù)數(shù)乘法器相連接，混頻器復(fù)數(shù)乘法器與低通濾波器相連接。

本發(fā)明的捕獲系統(tǒng)進(jìn)一步設(shè)置為：所述分段匹配濾波器PMF包括PMF復(fù)數(shù)乘法器、濾波器和PMF累加器，PMF復(fù)數(shù)乘法器與濾波器相連，濾波器與PMF累加器相連接。

本發(fā)明的捕獲系統(tǒng)進(jìn)一步設(shè)置為：所述捕獲檢測模塊包括捕獲復(fù)數(shù)乘法器、捕獲累加器、比較器和判決器，捕獲復(fù)數(shù)乘法器與捕獲累加器相連接，捕獲累加器與比較器相連接將輸出結(jié)果送入比較器，比較器與判決器相連接最終由判決器輸出捕獲指示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明提供的衛(wèi)星信號(hào)多維快速捕獲方法及系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、處理時(shí)延小、可檢測頻偏范圍大等顯著優(yōu)點(diǎn)，通過頻率自適應(yīng)調(diào)整、分段匹配濾波和快速傅里葉變換等算法，可解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)捕獲算法檢測頻偏范圍有限、硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、處理時(shí)延長等技術(shù)難題；可檢測多普勒頻移范圍為±50KHz，多普勒頻率變化率為±50Hz，即可實(shí)現(xiàn)飛行速度20Ma、加速度為180g極高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的無線電通信的穩(wěn)定接收，捕獲跟蹤時(shí)間小于100ms；特別適用于衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等天基測控應(yīng)用領(lǐng)域以及其他地基無線電通信領(lǐng)域的高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的接收同步，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。

上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

附圖說明

圖1傳統(tǒng)基于FFT的捕獲方法的原理框圖；

圖2本發(fā)明捕獲方法的原理框圖；

圖3本發(fā)明捕獲方法中PMF數(shù)據(jù)相關(guān)處理的原理示意圖；

圖4本發(fā)明捕獲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5本發(fā)明捕獲系統(tǒng)的本地碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖；

圖6本發(fā)明捕獲方法的相關(guān)性能；

圖7本發(fā)明捕獲方法的檢測概率和虛警概率性能。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

圖1給出了傳統(tǒng)基于FFT的捕獲方法的原理框圖，考慮到擴(kuò)頻碼的周期性以及一個(gè)信息碼元內(nèi)擴(kuò)頻碼的重復(fù)性，對(duì)信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算，可以等效為循環(huán)卷積，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

一個(gè)擴(kuò)頻碼周期內(nèi)所有的相關(guān)值兩個(gè)長度為N的序列a和b之間的循環(huán)互相關(guān)函數(shù)為：

式中，b'＝(b(-n))_N，為將序列b周期延拓翻轉(zhuǎn)后取主值序列可得。

又有序列a與序列b的循環(huán)卷積為：

令序列a(n)和b(n)的傅里葉變換分別為X_a(k)和X_b(k)，即：

X_a(k)＝DFT[a(n)]，X_b(k)＝DFT[b(n)]

序列b'的傅里葉變換為：X_b'(k)＝conj(X_b(n))，conj表示取復(fù)共軛。

則有R_ab(m)＝IDFT[X_a(k)·X_b'(k)]＝IDFT[X_a(k)·conj(X_b(k))]。

對(duì)于長度為N的兩個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)列，采用時(shí)域的FFT算法，完成互相關(guān)運(yùn)算的運(yùn)算量級(jí)為N²；采用頻域的FFT算法，運(yùn)算量級(jí)為3×N×log₂N+N。隨著N的增加，頻域方法的運(yùn)算量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時(shí)域方法。

多普勒頻移的糾正可以通過頻域循環(huán)移位實(shí)現(xiàn)：

C_ab(n)e^j2πkn/N＝IDFT[X_ab(N-k)_N]

然而，傳統(tǒng)的FFT捕獲算法存在檢測頻偏范圍有限、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大、捕獲時(shí)間長等局限。

本發(fā)明提供一種衛(wèi)星信號(hào)多維快速捕獲方法，如圖2所示，包括以下步驟：

1)計(jì)算多普勒頻偏初始值f_dr和多普勒頻率變化率的初始值δf_dr|_max，并確定捕獲參數(shù)；

計(jì)算由于高速運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻偏初始值f_dr和由于加速度引起的多普勒頻率變化率初始值δf_dr|_max；多普勒頻偏初始值f_dr的計(jì)算公式為其中，f_r為系統(tǒng)接收載波頻率，v_dm為系統(tǒng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，c為光速，取3×10⁸米/秒；

多普勒頻率變化率初始值的計(jì)算公式為其中，為相對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度；

