阅读说明：本技术 卫星信号的捕获方法、装置、定位设备及可读存储介质 (Method and device for capturing satellite signal, positioning equipment and readable storage medium ) 是由 郭振扬 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本公开涉及卫星定位技术领域,公开了一种卫星信号的捕获方法,步骤如下：优先在预设的第一搜索频段的范围内进行GNSS的GEO卫星信号搜索；根据对应得到的多普勒频移f<Sub>d</Sub>确定另外的至少一个卫星信号的第二搜索频段,根据所述第二搜索频段进行对应的卫星信号的捕获。本公开的一些技术效果在于：由于优先对GEO卫星信号进行捕获,在捕获成功后可以将GEO卫星信号的多普勒频移f<Sub>d</Sub>视为基准振荡器引起的多普勒频移的估计值f<Sub>N2</Sub>,从而调整其他待捕获的卫星信号的搜索频段(即第二搜索频段),使得该搜索频段的区间得到缩小,进而缩短总体的卫星信号的捕获时长,且可以降低功耗。(The invention relates to the technical field of satellite positioning, and discloses a method for capturing satellite signals, which comprises the following steps: preferentially searching GEO satellite signals of the GNSS in a range of a preset first searching frequency band; according to the corresponding obtained Doppler frequency shift f d And determining a second search frequency band of at least one other satellite signal, and acquiring the corresponding satellite signal according to the second search frequency band. Some technical effects of this disclosure are: because the GEO satellite signal is preferentially captured, the Doppler frequency shift f of the GEO satellite signal can be shifted after the capture is successful d Estimation f of the Doppler shift considered to be caused by a reference oscillator N2 Therefore, the search frequency bands (namely, the second search frequency bands) of other satellite signals to be acquired are adjusted, so that the interval of the search frequency bands is reduced, the overall acquisition time of the satellite signals is shortened, and the power consumption can be reduced.)

卫星信号的捕获方法、装置、定位设备及可读存储介质

技术领域

本公开涉及卫星定位技术领域，特别涉及卫星信号的捕获方法、装置及相关的定位设备。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System，可理解为全球导航卫星系统)卫星的发射信号频率都是对应频点的标称频率，但定位设备(本文所指的定位设备，是具有卫星定位能力的接收机或相关设备，包括但不限于手持定位设备、车载定位设备、穿戴式定位设备等)的运动、卫星的运动以及定位设备基准振荡器(或称基准信号振荡器、基准载波振荡器)的频偏均会引发多普勒频移，导致定位设备接收到的卫星信号的频率与卫星的发射信号频率有所不同。

如果定位设备没有这些频率变化(或多普勒频移)的先验知识，就必须在可能的频段范围内按照一定步长进行频率的搜索与匹配。然而，即使定位设备匹配到一致的频率，还必须找到正确的延迟码以产生相关峰。这使得定位设备对于每颗卫星有一个二维搜索空间，称之为频率/码延迟搜索空间。定位设备对卫星信号的捕获必须首先对所有可能的频率空间以及码延迟空间进行搜索直到找到相关峰，然后才能进行后续的跟踪解码等。

现有技术中，进行卫星信号捕获时，一般会先设定一个搜索频段，其范围主要是依据下面三个估计值而确定的：卫星的运动引发的最大多普勒频移的估计值、定位设备的运动引发的最大多普勒频移的估计值、基准振荡器频偏引发的最大多普勒频移的估计值。

假设f_IF表示卫星信号经过下变频处理后得到的中频信号的频率，f_N1表示基准振荡器频偏引起的最大多普勒频移的估计值,f_M表示待捕获的卫星信号对应的卫星的运动引起的最大多普勒频移的估计值，f_O表示定位设备的运动引起的最大多普勒频移的估计值，在传统的卫星信号捕获的方法中，定位设备一般会根据设置的区间[f_IF-f_N1-f_M-f_O，f_IF+f_N1+f_M+f_O]作为搜索频段，以该搜索频段同时进行尽可能多的卫星信号的捕获。

然而，一般情况下，定位设备能同时接收到几十个不同卫星发射出来的信号，若针对每个信号都采用前述的区间进行频率搜索，需要花费较多时间。而随着科技发展，将会有越来越多的定位卫星升空，定位设备能同时接收到的卫星信号数量将越来越多，在这样的背景下，传统的捕获方法效率低下的缺陷将会被逐渐放大。

发明内容

为主要解决传统的捕获方法效率低下的技术问题，本公开在一方面提出了一种卫星信号的捕获方法，包括以下步骤：开始进行捕获卫星信号时，优先在预设的第一搜索频段的范围内进行GNSS的GEO卫星信号搜索；若在第一设定时长内成功捕获到所述GEO卫星信号，则根据对应得到的多普勒频移f_d获得基准振荡器引起的多普勒频移的估计值f_N2，从而确定另外的至少一个卫星信号的第二搜索频段，根据所述第二搜索频段进行对应的卫星信号的捕获。

优选地，所述GNSS的GEO卫星信号为中国北斗卫星导航系统的GEO卫星信号。

优选地，所述第一搜索频段为区间[f_IF-f_N1，f_IF+f_N1]；其中，f_IF表示卫星信号经过下变频处理后得到的中频信号的频率，f_N1表示基准振荡器引起的最大多普勒频移的估计值。

优选地，所述第二搜索频段为区间[f_IF-f_N2-f_M，f_IF-f_N2+f_M]；其中，f_M表示待捕获的卫星信号对应的卫星的运动引起的最大多普勒频移的估计值；f_N2＝f_d。

优选地，若在第一设定时长内未能成功捕获到所述GEO卫星信号，则根据预设的第三搜索频段进行其他卫星信号的捕获；所述第三搜索频段为区间[f_IF-f_N1-f_M，f_IF+f_N1+f_M]。

优选地，f_N1的取值范围为3～5KHz。

优选地，f_M的取值为5KHz。

在另一些方面，本公开提出了一种卫星信号的捕获装置，包括：优先捕获模块，用于在开始进行捕获卫星信号时，优先在预设的第一搜索频段的范围内进行GNSS的GEO卫星信号搜索；判断模块，用于判断在第一设定时长内是否成功捕获到所述GEO卫星信号，并输出判断结果；跟进捕获模块，用于根据所述判断结果，选择执行对应的跟进捕获步骤，当判断结果为成功捕获到所述GEO卫星信号时，则根据对应得到的多普勒频移f_d调整另外的至少一个卫星信号的第二搜索频段，根据所述第二搜索频段进行该卫星信号的捕获。

在另一些方面，本公开提出了一种定位设备，包括射频前端处理模块以及基带数字信号处理模块，所述基带数字信号处理模块主要用于进行信号捕获以及跟踪；所述进行信号捕获包括执行所述的捕获卫星信号的方法。

在另一些方面，本公开提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的捕获方法的步骤。

本公开的一些技术效果在于：由于优先对GEO卫星信号进行捕获，在捕获成功后可以将GEO卫星信号的多普勒频移f_d视为基准振荡器引起的多普勒频移的估计值f_N2，从而调整其他待捕获的卫星信号的搜索频段(即第二搜索频段)，使得该搜索频段的区间得到缩小，进而缩短总体的卫星信号的捕获时长，且可以降低功耗。

具体实施方式

下文将对本公开涉及的技术手段或技术效果作进一步的展开描述，显然，所提供的实施例(或实施方式)仅是本公开意旨涵盖的部分实施方式，而并非全部。基于本公开中的实施例的明示或暗示，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所能获得的所有其他实施例，都将在本公开保护的范围之内。

在总体思路上，本公开提出了一种卫星信号的捕获方法，包括以下步骤：开始进行捕获卫星信号时，优先在预设的第一搜索频段的范围内进行GNSS的GEO卫星信号搜索；若在第一设定时长内成功捕获到所述GEO卫星信号，则根据对应得到的多普勒频移f_d获得基准振荡器引起的多普勒频移的估计值f_N2，从而确定另外的至少一个卫星信号的第二搜索频段，根据所述第二搜索频段进行对应的卫星信号的捕获。

所述捕获方法普遍地适用于多类定位设备或系统，特别是陆上的运输、工业、科研、生活等领域所涉及的定位设备或系统。

现有的多数定位设备，冷启动后需要花较长的时间方能完成卫星信号的捕获，申请人认为原因之一在于采用[f_IF-f_N1-f_M-f_O，f_IF+f_N1+f_M+f_O]作为所有不同类型的卫星信号的搜索频段，这样的搜索频段区间较大，导致搜索所需的时间较长，且所需的功耗也较大。