根據(jù)計(jì)算得到的多普勒頻偏和多普勒頻率變化率的初始值大小，確定捕獲參數(shù)；其中，捕獲參數(shù)包括快速傅里葉變換FFT的變換點(diǎn)數(shù)N和匹配濾波的塊數(shù)M；

快速傅里葉變換FFT的變換點(diǎn)數(shù)N和匹配濾波的塊數(shù)M的參數(shù)值根據(jù)處理時(shí)鐘速率f_clock、碼片速率R_c、多普勒頻偏初始值f_dr共同確定，使得捕獲后碼片誤差控制在半個(gè)碼片以內(nèi)。

2)基帶信號(hào)剝離并存儲(chǔ)；

通過數(shù)字中頻混頻器從接收到的衛(wèi)星信號(hào)剝離出I、Q兩路基帶信號(hào)，并將I、Q兩路基帶信號(hào)存儲(chǔ)入存儲(chǔ)器；

具體為，數(shù)字中頻混頻器對(duì)接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻及采樣，截取信號(hào)有效位數(shù)進(jìn)行基帶信號(hào)剝離。

3)本地碼序列生成；

在剝離出I、Q兩路基帶信號(hào)的同時(shí)，按照I、Q兩路基帶信號(hào)的碼生成多項(xiàng)式，通過本地碼發(fā)生器產(chǎn)生兩路本地碼序列，記為PN_I、PN_Q；

其中，I、Q兩路基帶信號(hào)的碼生成多項(xiàng)式為

f_I(x)＝1+x³+x¹⁰

f_Q(x)＝1+x¹⁰

其中，x為變量。

4)進(jìn)行分段匹配濾波；

采用循環(huán)移位的方式，通過分段匹配濾波器PMF以M個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)為單元從存儲(chǔ)器中分段讀取I、Q兩路基帶信號(hào)，依次與本地碼發(fā)生器輸出的兩路本地碼序列PN_I、PN_Q進(jìn)行匹配相關(guān)，得到兩路匹配濾波數(shù)據(jù)，記為PMF_real、PMF_imag；

每完成一個(gè)單元的M個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)的分段匹配濾波，將循環(huán)計(jì)數(shù)器Counter_flag自動(dòng)加1；

匹配相關(guān)，具體為，利用復(fù)數(shù)乘法器進(jìn)行共軛相乘，依次計(jì)算出M個(gè)復(fù)數(shù)乘法器的共軛相乘結(jié)果，將M個(gè)共軛相乘結(jié)果送入累加器進(jìn)行累加，依次延時(shí)一個(gè)碼元寬度完成累加，從而得到兩路匹配濾波數(shù)據(jù)。

5)進(jìn)行快速傅里葉變換；

將兩路匹配濾波數(shù)據(jù)PMF_real、PMF_imag送入變換點(diǎn)數(shù)為N點(diǎn)的快速傅里葉變換FFT模塊中，經(jīng)采用頻域的FFT算法快速傅里葉變換后，通過頻率抽取得到兩路變換數(shù)據(jù)，記為FFT_real、FFT_imag。

6)捕獲檢測；

通過捕獲檢測模塊對(duì)兩路變換數(shù)據(jù)FFT_real、FFT_imag進(jìn)行取模平方運(yùn)算，得到N個(gè)實(shí)部數(shù)據(jù)；并對(duì)該N個(gè)實(shí)部數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索查找，得到N個(gè)實(shí)部數(shù)據(jù)的最大值A(chǔ)cc_Max和最大值位置Max_pos；

將最大值A(chǔ)cc_Max送入存儲(chǔ)深度為K的存儲(chǔ)空間，K取16或32，計(jì)算出這K個(gè)最大值的平均值averg_Max，可方便硬件處理；

設(shè)定判決用的門限值Decide_TH，該門限值Decide_TH為計(jì)算出的平均值averg_Max的N倍，N取4～16之間的自然數(shù)；

當(dāng)存儲(chǔ)空間每送進(jìn)一個(gè)新的最大值A(chǔ)cc_Max，則更新一次門限值Decide_TH；

將存儲(chǔ)空間中的最大值A(chǔ)cc_Max與門限值Decide_TH相比較，當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)值大于門限值時(shí)，依次搜索該值后的最大值，如果依次搜索的最大值都大于門限值，則認(rèn)為捕獲到最大值，輸出捕獲鎖定指示，并記錄最大值和最大值位置；否則，沒有捕獲到衛(wèi)星信號(hào)，執(zhí)行步驟9)。

7)捕獲驗(yàn)證；

通過捕獲驗(yàn)證模塊將捕獲時(shí)刻的快速傅里葉變換FFT模塊輸出的最大值與所計(jì)算的平均值進(jìn)行作比，當(dāng)兩者的比值大于設(shè)定閾值時(shí)，則認(rèn)為此次捕獲是一次正確捕獲；否則，認(rèn)為捕獲失敗。