本公开提出的捕获方法，特点之一是对卫星信号的捕获流程进行了优化，即优先对GEO卫星信号进行捕获，如果捕获成功，则再对其他的部分或全部卫星信号进行捕获。这样设计的好处是，能通过在对GEO卫星信号捕获后获得的多普勒频移f_d来更直接地判断出基准振荡器引起的多普勒频移，并利用这一信息来获得相对而言较为准确的第二搜索频段，避免了目前一些捕获策略中，对搜索频段区间设置过大造成效率及功效均不理想的情况。获知了基准振荡器引起的多普勒频移，就无须采用可能与实际情况具有较大偏差的、表示基准振荡器引起的最大多普勒频移的估计值f_N1来设置第二搜索频段了。

更具体地，可以将GEO卫星信号对应的多普勒频移f_d视为基准振荡器引起的多普勒频移，原因如下：

(1)一般情况下，对于地面静态的定位设备而言，表示待捕获的卫星信号对应的卫星(例如GPS的卫星)的运动引起的最大多普勒频移的估计值f_M的范围一般为±5KHz的范围；但对于GEO卫星信号而言，从如此大的卫地距的角度来看，GEO卫星相对于地面的定位设备的运动速度极低，f_M的值可以视为0，因此，首先对GEO卫星信号进行捕获，绝大多数情况下不需要在搜索频段的设计中考虑f_M的影响。

(2)对于大多数的应用场合而言，特别是面向普通消费者的场合，定位设备(如手机、汽车导航仪等)的运动速度并不是非常大。引用图书《辅助GPS原理与应用》(作者：Frankvan Diggenlen)的观点，以GPS L1频点为例，每1km/h的定位设备运动速度最多引起1.5Hz的多普勒频移。由此可知，通常情况下，定位设备的运动对卫星定位的多普勒频移的影响是相对较小的。此时，f_O表示定位设备的运动引起的最大多普勒频移的估计值，也可以视为0，对于绝大多数的定位设备，在搜索频段的设计中，f_O的影响也可以不作考虑；

(3)基准振荡器频偏引起的多普勒频移是需要考虑的，但由于难以准确测得，且会受到基准振荡器的类型、电压波动、温度波动、器件老化等诸多因素的影响，基准振荡器的频偏会有变化。一般来说，设计搜索频段时，会采用表示基准振荡器引起的最大多普勒频移的估计值f_N1代替真实的基准振荡器频偏引起的多普勒频移的值。

(4)当f_M、f_O约等于0时，对GEO卫星信号成功捕获后，得到的对应的多普勒频移f_d(成功捕获一个卫星信号并随之获得对应的多普勒频移f_d属于成熟技术，在此不作展开)则可以视为基准振荡器频偏引起的多普勒频移的值。

需要强调的是，第(4)点合理地成立的前提，是针对运行速度不大(例如时速为两三百千米以下，特别是时速为一百千米以下)的定位设备而言的。因此本公开提出的捕获方法，特别适用于该类设备。

因此，实时本公开所述的捕获方法时，在进行第二搜索频段设计时，已经无需采用基准振荡器频偏引起的最大多普勒频移的估计值f_N1了。事实上，考虑到捕获方法可能应用在不同种类、状态的定位设备上，f_N1的取值需要尽可能宽广，这样会导致搜索频段的区间被设计得相对较大。若f_N1的取值过小，则可能会导致需要调整策略来捕获卫星信号，依然会造成效率低下及功耗增大的影响。

对于不同的GNSS卫星，由于卫星运动速度存在差异，可以设计不同的第二搜索频段，即第二搜索频段可以是普遍性的，也可以是具有针对性的。

在具体实施本公开所述的捕获方法时，可以优先对GEO卫星信号进行捕获，再对其他卫星信号以第二搜索频段进行频率搜索而进行捕获；但也不排除这样的情况：同时对GEO卫星信号以及其他部分卫星信号进行捕获后，然后对剩下未被捕获的卫星信号以第二搜索频段进行捕获。

而采用本公开所述的捕获方法，可以获得相对准确的对于基准振荡器频偏引起的多普勒频移的值，以该值来设计基准振荡器引起的多普勒频移的估计值f_N2，从而对第二搜索频段进行有效设置，则可以相对减小搜索的区间，提升效率、降低功耗。f_N2和f_N1虽然性质上都是估计值，但是f_N2比f_N1会更为准确，这样在进行第二搜索频段设计、设置时，能得到更为合理的搜索区间。