8)捕獲判決；

通過捕獲判決模塊將通過捕獲驗(yàn)證后的最大值位置Max_pos和捕獲鎖定指示進(jìn)行輸出，并根據(jù)最大值位置Max_pos和捕獲鎖定指示計(jì)算得到所檢測的多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位Initial_phase，

Initial_phase＝M*Counter_flag

其中，f_s為采樣速率；

將計(jì)算得到的多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位Initial_phase送入數(shù)字中頻混頻器中進(jìn)行補(bǔ)償。

9)頻率自適應(yīng)調(diào)整；

初始狀態(tài)時(shí)，數(shù)字中頻混頻器中的數(shù)控振蕩器NCO設(shè)置的起始頻率f_init等于f_r；

若無法捕獲到衛(wèi)星信號(hào)，則輸入多普勒頻偏不在檢測范圍內(nèi)的指示給數(shù)字中頻混頻器，此時(shí)數(shù)字中頻混頻器中的數(shù)控振蕩器NCO對(duì)起始頻率f_init進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以f_init＝f_r±10KHz頻率步進(jìn)調(diào)整數(shù)控振蕩器NCO輸出頻率進(jìn)行重新捕獲，重復(fù)步驟6)～步驟8)，直至捕獲到衛(wèi)星信號(hào)為止。

圖3示出了PMF數(shù)據(jù)相關(guān)處理的原理示意圖，首先本地碼選取一段從基準(zhǔn)零相位起的偽碼，由于PN碼是一種偽隨機(jī)碼，它具有良好的自相關(guān)特性，只要錯(cuò)開一個(gè)碼元寬度，碼的自相關(guān)值就會(huì)變的很小，利用這個(gè)性質(zhì)，可以將接收信號(hào)復(fù)制為多組，依次延時(shí)一個(gè)碼元后與原信號(hào)進(jìn)行疊加；再對(duì)疊加后的信號(hào)進(jìn)行PMF捕獲，對(duì)于本地復(fù)現(xiàn)的PN碼，只有與之相差在一個(gè)碼元寬度之內(nèi)的信號(hào)才能被檢測出來，其它的疊加信號(hào)會(huì)被當(dāng)作是白噪聲，所以，如果在捕獲過程中出現(xiàn)了峰值，就可以在獲得多普勒頻率粗略估計(jì)值的同時(shí)，將碼相位的模糊度限制在參與疊加的那幾個(gè)相位中，這樣就大大的縮小了搜索范圍，然后在通過進(jìn)一步的捕獲過程來獲得較為精確的碼相位信息，如果未能實(shí)現(xiàn)捕獲，就跳過那一段參加疊加捕獲的相位，重復(fù)上面的過程繼續(xù)進(jìn)行捕獲搜索。

本發(fā)明還提供一種衛(wèi)星信號(hào)多維快速捕獲系統(tǒng)，如圖4所示，包括數(shù)字中頻混頻器，本地碼發(fā)生器，分段匹配濾波器PMF，快速傅里葉變換FFT模塊，捕獲檢測模塊，捕獲驗(yàn)證模塊和捕獲判決模塊；

所述數(shù)字中頻混頻器，用于對(duì)接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻及采樣，截取信號(hào)有效位數(shù)從而剝離出I、Q兩路基帶信號(hào)，并將I、Q兩路基帶信號(hào)存儲(chǔ)入存儲(chǔ)器，以及從捕獲判決模塊中獲得多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位進(jìn)行補(bǔ)償，且在無法捕獲到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)進(jìn)行頻率自適應(yīng)調(diào)整；

所述本地碼發(fā)生器，用于按照I、Q兩路基帶信號(hào)的碼生成多項(xiàng)式產(chǎn)生兩路本地碼序列，其結(jié)構(gòu)如圖5所示；

所述分段匹配濾波器PMF，用于從存儲(chǔ)器中分段讀取I、Q兩路基帶信號(hào)，以M個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)為單元，依次與本地碼發(fā)生器輸出的兩路本地碼序列進(jìn)行匹配相關(guān)，得到兩路匹配濾波數(shù)據(jù)；

所述快速傅里葉變換FFT模塊，用于對(duì)兩路匹配濾波數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，從時(shí)域和頻域二維搜索，并進(jìn)行頻率抽取得到兩路變換數(shù)據(jù)；

所述捕獲檢測模塊，用于對(duì)兩路變換數(shù)據(jù)進(jìn)行取模平方運(yùn)算和最大值搜索，捕獲到最大值，輸出捕獲鎖定指示，并記錄最大值和最大值位置；