一般来说，可以采用各种已知的搜索频段进行GEO卫星信号的捕获。为了进一步提升捕获的速度，在一个实施例中，所述第一搜索频段为区间[f_IF-f_N1，f_IF+f_N1]；其中，f_IF表示卫星信号经过下变频处理后得到的中频信号的频率(该参数/数值的获取属于成熟技术，在此不作展开)，一般来说，f_IF会在数百兆赫兹以下。f_N1表示基准振荡器引起的最大多普勒频移的估计值。该实施例所述的区间特别适用于前述的运行速度不大的定位设备。

f_N1的取值需要考虑到诸多因素，一般可以见诸由生产商提供的基准振荡器的技术手册或使用说明书而获得。例如对于例如GPS L1频点，对于未知的振荡器偏移每1ppm会产生1.575kHz的未知多普勒频移，消费级GPS接收机的温度补偿晶体振荡器通常具有数百万分之一(±2，±3，±5ppm)的频偏。

在一个实施例中，f_N1的取值范围为3～5KHz。

对于第二搜索频段区间的设计，主要需要考虑f_N2、f_M两个参数。f_N2可以藉由GEO卫星信号对应的多普勒频移f_d进行设计，一般来说可以使前者与后者相等，或者在f_d的基础上增加数十赫兹。而对于f_M的取值，根据目前GNSS卫星的情况，一般在5KHz左右，本领域技术人员也可以根据定位设备所在的地区的上空出现的卫星的情况，进行更具体的计算以设计f_M的值，具体的计算、估算的原理属于成熟理论，在此不作展开。

在一个实施例中，所述第二搜索频段为区间[f_IF-f_N2-f_M，f_IF-f_N2+f_M]；其中，f_M表示待捕获的卫星信号对应的卫星的运动引起的最大多普勒频移的估计值；f_N2＝f_d。

在一个实施例中，f_M的取值为5KHz。

在一个实施例中，所述GNSS的GEO卫星信号为中国北斗卫星导航系统的GEO卫星信号。

考虑到在有时因为遮挡等外界因素，定位设备不一定总能接收到GEO卫星信号，在一个实施例中，若在第一设定时长内未能成功捕获到所述GEO卫星信号，则根据预设的第三搜索频段进行其他卫星信号的捕获；所述第三搜索频段为区间[f_IF-f_N1-f_M，f_IF+f_N1+f_M]。所述第一设定时长可以根据需要进行灵活设计，一般为数十秒以下。

在一些方面，本公开提出了一种卫星信号的捕获装置，包括：优先捕获模块，用于在开始进行捕获卫星信号时，优先在预设的第一搜索频段的范围内进行GNSS的GEO卫星信号搜索；判断模块，用于判断在第一设定时长内是否成功捕获到所述GEO卫星信号，并输出判断结果；跟进捕获模块，用于根据所述判断结果，选择执行对应的跟进捕获步骤，当判断结果为成功捕获到所述GEO卫星信号时，则根据对应得到的多普勒频移f_d调整另外的至少一个卫星信号的第二搜索频段，根据所述第二搜索频段进行该卫星信号的捕获。除此之外，在另一些实施例中，捕获装置还可以执行前述的捕获方法中的各种细节的步骤。捕获装置的各个模块可以集成在一个电路板上，也可以是被分别设置存在于多个处理设备中，只要各个模块存在合理的电连接关系即可。

在一些方面，本公开提出了一种定位设备，包括射频前端处理模块以及基带数字信号处理模块，所述基带数字信号处理模块主要用于进行信号捕获以及跟踪；所述进行信号捕获包括执行所述的捕获卫星信号的方法。

在一些方面，本公开提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的捕获方法的步骤。本领域技术人员可以理解的是，实施例中的全部或部分步骤，可以通过计算机程序来指令相关的硬件实现，该程序可以存储于计算机可读介质中，可读介质可以包括闪存盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取器、磁盘或光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在符合本领域技术人员的知识和能力水平范围内，本文提及的各种实施例或者技术特征在不冲突的情况下，可以相互组合而作为另外一些可选实施例，这些并未被一一罗列出来的、由有限数量的技术特征组合形成的有限数量的可选实施例，仍属于本公开揭露的技术范围内，亦是本领域技术人员结合本文内容所能理解或推断而得出的。

另外，多数实施例的描述是基于不同的重点而展开的，未详述之处，可参见现有技术的内容或本文的其他相关描述进行理解。

再次强调，上文所列举的实施例，为本公开较为典型的、较佳实施例，仅用于详细说明、解释本公开的技术方案，以便于读者理解，并不用以限制本公开的保护范围或者应用。在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等而获得的技术方案，都应被涵盖在本公开的保护范围之内。