所述捕獲驗(yàn)證模塊，用于驗(yàn)證捕獲檢測模塊所捕獲到的最大值是否正確，輸出捕獲驗(yàn)證結(jié)果；

所述捕獲判決模塊，用于將捕獲驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行判決輸出，并計(jì)算得到所檢測的多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位，將多普勒頻偏估計(jì)值和碼初始相位送入數(shù)字中頻混頻器。

所述數(shù)字中頻混頻器包括數(shù)控振蕩器NCO、混頻器復(fù)數(shù)乘法器和低通濾波器，數(shù)控振蕩器NCO與混頻器復(fù)數(shù)乘法器相連接，混頻器復(fù)數(shù)乘法器與低通濾波器相連接。

所述分段匹配濾波器PMF包括PMF復(fù)數(shù)乘法器、濾波器和PMF累加器，PMF復(fù)數(shù)乘法器與濾波器相連，濾波器與PMF累加器相連接。

所述捕獲檢測模塊包括捕獲復(fù)數(shù)乘法器、捕獲累加器、比較器和判決器，捕獲復(fù)數(shù)乘法器與捕獲累加器相連接，捕獲累加器與比較器相連接將輸出結(jié)果送入比較器，比較器與判決器相連接最終由判決器輸出捕獲指示。

本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)FFT捕獲算法檢測頻偏范圍有限、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大、捕獲時(shí)間長等局限通過自適應(yīng)頻率調(diào)整、分段匹配濾波和快速傅里葉變換等算法，具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、處理時(shí)延小、可檢測頻偏范圍大等顯著優(yōu)點(diǎn)。其中，自適應(yīng)頻率調(diào)整主要針對(duì)捕獲檢測結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整數(shù)字中頻混頻器中心頻率，若無法捕獲到接收信號(hào)，則以一定頻率步進(jìn)去自適應(yīng)調(diào)整數(shù)字中頻混頻器頻率，再進(jìn)行捕獲檢測，直至捕獲到接收信號(hào)為止；分段匹配濾波器PMF主要作用是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行部分解擴(kuò)，得到一定的擴(kuò)頻增益，從而提高信噪比；同時(shí)運(yùn)用快速傅里葉變換又對(duì)數(shù)據(jù)降速處理，減少了FFT運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)。根據(jù)分段匹配濾波結(jié)構(gòu)的幅頻響應(yīng)和IP核的運(yùn)算能力，合理選擇匹配濾波器的塊數(shù)M的大小和FFT的點(diǎn)數(shù)N，以達(dá)到最佳效果；搜索偽碼相位和估計(jì)多普勒頻移同時(shí)進(jìn)行，也就是說將原來的相位、頻率二維搜索過程變?yōu)閭未a相位的一維搜索，大大減少了捕獲時(shí)間。

技術(shù)指標(biāo)計(jì)算：

根據(jù)目前設(shè)計(jì)的IP模塊，要求每次PMF+FFT操作需要10000次主時(shí)鐘周期。對(duì)于采用200MHz的處理速率，T_p為每次PMF+FFT所需要的時(shí)間，

擴(kuò)頻碼捕獲時(shí)間T_max為：

PMF的相關(guān)長度取32個(gè)間隔采樣樣本(由于間隔取樣，相當(dāng)于64個(gè)采樣樣本的間隔)，F(xiàn)FT長度選用1024。

計(jì)算得所對(duì)應(yīng)的掃描范圍為：

一次FFT所分析的樣本數(shù)為：

一次對(duì)32768樣點(diǎn)也是在該環(huán)境下(最大多普勒頻率52KHz相當(dāng)于頻率穩(wěn)定度為52KHz/2000000KHz＝26ppm)最大允許采樣樣點(diǎn)數(shù)。

在E_b/N₀＝0～10dB環(huán)境下，通過對(duì)6.4個(gè)數(shù)據(jù)(相當(dāng)于信噪比提高：10·lg(6.4)＝8dB)符號(hào)進(jìn)行分析，圖6為本發(fā)明捕獲方法的自相關(guān)性能，圖7為本發(fā)明捕獲方法的檢測概率與虛警概率圖(每一個(gè)駐真點(diǎn)為500次進(jìn)行統(tǒng)計(jì))，由此可以看出，本發(fā)明捕獲方法可滿足檢測概率與虛警概率之間的均衡要求。

本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于，通過頻率自適應(yīng)調(diào)整、分段匹配濾波和快速傅里葉變換等算法，可解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)捕獲算法檢測頻偏范圍有限、硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、處理時(shí)延長等技術(shù)難題；具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、處理時(shí)延小、可檢測頻偏范圍大等顯著優(yōu)點(diǎn)，可檢測多普勒頻移范圍為±50KHz，多普勒頻率變化率為±50Hz，即可實(shí)現(xiàn)飛行速度20Ma、加速度為180g極高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的無線電通信的穩(wěn)定接收，捕獲跟蹤時(shí)間小于100ms。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。